一种基于矩阵投影的快速同时多波束形成方法技术

本发明专利技术公开一种基于矩阵投影的快速同时多波束形成方法，包括如下步骤：利用阵列雷达采集的数据计算采样协方差矩阵；借助矩阵锥化技术构造用户信号阻塞矩阵，并用用户信号阻塞矩阵处理采样协方差矩阵得到准干扰协方差矩阵；将准干扰协方差矩阵特征变换重构得到干扰矩阵；根据采样协方差矩阵和干扰矩阵得到用户信号加噪声矩阵，并基于矩阵投影技术获得修正的用户信号导向矢量；根据干扰矩阵和用户信号导向矢量，使用线性约束最小方差准则计算最优权矢量，完成多用户接收波束形成。本发明专利技术实现角度误差和阵列结构失配下的多波束形成；解决了多用户接收波束形成技术中导向矢量失配引起的输出信干噪比下降问题。起的输出信干噪比下降问题。起的输出信干噪比下降问题。

【技术实现步骤摘要】
一种基于矩阵投影的快速同时多波束形成方法


[0001]本专利技术涉及阵列信号处理领域。更具体地，涉及一种基于矩阵投影的快速同时多波束形成方法。

技术介绍

[0002]波束形成技术广泛应用于航空、航天、雷达和通信系统，通过在用户信号形成增益、干扰方向形成零陷，提高输出信干噪比。但是，实际工作环境中存在阵元位置误差、通道幅度相位误差等，致使用户信号导向矢量约束存在偏差。理论研究表明，当用户信号导向矢量存在约束偏差，在低信噪比(Signal to Noise Ratio,SNR)情况下，可能出现主瓣偏移等问题，降低输出SINR；在高SNR情况下，若接收数据含有用户信号，甚至会出现信号
‘
自消
’
现象，导致输出SINR急剧恶化。
[0003]针对多种误差下波束形成最优权求解问题，典型的解决方法有：对角加载类方法，子空间类算法，约束优化类方法，干扰协方差矩阵重构类方法等，其中：
[0004]对角加载类方法：该方法在样本数据协方差矩阵的对角元素中加载一个较小的量，从而减小采样协方差矩阵中噪声特征值的扰动程度，可以减缓信号
‘
自消
’
现象；但存在加载值难以控制的缺点。
[0005]子空间类算法：该方法将用户信号导向矢量向信号干扰子空间投影，从而削弱噪声子空间的扰动对波束形成算法性能的影响，在高SNR的场景有较好的性能；但存在信号干扰子空间维数估计难，低SNR性能差的问题。
[0006]约束优化类方法：该方法基于SNR最大或者SINR最大来建立用户信号导向矢量的优化方程，从而提高对用户信号导向矢量的约束效果，在导向矢量误差较小时具有良好的性能；但是约束优化类方法一般计算复杂度较高。
[0007]干扰协方差矩阵重构类方法：该方法在干扰区域利用如Capon功率谱、PI谱、SPICE谱进行积分，估计出不含用户信号的干扰协方差矩阵来提高波束形成器性能，克服了信号
‘
自消
’
现象；但是该方法在阵列结构误差下干扰抑制性能很差。
[0008]上述提及到的对角加载类方法能提高小快拍下的性能，但是在强用户信号下存在用户信号
‘
自消
’
现象；子空间类方法可以提高强用户信号下导向矢量的估计性能，但是在弱用户信号下存在较大误差；已有约束优化类方法由于存在用户信号导向矢量约束偏差，导致性能提升有限；干扰协方差矩阵重构类方法在阵列精确校准情况下，可以显著提高波束形成器性能，但是在阵列校准误差下，失去干扰抑制能力。

技术实现思路

[0009]本专利技术的目的在于本专利技术的目的在于克服上述方法的不足，提供一种基于矩阵投影的快速同时多波束形成方法，解决导向矢量失配引起的输出SINR下降问题。
[0010]为达到上述目的，本专利技术采用下述技术方案：
[0011]一种基于矩阵投影的快速同时多波束形成方法，包括如下步骤：
[0012]利用阵列雷达采集的数据计算采样协方差矩阵；
[0013]借助矩阵锥化技术构造用户信号阻塞矩阵，并用用户信号阻塞矩阵处理采样协方差矩阵得到准干扰协方差矩阵；
[0014]将准干扰协方差矩阵特征变换重构得到干扰矩阵；
[0015]根据采样协方差矩阵和干扰矩阵得到用户信号加噪声矩阵，并基于矩阵投影技术获得修正的用户信号导向矢量；
[0016]根据干扰矩阵和用户信号导向矢量，使用线性约束最小方差准则计算最优权矢量，完成多用户接收波束形成。
[0017]优选地，所述利用阵列雷达采集的数据计算采样协方差矩阵包括：
[0018]利用M个阵元半波长排布的均匀线阵采集数据X(t)计算采样协方差矩阵
[0019][0020]其中K表示快拍数，X(t)为采集的数据，含有1个目标和J个干扰的回波信息，t为采集时刻，X
H
(t)为X(t)的共轭转置，M为常数，J为常数。
[0021]优选地，所述借助矩阵锥化技术构造用户信号阻塞矩阵B：
[0022][0023]其中表示用户信号的先验角度，(
·
)
H
代表共轭转置，a(θ)表示角度θ对应的阵列导向矢量，I代表单位矩阵，为利用最小特征值估计的噪声功率，T表示第m行n列元素为sin((m
‑
n)Δ)/((m
‑
n)Δ)的M维方阵，Δ为展宽参数，trace(
·
)表示矩阵求迹，
⊙
表示Hadamard积。
[0024]优选地，所述得到的准干扰协方差矩阵
[0025][0026]优选地，所述得到的干扰矩阵
[0027][0028]其中S
J
和U
J
分别表示特征分解得到的前J个大特征值组成的特征值矩阵和对应的特征向量矩阵。
[0029]优选地，所述用户信号加噪声矩阵
[0030][0031]优选地，所述用户信号导向矢量
[0032][0033]||
·
||表示2范数。
[0034]优选地，所述计算最优权矢量w：
[0035][0036]其中表示导向矩阵，f表示全1的M个阵元响应矢量。
[0037]本专利技术的有益效果如下：
[0038]本专利技术利用矩阵锥化技术和特征变换重构干扰矩阵，并借助矩阵投影变换修正用户信号导向矢量，实现角度误差和阵列结构失配下的多波束形成；解决了多用户接收波束形成技术中导向矢量失配引起的输出信干噪比下降问题。
附图说明
[0039]下面结合附图对本专利技术的具体实施方式作进一步详细的说明。
[0040]图1示出本专利技术的流程图。
[0041]图2示出本专利技术的雷达阵列接收数据示意图。
[0042]图3示出本专利技术、对角加载类方法和干扰矩阵重构方法存在用户信号来波方向误差和阵元位置误差时，输入SNR固定为0dB仿真输出波束响应与来波角度的关系图。
[0043]图4示出本专利技术、对角加载类方法和干扰矩阵重构方法存在用户信号来波方向误差和阵元位置误差时，输入SNR固定为15dB仿真输出波束响应与来波角度的关系图。
[0044]图5示出本专利技术、对角加载类方法和干扰矩阵重构方法存在用户信号来波方向误差和通道幅相位置误差时，输入SNR固定为0dB仿真输出波束响应与来波角度的关系图。
[0045]图6示出本专利技术、对角加载类方法和干扰矩阵重构方法存在用户信号来波方向误差和通道幅相位置误差，输入SNR固定为15dB仿真输出波束响应与来波角度的关系图。
具体实施方式
[0046]为了更清楚地说明本专利技术，下面结合优选实施例和附图1
‑
6对本专利技术做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本专利技术的保护范围。
[0047]如图1所示，一种基于矩本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于矩阵投影的快速同时多波束形成方法，其特征在于，包括如下步骤：利用阵列雷达采集的数据计算采样协方差矩阵；借助矩阵锥化技术构造用户信号阻塞矩阵，并用用户信号阻塞矩阵处理采样协方差矩阵得到准干扰协方差矩阵；将准干扰协方差矩阵特征变换重构得到干扰矩阵；根据采样协方差矩阵和干扰矩阵得到用户信号加噪声矩阵，并基于矩阵投影技术获得修正的用户信号导向矢量；根据干扰矩阵和用户信号导向矢量，使用线性约束最小方差准则计算最优权矢量，完成多用户接收波束形成。2.根据权利要求1所述的基于矩阵投影的快速同时多波束形成方法，其特征在于，所述利用阵列雷达采集的数据计算采样协方差矩阵包括：利用M个阵元半波长排布的均匀线阵采集数据X(t)计算采样协方差矩阵利用M个阵元半波长排布的均匀线阵采集数据X(t)计算采样协方差矩阵其中K表示快拍数，X(t)为采集的数据，含有1个目标和J个干扰的回波信息，t为采集时刻，X
H
(t)为X(t)的共轭转置，M为常数，J为常数。3.根据权利要求2所述的基于矩阵投影的快速同时多波束形成方法，其特征在于，所述借助矩阵锥化技术构造用户信号阻塞矩阵B：其中表示用户信号的先验角度，(
·
)
H
代表共轭转置，a(θ)表示角度θ对应的阵列导向矢...

【专利技术属性】
技术研发人员：张攀，靖岗，马腾，
申请(专利权)人：北京无线电测量研究所，
类型：发明
国别省市：