基于四阶累积量的联合稳健特征空间投影的干扰抑制方法技术

本发明专利技术公开了一种基于四阶累积量的联合稳健特征空间投影的干扰抑制方法，包括利用均匀直线阵接收多个信源的远场平面波数据，获取远场平面波数据的协方差矩阵；利用四阶累积量矩阵代替协方差矩阵；基于四阶累积量对整个均匀直线阵进行扩展，以获取期望信号的扩展导向矢量矩阵；基于线性收缩估计对四阶累积量矩阵进行校正；基于校正后的四阶累积量矩阵校正期望信号的扩展导向矢量矩阵；将校正后的四阶累积量矩阵和校正后的期望信号的扩展导向矢量矩阵代入波束成形的权重系数，以获取目标权重系数；基于目标权重系数对远场平面波数据进行加权，以获取波束形成的目标输出；基于目标输出计算波束形成的目标输出功率，以确定信源中弱信源的方位。弱信源的方位。弱信源的方位。

【技术实现步骤摘要】
基于四阶累积量的联合稳健特征空间投影的干扰抑制方法


[0001]本专利技术属于阵列信号处理领域，具体涉及一种基于四阶累积量的联合稳健特征空间投影的干扰抑制方法。

技术介绍

[0002]波束形成技术是一种空域滤波器，常用于滤除噪声或干扰，优势之一是既可以抑制强干扰，又可以定位弱信源。传统的波束形成技术对信噪比要求较高，在水声低信噪比环境下性能较差；而四阶累积量可以增加阵列有效孔径，提高输出信噪比，且可以完全滤除水声环境中的高斯性噪声，因此对于四阶累积量的研究是阵列信号处理领域的重要研究方向之一。
[0003]基于四阶累积量的波束形成干扰抑制方法可以在水声低信噪比下实现干扰抑制，同时定位弱信源；但在估计期望角度和协方差矩阵存在误差时，鲁棒性差、性能严重损失。因此基于四阶累积量的波束形成干扰抑制方法需要解决的问题是如何提高算法的鲁棒性。
[0004]《Underwater target detection based on fourth
‑
order cumulant beamforming》(发表于the Acoustical Society of America,2017:1
‑
9)一文中在水声信号处理中使用四阶累积量波束形成算法，能够有效地抑制超自由度干扰并提高目标检测性能；但当信噪比增大时，小特征值的扰动影响了算法的滤波性能，波束图主瓣和零陷位置均出现误差。
[0005]《Modified projection approach for robust adaptive array beamforming》(发表于Signal Processing,2012,92(7):1758
‑
1763)一文中先采用Shrinkage方法对协方差矩阵进行校正，再通过特征空间投影法校正期望信号的方向向量，提出了一种简单的方法来确定投影矩阵，在保持算法稳健性的同时，无需信源数的先验信息，并且在较低信噪比下可以展现良好的性能，但对于水声低信噪比环境适用性较差。

技术实现思路

[0006]本专利技术旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。
[0007]本专利技术的目的在于提供一种基于四阶累积量的联合稳健特征空间投影的强干扰抑制方法，适用于水声低信噪比环境且鲁棒性较好，能够在水声环境中实现抑制强干扰，并定位弱信源。
[0008]根据本申请的实施例，提供了一种基于四阶累积量的联合稳健特征空间投影的干扰抑制方法，包括以下步骤：
[0009]步骤1、利用均匀直线阵接收多个信源的远场平面波数据，整个所述均匀直线阵接收到的远场平面波数据为X(t)，X(t)用公式表示为：
[0010]X(t)＝a(θ
d
)s
d
(t)+a(θ
i
)s
i
(t)+N(t)
[0011]式中，s
d
(t)表示期望信号；a(θ
d
)表示期望信号的初始导向矢量矩阵；s
i
(t)表示干扰信号；a(θ
i
)表示干扰信号的导向矢量矩阵；N(t)表示接收到的高斯白噪声矩阵；
[0012]步骤2、基于整个所述均匀直线阵接收的远场平面波数据X(t)，获取远场平面波数据X(t)的协方差矩阵R
xx
，R
xx
用公式表示为：
[0013]R
xx
＝E[X(t)X
H
(t)][0014]式中，E{
·
}表示求矩阵的期望；(
·
)
H
表示矩阵的共轭转置；
[0015]步骤3、利用四阶累积量矩阵R4代替远场平面波数据X(t)的协方差矩阵R
xx
；
[0016]步骤4、基于四阶累积量对整个所述均匀直线阵进行扩展，以获取期望信号的扩展导向矢量矩阵b(θ
d
)，用公式表示为：
[0017][0018]式中，(
·
)
*
表示矩阵的共轭；
[0019]步骤5、基于线性收缩估计消除四阶累积量矩阵R4的误差，以对四阶累积量矩阵R4进行校正，校正公式为：
[0020][0021]式中，参数α≥0,β≥0表示线性收缩系数；I表示单位矩阵；表示校正后的四阶累积量矩阵；
[0022]步骤6、基于校正后的四阶累积量矩阵对期望信号的扩展导向矢量矩阵b(θ
d
)进行校正，校正公式为：
[0023][0024]式中，表示校正后的期望信号的扩展导向矢量矩阵；P4表示投影矩阵；
[0025]步骤7、将校正后的四阶累积量矩阵和校正后的期望信号的扩展导向矢量矩阵代入波束成形的权重系数w(θ)，以获取基于四阶累积量的联合稳健特征空间投影的波束形成的目标权重系数w
FOC
‑
JLCMV
(θ)，w(θ)和w
FOC
‑
JLCMV
(θ)分别用公式表示为：
[0026][0027][0028]步骤8、基于所述目标权重系数w
FOC
‑
JLCMV
(θ)对远场平面波数据X(t)进行加权，以获取基于四阶累积量的联合稳健特征空间投影的波束形成的目标输出Y(t)，用公式表示为：
[0029][0030]式中，X4(t)表示对所述远场平面波数据X(t)进行扩展；(
·
)
‑1表示矩阵的求逆运算；(
·
)
H
表示矩阵的共轭转置；
[0031]步骤9、基于所述目标输出Y(t)计算基于四阶累积量的联合稳健特征空间投影的波束形成的目标输出功率P
power_4
，以确定信源中弱信源的方位；所述目标输出功率P
power_4
，用公式表示为：
[0032][0033]式中，式中，表示对远场平面波数据X(t)扩展后的X4(t)的协方差矩阵；E{
·
}表示求矩阵的期望。
[0034]在上述方法中，在步骤3中，利用四阶累积量矩阵R4代替远场平面波数据X(t)的协方差矩阵R
xx
；四阶累积量矩阵R4用公式表示为：
[0035][0036]式中，E{
·
}表示求矩阵的期望；(
·
)
H
表示矩阵的共轭转置；(
·
)
*
表示矩阵的共轭；表示Kronecker积符号。
[0037]在上述方法中，在步骤5中，通过最小化估计量校正后的四阶累积量矩阵的均方误差，当最小时，选择合适的α，β值：
[0038][0039][0040][0041]式中，MSE(
·
)表示求解均方误差；min(
·
)表示求解最小值；tr(
·
)表示求矩阵本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于四阶累积量的联合稳健特征空间投影的干扰抑制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、利用均匀直线阵接收多个信源的远场平面波数据，整个所述均匀直线阵接收到的远场平面波数据为X(t)，X(t)用公式表示为：X(t)＝a(θ
d
)s
d
(t)+a(θ
i
)s
i
(t)+N(t)式中，s
d
(t)表示期望信号；a(θ
d
)表示期望信号的初始导向矢量矩阵；s
i
(t)表示干扰信号；a(θ
i
)表示干扰信号的导向矢量矩阵；N(t)表示接收到的高斯白噪声矩阵；步骤2、基于整个所述均匀直线阵接收的远场平面波数据X(t)，获取远场平面波数据X(t)的协方差矩阵R
xx
，R
xx
用公式表示为：R
xx
＝E[X(t)X
H
(t)]式中，E{
·
}表示求矩阵的期望；(
·
)
H
表示矩阵的共轭转置；步骤3、利用四阶累积量矩阵R4代替远场平面波数据X(t)的协方差矩阵R
xx
；步骤4、基于四阶累积量对整个所述均匀直线阵进行扩展，以获取期望信号的扩展导向矢量矩阵b(θ
d
)，用公式表示为：式中，(
·
)
*
表示矩阵的共轭；步骤5、基于线性收缩估计消除四阶累积量矩阵R4的误差，以对四阶累积量矩阵R4进行校正，校正公式为：式中，参数α≥0,β≥0表示线性收缩系数；I表示单位矩阵；表示校正后的四阶累积量矩阵；步骤6、基于校正后的四阶累积量矩阵对期望信号的扩展导向矢量矩阵b(θ
d
)进行校正，校正公式为：式中，表示校正后的期望信号的扩展导向矢量矩阵；P4表示投影矩阵；步骤7、将校正后的四阶累积量矩阵和校正后的期望信号的扩展导向矢量矩阵代入波束成形的权重系数w(θ)，以获取基于四阶累积量的联合稳健特征空间投影的波束形成的目标权重系数w
FOC
‑
JLCMV
(θ)，w(θ)和w
FOC
‑
JLCMV
(θ)分别用公式表示为：(θ)分别用公式表示为：步骤8、基于所述目标权重系数w
FOC
‑
JLCMV
(θ)对远场平面波数据X(t)进行加权，以获取基于四阶累积量的联合稳健特征空间投影的波束形成的目标输出Y(t)，用公式表示为：
式中，X4(t)表示对所述远场平面波数据X(t)进行扩展；(
·
)
‑1表示矩阵的求逆运算；(
·
)
H
表示矩阵的共轭转置；步骤9、基于所述目标...

【专利技术属性】
技术研发人员：惠娟，周楠楠，赵安邦，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：