本發(fā)明屬于寬帶陣列自適應波束形成領(lǐng)域，具體涉及一種子帶處理方法及頻空級聯(lián)的寬帶自適應波束獲取方法。
背景技術(shù)：
：傳統(tǒng)數(shù)字波束形成(DBF)一般都是針對窄帶信號，隨著陣列信號處理應用的范圍越來越廣，窄帶信號已經(jīng)不能滿足工程需要，寬帶波束形成成為研究熱點。對于寬帶信號，相控陣天線在進行波束形成的過程中，由于孔徑渡越時間使得天線各單元所接收到的信號不能在允許的程度內(nèi)同相相加，導致信號脈壓后主瓣展寬，因此限制了相控陣瞬時信號帶寬的提高。另外，相控陣寬帶工作時的波束色散現(xiàn)象也和孔徑渡越時間有關(guān)，它不僅導致信號能量的損失，還會對信號產(chǎn)生調(diào)制，導致寬帶波束方向圖出現(xiàn)頻域不一致性等問題，使得波束方向圖的主波束發(fā)生偏移和畸變，造成信號處理增益降低。此時，傳統(tǒng)的窄帶波束形成方法無法解決孔徑渡越時間造成的波束色散現(xiàn)象，也不能有效抑制空間寬帶干擾。1972年Frost等人提出了基于時間延遲線(TDL)結(jié)構(gòu)的空時處理方法進行寬帶波束形成，為了提高干擾抑制的效果，該方法通常需要較多的延遲線，計算量巨大。設陣元數(shù)為M和每個陣元的TDL數(shù)分別為M和J，得到的自適應權(quán)值需要對MJ×MJ維信號相關(guān)矩陣進行估計和求逆，其運算量為O((MJ)3)，實時處理在軟硬件上都存在巨大的困難。此外，也有很多學者利用子帶分解技術(shù)將寬帶信號分解成為不同的子帶，在子帶進行自適應處理，然而此種方法并沒有補償寬帶信號的孔徑渡越時間，每個子帶的中心頻率各不相同，在自適應波束形成的過程中，要約束每一個子帶中心頻率進行自適應波束對齊，計算效率低，并且干擾抑制效果也有所下降。技術(shù)實現(xiàn)要素：本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是：提供一種子帶處理方法，解決了現(xiàn)有技術(shù)中頻域信號相消的問題。本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題采用以下技術(shù)方案：一種子帶處理方法，包括如下步驟：步驟1、將頻域孔徑渡越補償后的信號均勻劃分為頻譜互不重疊的L個子帶；步驟2、根據(jù)如下公式分別對每一個陣元進行子帶脈沖壓縮，獲取第m個陣元在第l個子帶經(jīng)子帶脈沖壓縮后的時域輸出信號el_m，el_m＝ifft[Cl_m(fl)hl(fl)]，其中，Cl_m(fl)表示陣列頻域孔徑補償后第l個子帶第m個陣元的輸出信號，fl為第l個子帶的頻率分布范圍，ifft表示快速傅里葉反變換運算符，hl(fl)為匹配濾波器的頻率響應函數(shù)；步驟3、第l個子帶經(jīng)過脈沖壓縮后的時域信號為el＝[el_1,el_2,…,el_M]，其中，M為寬帶陣列陣元數(shù)。所述fl的頻率范圍為其中，fs為陣列時域采樣頻率，Bl為每個子帶的平均帶寬。為了進一步解決寬帶陣列孔徑渡越現(xiàn)象帶來的波束色散問題以及寬帶干擾問題，本發(fā)明還公開了一種頻空級聯(lián)的寬帶自適應波束獲取方法，具體技術(shù)方案如下：頻空級聯(lián)的寬帶自適應波束獲取方法，包括如下步驟：步驟1、對寬帶陣列孔徑渡越進行頻域補償；步驟2、應用權(quán)利要求1的方法進行子帶脈沖壓縮；步驟3、獲取脈沖壓縮后的子帶時域自適應波束；步驟4、寬帶信號合成，獲取頻空級聯(lián)處理的寬帶陣列自適應波束的輸出信號。所述步驟3子帶時域自適應波束采用如下公式獲?。簓l(u)＝wlH(u)el(u)其中，el(u)為el中第u個距離單元的數(shù)據(jù)，yl(u)表示第l個子帶第u個距離單元的時域自適應波束信號，wl(u)為第u個距離單元在第l個子帶的空域自適應波束權(quán)值，上標H表示復共軛轉(zhuǎn)置運算符。所述頻空級聯(lián)處理的寬帶陣列自適應波束的時域輸出信號yW_ADBF(t)采用如下公式獲?。簓W_ADBF(t)＝ifft[Y(f)]其中，Y(f)為干擾抑制后的寬帶距離維頻域信號，Y(f)＝[Y1(f1),Y2(f2)…,YL(fL)]，Yl(fl)＝fft[yl(t)]，1≤l≤L。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：1、頻空域級聯(lián)處理有效補償了寬帶孔徑渡越時間，解決了信號相消問題。2、收斂速度快，運算效率高，易于工程實施。附圖說明圖1為陣列結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為頻—空域?qū)拵ё赃m應波束形成設計流程圖。圖3(a)為子帶頻域CG算法寬帶自適應波束形成。圖3(b)為子帶時域CG算法寬帶自適應波束形成。圖3(c)為全頻譜時域CG算法寬帶自適應波束形成。圖4為分子帶和全頻譜不分子帶雜波協(xié)方差矩陣特征值。圖5(a)為子帶頻域LCMV算法寬帶自適應波束形成。圖5(b)為子帶時域LCMV算法寬帶自適應波束形成。圖5(c)為全頻譜時域LCMV算法寬帶自適應波束形成。圖6為子帶ADBF時CG算法迭代次數(shù)與輸出SINR的關(guān)系圖。圖7為LCMV算法與CG算法計算復雜度與陣元數(shù)之間關(guān)系對比圖。具體實施方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的結(jié)構(gòu)及工作過程作進一步說明。為了便于分析，本專利以均勻線陣為例，陣列結(jié)構(gòu)幾何構(gòu)型如圖1所示，陣元數(shù)為M，寬帶陣列波束指向為θ，載波頻率為f0，發(fā)射信號為線性調(diào)頻信號(LFM)，LFM信號的帶寬為B，時寬為T，其調(diào)頻斜率K＝B/T，經(jīng)下變頻后，陣列時域采樣頻率為fs，則寬帶陣列接收信號為：X(t)＝s(t)+i(t)+n(t)其中，X(t)表示陣列時域接收信號，s(t)為目標時域接收信號，i(t)表示干擾時域信號，n(t)表示噪聲時域信號。寬帶陣列接收信號模型為：X(t)＝s(t)+i(t)+n(t)(1)其中，X(t)表示陣列時域接收信號，s(t)為目標時域接收信號，i(t)表示干擾時域信號，n(t)表示噪聲時域信號。假定寬帶陣列陣元數(shù)為M，其時域接收信號可以表示為X(t)＝[x1(t),x2(t),…,xM(t)]T，其中xm(t)表示第m個陣元的時域接收信號，上標T表示轉(zhuǎn)置運算符。分別對每一個陣元進行加權(quán)輸出，則陣列波束形成可表示為：y＝wHX(2)其中w＝[w1,w2,…,wM]T表示陣元的空間自適應權(quán)值，即空域濾波系數(shù)，上標T表示復共軛轉(zhuǎn)置運算符。此時，陣列接收數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣可以用多個樣本極大似然估計獲得表示：R^xx=1PΣi=1PXiXiH---(3)]]>其中P為樣本個數(shù)，Xi表示陣列接收的第i個樣本，上標H表示復共軛轉(zhuǎn)置運算符。以第一個陣元為參考陣元(圖1中為陣元1號)，信號到達第m個陣元的時延為：τm＝(m-1)dsinθ/c,m＝1,2,…,M(4)其中θ表示陣列波束指向角，c表示光速，d表示陣元間距。此時，第m個陣元的目標信號為sm(t)=s(t-Δτm)e-j2πf0τm---(5)]]>其中s(t)代表基帶信號，f0表示信號中心頻率。從(5)可以看出由于孔徑渡越時間的存在導致每個陣元陣接收信號的包絡和相位相對參考陣元都有移動。如果s(t)為窄帶信號，其包絡變化緩慢可以忽略不計，當s(t)時寬帶信號時，對(5)進行快速傅里葉變換(FFT)可以的到第m個陣元接收信號的頻域表達式：Sm(f)=S(f)e-j2π(f+f0)τm---(6)]]>其中S(f)表示基帶信號經(jīng)快速傅里葉變換(FFT)得到的頻域信號，f表示信號的瞬時頻率。由上式可以看出孔徑渡越時間會導致陣元將相位差隨信號瞬時頻率變化，在波束形成時表現(xiàn)為波束的色散現(xiàn)象。因此要進行寬帶波束形成并有效抑制干擾，就必須解決孔徑渡越時間造成的信號包絡時延。本文提出了一種頻域—空域聯(lián)合處理方案，先用頻域補償?shù)姆椒ň_補償信號的孔徑渡越時間，然后利用自適應算法求解空間自適應權(quán)值，進行寬帶波束形成。圖2給出了該方案的部分處理流程。由公式(6)可以看出孔徑渡越時間在頻域上主要表現(xiàn)為陣列接收信號的相位差與瞬時頻率相關(guān)，為了補償孔徑渡越時間，第m個陣元的補償函數(shù)為：Hm(f)=ej2πfτm---(7)]]>則整個陣列的孔徑渡越補償函數(shù)為：H(f)＝[H1(f),H2(f),…,HM(f)](8)補償后的信號為：C(f)＝X(f)H(f)(9)其中X(f)陣列接收信號經(jīng)過FFT變換后的距離維頻域數(shù)據(jù)，令第m個陣元距離維頻域數(shù)據(jù)為Xm(f)＝fft[xm(t)]，那么X(f)＝[X1(f),X2(f),…,XM(f)]T。通過上面的頻域補償系統(tǒng)，陣列的導引矢量a只與陣列中心頻率f0相關(guān)，而與信號的瞬時頻率無關(guān)：a=[1,e-j2πdf0sinθ/c,...,e-j2πd(M-1)f0sinθ/c]T---(10)]]>接下來主要是設計空間自適應濾波器，達到提取目標信號，并抑制空間干擾和噪聲的目的。但是信號的帶寬也是影響寬帶波束形成性能的主要因素，為降低信號帶寬對波束形成性能的影響，將補償之后的寬帶信號均勻劃分為頻譜互不重疊的L個子帶，：C(f)＝[C1(f1),C2(f2)…,CL(fL)](11)其中，Cl(fl)表示陣列頻域孔徑補償后的信號第l個子帶的頻域信號，fl表示第l個子帶的頻率分布范圍，1≤l≤L，并且每個子帶的帶寬均為Bl＝fs/L，那么fl的頻率范圍為：如果在頻域直接計算信號的協(xié)方差矩陣，由于存在信號相消問題，會降低波束形成的輸出信干噪比，因此，分別對每個子帶的頻域信號進行脈沖壓縮，然后通過快速傅里葉反變換(IFFT)，可以得到每個子帶對應的時域信號。對于第l個子帶，考慮第m個陣元，對其進行距離向的脈沖壓縮及IFFT之后可以表示為：el_m＝ifft[Cl_m(fl)hl(fl)](12)其中Cl_m(fl)表示頻域孔徑渡越補償后第l個子帶第m個陣元的信號，即為第l個子帶的頻域信號Cl(fl)第m行的數(shù)據(jù)，ifft表示快速傅里葉反變換符。對于本專利仿真的線性調(diào)頻信號(LMF)，其匹配濾波器的頻率響應hl(fl)為：hl(fl)=ejπfl2/K---(13)]]>其中fl表示第l個子帶的頻率分布范圍，K為LMF信號的調(diào)頻斜率。那么第l個子帶脈壓后的時域信號可以表示為el＝[el_1,el_2,…,el_M]，el_m表示第l個子帶第m個陣元脈壓后的時域信號。經(jīng)過子帶劃分，以每個子帶的數(shù)據(jù)為單位分別進行自適應濾波器的設計。選取第l個子帶的第u個距離單元為例，剔除該距離單元及兩側(cè)各5個距離保護單元，選取4M個距離單元作為ADBF訓練樣本估計干擾協(xié)方差矩陣：R^l_u=14M-11[Σn=u-6-2Mu-6el(n)elH(n)+Σn=u+6u+2Mel(n)elH(n)]---(14)]]>其中，el(n)為第l個子帶時域樣本el中第n個距離單元的數(shù)據(jù)，上標H表示復共軛轉(zhuǎn)置運算符，并且el＝[el_1,el_2,…el_M]。此時，第u個距離單元在第l個子帶的ADBF權(quán)值wl(u)可以通過以下優(yōu)化問題求解：s.t.wlH(u)a=1minwwlH(u)R^l_uwl(u)---(15)]]>其中為第u個檢測距離單元在第l個子帶的干擾協(xié)方差矩陣，a波束指向?qū)б噶?。上述最小方差約束(LCMV)求解得到的空域自適應權(quán)值wl(u)為：wl(u)=R^l_u-1aaHR^l_u-1a---(16)]]>式(16)中的計算需要進行協(xié)方差矩陣的求逆操作，為改善計算量，本文利用共軛梯度(CG)算法迭代求解每一個距離單元在子帶中的空間自適應權(quán)值wl(u)，算法過程如下：第u個距離單元在第l個子帶經(jīng)時域ADBF后的輸出信號為：yl(u)＝wlH(u)el(u)(17)其中，el(u)為el中第u個距離單元的數(shù)據(jù)，yl(u)表示第l個子帶第u個距離單元ADBF的時域信號。在第l個子帶逐距離單元進行時域ADBF處理，即可得到第l個子帶所有距離單元經(jīng)時域ADBF后的輸出信號yl(t)。對每一個子帶分別進行子帶時域ADBF處理，可得到L個子帶經(jīng)時域ADBF后的輸出信號為：yS_ADBF(t)＝[y1(t),y2(t),…,yL(t)](18)其中yl(t)表示第l個子帶經(jīng)子帶時域ADBF后的輸出信號。然后分別對每一個子帶經(jīng)時域ADBF后的輸出信號yl(t)進行FFT得到每一個子帶的距離維頻域數(shù)據(jù)Yl(fl)，即Yl(fl)＝fft[yl(t)]，將所有的子帶按頻譜分布范圍依次順序拼接，可獲得干擾抑制后的寬帶距離維頻域信號：Y(f)＝[Y1(f1),Y2(f2)…,YL(fL)](19)將合成的頻域?qū)拵л敵鲂盘栠M行IFFT可獲得寬帶自適應波束形成的輸出信號：yW_ADBF(t)＝ifft[Y(f)](20)綜上所述，本發(fā)明提出的基于頻域-空域聯(lián)合處理方案，主要包括寬帶陣列孔徑渡越時間的頻域精確補償和子帶ADBF，圖2給出了該方案的部分處理流程。下面通過計算機仿真驗證本專利的有效性。本次仿真中干擾抑制效果由輸出信干燥比(SINR)進行分析：SINR=wHR^swwHR^iw]]>其中波束形成輸出信號目標信號協(xié)方差矩陣輸出干擾和噪聲協(xié)方差矩陣本次仿真基于均勻線陣(ULA)，陣元數(shù)M＝8，寬帶信號建模為LMF信號，帶寬B＝200M，中心頻率f0＝1G，輸入信干噪比(SINR)為-40dB，陣元間距為中心頻率對應波長的一半，寬帶干擾為7個，為了便于分析，干擾帶寬均設為200M，采樣點數(shù)為4096，系統(tǒng)主要參數(shù)見表1。表1均勻線陣仿真參數(shù)參數(shù)名稱參數(shù)數(shù)值陣元數(shù)8目標信號帶寬200MHz陣列中心頻率1.0GHz陣元間距0.15m寬帶干擾個數(shù)7目標信號角度60°輸入信干噪比-40dB圖3給出了頻域補償后，在設計自適應空間濾波器的過程中用共軛梯度法(CG)求解空間自適應權(quán)值，從而得到的寬帶自適應波束形成。圖3(a)和圖3(b)中，補償后的頻域信號被分為16個子帶，進行子帶自適應波束形成，最后進行頻譜合成，得到最終寬帶自適應波束形成。圖3(b)為本文介紹的方法，在子帶自適應波束形成過程中，先將每個子帶的頻域信號進行脈壓，轉(zhuǎn)換到時域，然后計算檢測距離單元的雜波協(xié)方差矩陣，再進行子帶ADBF，其輸出SINR達到62.8dB，而圖3(a)在計算雜波協(xié)方差矩陣時直接在頻域處理，不設保護單元，由于信號相消問題的存在，其輸出SINR比圖3(b)降低了10.9dB。圖3(c)不進行子帶分解，以補償后的信號整體進行寬帶自適應波束形成，其輸出SINR為59.7dB，比圖3(b)降低了3.1dB。圖4展示了圖3(b)中分子帶和圖3(c)中全頻譜不分子帶情況下，雜波協(xié)方差矩陣歸一化的特征值。結(jié)合圖3、圖4可以看出，上述子帶ADBF方案解決了頻域信號相消問題，并降低了雜波的自由度，其輸出信噪比最高。為了便于對比，圖5給出了用最小方差約束(LCMV)算法代替共軛梯度法(CG)求解空間自適應權(quán)值的寬帶自適應波束形成。圖5的仿真參數(shù)與圖3完全一致。圖5(b)將補償后的信號劃分為16個子帶，分別進行脈壓，再計算雜波協(xié)方差矩陣，其輸出SINR達到64.6dB，比直接在頻域處理的圖5(a)提高了12.9dB，比圖5(c)中不進行子帶劃分，直接計算雜波協(xié)方差矩陣的輸出SINR提高了和3dB。圖6為CG算法的迭代次數(shù)與輸出信噪比之間的關(guān)系，其仿真參數(shù)與圖5(b)相同，從圖中可以看出，在4次迭代后算法已經(jīng)收斂。如果以復乘次數(shù)代表算法的計算復雜度，那么在已經(jīng)得到數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣后，LCMV算法計算空間自適應權(quán)值所需的復乘次數(shù)為O(M3)+M2+2M，其中矩陣求逆所需計算量為O(M3)，M代表陣元數(shù)，CG算法每一次迭代計算量為M2+6M，取算法收斂時迭代次數(shù)4進行計算，兩種算法的計算量對比如圖7。綜上所述，本發(fā)明的級聯(lián)處理方案能有效解決了寬帶陣列ADBF孔徑渡越與信號相消問題，可以有效抑制空間中的寬帶干擾，提取目標信號，并且運算效率高，易于工程實施。當前第1頁1 2 3