基于改进对角加载的稳健自适应波束形成方法技术

本发明专利技术属于民用安防雷达技术领域，具体公开了一种基于改进对角加载的稳健自适应波束形成方法，首先对原对角加载算法进行改进，提出一种通过确定目标的空间频率范围，进一步确定对应导量矢量波动区间的极限值，引入参数β，用以收缩约束条件，再利用零陷展宽技术使得在干扰位置自动生成宽零陷，进一步增强算法稳健性。稳健性。稳健性。

【技术实现步骤摘要】
基于改进对角加载的稳健自适应波束形成方法


[0001]本专利技术涉及民用安防雷达
，尤其涉及一种基于改进对角加载的稳健自适应波束形成方法，该方法稳健性好、且具有较高的输出信干噪比。

技术介绍

[0002]自适应波束形成技术抑制干扰在雷达、通信、声纳等领域有着广泛的应用, 自适应波束形成算法可根据信号环境的变化自适应调整各个阵元的加权因子，达到增强信号抑制噪声与干扰的目的，已被广泛应用于声呐、雷达、语音处理和通信系统等领域。
[0003]但在阵列模型失配的情况下，算法性能会受到严重影响，特别是导向矢量失配以及训练数据中包含期望信号分量时，较小的系统误差也会导致算法性能严重下降。此外，干扰源的运动、基阵平台的震动和运动所引起的数据非平稳变化也是导致算法性能降低的重要原因，特别是当干扰源快速运动，自适应波束形成器的加权向量不能足够快地适应非平稳信号，算法性能将急剧降低，因此如何抑制运动干扰并提高自适应波束形成算法对系统误差的鲁棒性一直以来都是研究的热点。
[0004]自适应波束形成时的权值大小与虚拟导向矢量η(R0,θ0)以及干扰加噪声协方差矩阵R
j+n
均有关，R0为目标真实距离，θ0为目标的角度，一般地，二者均存在一定误差，一方面，对η(R0,θ0)而言，由于我们在对目标进行估计时，估计出的目标角度θ往往与真实角度存在一定的偏差，因此，导向矢量η(R0,θ0)会发生失配；另一方面，R
j+n
经常用采样协方差矩阵R
xx
代替，这是因为接收到的信号，往往包含有目标信号，这样做是为了得到尽可能多的包含干扰和噪声的信号。在具有较高的SNR的情况下，得到的R
xx
中就会含有更高的信号成分，使得对滤波器的最优权矢量的估计出现较大偏差，影响波形的干扰抑制能力，因此，有必要研究一种存在误差情况下的稳健的自适应波束形成方法。

技术实现思路

[0005]针对现有技术存在的问题，本专利技术的目的在于提供一种基于改进对角加载的稳健自适应波束形成方法，对传统对角加载技术进行改进，在目标和干扰同时存在误差时，具有较好的稳健的干扰抑制能力。
[0006]为了达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案予以实现。
[0007]基于改进对角加载的稳健自适应波束形成方法，包括以下步骤：
[0008]步骤1，当目标的导向矢量存在失配时，设期望信号的来波方向在区间 [θ0‑
Δθ,θ0+Δθ]内，且该区间不包含干扰信号的方向；根据期望信号的来波方向与空间频率的对应关系，确定期望信号的空间频率范围Θ＝[f
min
,f
max
]；
[0009]其中，θ0为目标的角度，Δθ为角度误差扰动；f
max
和f
min
分别代表在导向矢量失配时，对应期望信号的空间频率的最大值和最小值；
[0010]步骤2，根据导向矢量与空间频率的一一对应关系，确定导向矢量的扰动范围；
[0011]步骤3，根据导向矢量的扰动范围，对对角加载的导向矢量进行约束，构建改进对
角加载的波束形成优化问题；求解该优化问题得到对角加载因子，进而得到对应的稳健波束形成最优权矢量；
[0012]步骤4，在自适应波束形成时引入零陷展宽，在干扰位置自动生成较宽零陷，得到基于零陷展宽的稳健波束形成最优权矢量，进而得到稳健的自适应波束形成。
[0013]与现有技术相比，本专利技术的有益效果为：
[0014]本专利技术通过对目标的导向矢量存在失配的情况进行分析，对对角加载算法进行改进，提出一种通过确定目标的空间频率范围，进一步确定对应导向矢量波动区间的极限值，引入参数β，用以收缩约束条件；再利用零陷展宽技术使得在干扰位置自动生成宽零陷，进一步增强算法稳健性。在目标和干扰同时存在误差时，具有较好的稳健的干扰抑制能力。
附图说明
[0015]下面结合附图和具体实施例对本专利技术做进一步详细说明。
[0016]图1为传统对角算法和改进对角加载算法的干扰抑制仿真结果图；
[0017]图2为几种不同自适应波束形成算法的发射空间频率维方向图；
[0018]图3为无误差情况下，不同自适应波束形成算法的干扰抑制仿真结果图；
[0019]图4(a)为考虑目标存在距离量化误差时的仿真结果图；
[0020]图4(b)考虑目标存在频率步进误差时不同算法的仿真结果图；
[0021]图5(a)为当存在天线位置误差时不同算法的仿真结果图；
[0022]图5(b)是存在波前失真时不同算法的仿真结果图；
[0023]图6为当目标和干扰都存在误差时的不同算法的仿真结果图。
具体实施方式
[0024]下面将结合实施例对本专利技术的实施方案进行详细描述，但是本领域的技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本专利技术，而不应视为限制本专利技术的范围。
[0025]首先，对理性情况下的导向矢量失配和非理想情况下的接收信号中含有目标信号这两种情况下，影响自适应波束形成最优权的因素进行分析。
[0026](1)分析理想情况下，系统的最优输出信干噪比。理想情况下，接收信号的协方差矩阵可以写成：
[0027]R
xx
＝σ2η(R0,θ0)η
H
(R0,θ0)+R
j+n
ꢀꢀꢀ
(1)
[0028]其中，σ2是目标信号的功率，R
j+n
为干扰加噪声协方差矩阵，η(R0,θ0)为导向矢量，上标H表示共轭转置，
[0029]进一步可以将输出SINR(信干噪比)表示为：
[0030][0031]式中，w为权值向量；当上式中权值为最优权值，即时，代入有：
[0032][0033](a)信号导向矢量失配的影响分析：
[0034]当存在导向矢量失配的情况时，令此时假定的期望导向矢量为此时则此时信号的最优权矢量可以表示为：
[0035][0036]将上式代入式(2)中，则导向矢量失配时信干噪比SINR表示为：
[0037][0038][0039]上式(6)为导向矢量失配时，输出信干噪比的损失值，观察L
ost1
发现，由于余弦函数的取值范围在[0,1]之间，因此，L
ost1
∈[0,1]，所以式(5)中，SINR1＝SINR
opt
·
L
ost1
≤SINR
opt
，且只有当时等号成立。因此，在存在导向矢量失配的情况下，系统输出信干噪比SINR1小于系统的最优信干噪比SINR
opt
，也就是在存在导向矢量失配时，系统对干扰的抑制能力会下降。
[0040](2)接收信号中含有目标信号的影响分析，即R
j+n
中含有期望信号的影响分析：
[0041]非理想情况下，由于接收信号中经常含有目标信号。因此，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于改进对角加载的稳健自适应波束形成方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，当目标的导向矢量存在失配时，设期望信号的来波方向在区间[θ0‑△
θ,θ0+
△
θ]内，且该区间不包含干扰信号的方向；根据期望信号的来波方向与空间频率的对应关系，确定期望信号的空间频率范围Θ＝[f
min
,f
max
]；其中，θ0为目标的角度，
△
θ为角度误差扰动；f
max
和f
min
分别代表在导向矢量失配时，对应期望信号的空间频率的最大值和最小值；步骤2，根据导向矢量与空间频率的一一对应关系，确定导向矢量的扰动范围；步骤3，根据导向矢量的扰动范围，对对角加载的导向矢量进行约束，构建改进对角加载的波束形成优化问题；求解该优化问题得到对角加载因子，进而得到对应的稳健波束形成最优权矢量；步骤4，在自适应波束形成时引入零陷展宽，在干扰位置自动生成较宽零陷，得到基于零陷展宽的稳健波束形成最优权矢量，进而得到稳健的自适应波束形成。2.根据权利要求1所述的基于改进对角加载的稳健自适应波束形成方法，其特征在于，步骤1中，所述期望信号的空间频率范围的确定过程为：首先，设对于FDA
‑
MIMO雷达，在进行频率补偿之后，干扰和目标的发射空间频率之间存在以下关系：式中，f
Ts,comp
和f
Ts,j,comp
分别表示补偿之后真目标和假目标的发射空间频率，e、f分别代表真目标、假目标的距离模糊次数，
△
f为频率间隔，R
u
＝c/2f
r
为雷达最大无模糊距离，f
r
为脉冲重复频率；因此，对于包含目标信号但不包含干扰信号的空间频率范围也应该满足：其次，设距离量化误差是σ
r
，频率步进误差是σ
f
，其余误差表示为σ
a
，那么所有的误差在空间频率上带来的总误差表示为：由于各种误差之间互相独立，因此，空间频率总误差的标准差表示为：最后，由误差理论可知，偶然误差大于三倍标准差的概率为千分之三，认为其是误差极限值，因此令误差的活动半径为3倍的σ
′
，设目标的发射空间频率是f0，则期望信号的空间频率范围表示为：Θ＝[f0‑
3σ
′
,f0+3σ
′
]。3.根据权利要求1所述的基于改进对角加载的稳健自适应波束形成方法，其特征在于，所述导向矢量的扰动范围为[η
min
,η
max
]：
其中，j表示虚数单位，M表示阵列中的阵...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱圣棋，杨帆，许京伟，李西敏，张育豪，王可，曾国强，吴晓春，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：