一種抗期望信號導(dǎo)向矢量失配的零陷展寬自適應(yīng)天線波束成形方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及的是一種抗期望信號導(dǎo)向矢量失配的零陷展寬自適應(yīng)天線波束成形 方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 自適應(yīng)天線波束成形技術(shù)能夠?qū)﹃嚵刑炀€接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行加權(quán)，自適應(yīng)的在期望 信號方向上形成恒定的增益，在干擾方位上形成零陷，被廣泛應(yīng)用于雷達(dá)，聲納，移動通信， 射電天文等領(lǐng)域。常用的波束成形器如最小方差無失真響應(yīng)（MVDR，又名Capon)波束成形 器，是建立在陣列對期望信號導(dǎo)向矢量準(zhǔn)確已知的情況下，在實(shí)際的環(huán)境中，當(dāng)期望信號導(dǎo) 向矢量出現(xiàn)失配時(shí)，自適應(yīng)波束成形器可能會將期望信號誤認(rèn)為干擾，在期望信號實(shí)際方 向形成零陷，導(dǎo)致出現(xiàn)信號"自消"的現(xiàn)象，陣列輸出性能急劇下降。同時(shí)當(dāng)干擾快速運(yùn)動 或者載體平臺的振動，以及自適應(yīng)權(quán)值更新速度相對較慢等，出現(xiàn)加權(quán)向量訓(xùn)練數(shù)據(jù)與應(yīng) 用數(shù)據(jù)失配時(shí)，干擾有可能移出零陷位置，從而得不到有效地抑制，這也會造成自適應(yīng)波束 成形器的性能明顯下降。
[0003] 針對期望信號導(dǎo)向矢量失配導(dǎo)致陣列輸出性能急劇下降的問題，近年來出現(xiàn)了 一些穩(wěn)健的波束成形算法。對角加載（LSMI)是一種常用的方法，在一定程度上提高了波 束成形器的穩(wěn)健性，但沒有一種可靠的方法選擇對角加載量。Li Jian等人提出了一種 的穩(wěn)健的波束成形算法（RCB)(參考文獻(xiàn)：0n robust capon beamforming and diagonal loading[J]. IEEE Transactions on Signal Processing, 2003,57(7):1702 - 1715)，通 過建立導(dǎo)向矢量的不確定集，在不確定集中迭代尋找最優(yōu)導(dǎo)向矢量，這種方法在本質(zhì)上仍 屬于對角加載一類的方法，其對角加載量可以隨期望信號功率進(jìn)行調(diào)整，因而其穩(wěn)健性 較LSMI方法得到很大的提高，但這種方法受到不確定集參數(shù)設(shè)定的影響，而不確定集約 束參數(shù)在實(shí)際中又很難準(zhǔn)確得到。Hassanien A提出基于導(dǎo)向矢量估計(jì)的穩(wěn)健波束成形 算法（參考文南犬：R〇bust adaptive beamforming using sequential programming:An iterative solution to the mismatch problem[J]. IEEE Signal Processing. Letters, 2008, 15:733 - 736.)，將導(dǎo)向矢量誤差正交分解成兩部分，通過迭代，通過最大化 輸出SINR從而不斷調(diào)整誤差矢量，以逼近真實(shí)導(dǎo)向矢量，該算法對系統(tǒng)誤差引起的導(dǎo)向矢 量失配有較強(qiáng)的穩(wěn)健性，但無法抑制快速運(yùn)動的干擾。
[0004] 針對干擾快速運(yùn)動而移出零陷位置的問題，零陷展寬技術(shù)能夠在干擾方位 處形成較寬的零陷，從而有效抑制快速運(yùn)動的干擾信號。Mail Ioux提出了利用一 個(gè)矩陣對協(xié)方差矩陣進(jìn)行銳化來展寬零陷的方法（參考文獻(xiàn)：Covariance matrix augmentation to produce adaptive array pattern roughs[J]·Electronics Letters, 1995,31 (10) :771-772),該方法使得零陷深度變淺，陣列增益下降。Alon Amar 提出了基于線性約束的零陷展寬方法（參考文獻(xiàn):A linearly constrained minimum variance beamformer with a pre-specified suppression level over a pre-defined broad null sector[J], Signal Processing, 2015, 109(1) :165-171)，但該方法需要消耗較 多的陣列自由度，且該方法與Mailloux零陷展寬方法都缺乏對期望信號導(dǎo)向矢量失配的 穩(wěn)健性。
[0005] 天線陣列在實(shí)際應(yīng)用環(huán)境下，既有可能出現(xiàn)快速運(yùn)動的干擾，又有可能出現(xiàn)陣列 對期望信號導(dǎo)向矢量失配的問題，現(xiàn)有的陣列天線形成方法在這兩種情況同時(shí)出現(xiàn)時(shí)，性 能急劇下降。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的在于提供一種既能抗期望信號導(dǎo)向矢量失配、又能展寬零陷的來提 高自適應(yīng)陣列天線性能的抗期望信號導(dǎo)向矢量失配的零陷展寬自適應(yīng)天線波束成形方法。
[0007] 本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的：
[0008] 本發(fā)明包括：
[0009] (1)對到達(dá)陣列天線的p個(gè)干擾信號方位進(jìn)行預(yù)估計(jì)；
[0010] (2)確定零陷展寬區(qū)域Θ并構(gòu)建該區(qū)域內(nèi)的導(dǎo)向矢量相關(guān)矩陣Ce，對將導(dǎo)向矢 量的相關(guān)矩陣Ce進(jìn)行特征分解
，在N個(gè)特征值中，提 取出其中M個(gè)比較大的特征值，用大特征值對應(yīng)的特性矢量為基矢量得到投影變換矩陣 T,
[0011] (3)利用T對陣列接收數(shù)據(jù)X(n)進(jìn)行投影操作，則經(jīng)投過影變換后的陣列接收數(shù) 據(jù)可以表示為：支投影變換后的陣列天線接收的信號協(xié)方差數(shù)據(jù)矩陣為： //.=J
[0012] (4)經(jīng)投影變換處理后的協(xié)方差矩陣I進(jìn)行對角加載處理為：
[0013] 其中：
[0014] Θ :表示波束零陷展寬區(qū)域；
[0015] Ce:表示零陷展寬區(qū)域內(nèi)陣列天線的導(dǎo)向矢量相關(guān)矩陣；
[0016] N :表示陣列天線陣元數(shù)目；
[0017] X (η):表示陣列天線原始接收數(shù)據(jù)；
[0018] :表示投影處理后陣列天線接收數(shù)據(jù)；
[0019] 及；表示陣列天線原始接收數(shù)據(jù)的協(xié)方差矩陣；
[0020] 表示投影處理后的協(xié)方差矩陣；
[0021] I :表示單位矩陣；
[0022] λ :表示對角加載因子；
[0023] % :表示對Ce進(jìn)行特征分解所得到的第k個(gè)特征值所對應(yīng)的特征向量；
[0024] :表示％的共輒轉(zhuǎn)置矩陣；
[0025] T :表示％與瘦'相乘所得到的矩陣，即投影矩陣；
[0026] I:表示經(jīng)過對角加載處理后的協(xié)方差矩陣；
[0027] (5)根據(jù)期望信號的來波大致方位，對該區(qū)域施加幅度響應(yīng)約束：
[0028] tr{Ri( Θ )ff} > L2( θ ), θ e Θη
[0029] tr{Ri( θ )ff} < U2( θ ), θ e Θη
[0030] 其中= U)=l〇WM, rdB表示幅度約束的波紋值，W表示最優(yōu)加權(quán) 矢量的自相關(guān)矩陣，tr{ ·}表示矩陣求跡，?m表示期望信號來波的大致區(qū)域，Rj Θ )是0m 區(qū)域內(nèi)導(dǎo)向矢量的自相關(guān)矩陣；
[0031] (6)求解凸優(yōu)化：
[0032]
[0033] 所述步驟4中，對角加載值λ取值范圍滿足〇. 0001 $ λ < 〇. 〇〇1〇。
[0034] 所述步驟（5)中；rdB= 0· 3。
[0035] 本發(fā)明的有益效果在于：
[0036] 1)針對自適應(yīng)陣列天線在出現(xiàn)快速運(yùn)動的干擾，輸出性能下降的問題。本發(fā)明方 法中構(gòu)建的投影變換矩陣T包含了干擾可能出現(xiàn)入射的方位信息，能夠擴(kuò)張干擾入射的方 向，起到零陷加寬作用，同時(shí)，經(jīng)過投影變換后的協(xié)方差矩陣I中信號子空間得到增強(qiáng)，改 善了信號子空間與噪聲子空間的正交性，加深了零陷深度，達(dá)到抑制快速運(yùn)動強(qiáng)干擾的目 的。
[0037] 2)針對自適應(yīng)陣列天線在期望導(dǎo)向矢量失配時(shí)，輸出性能急劇下降的問題。本發(fā) 明通過對波束主瓣進(jìn)行幅度響應(yīng)約束，在約束區(qū)域形成穩(wěn)定的響應(yīng)幅度，降低對期望信號 導(dǎo)向矢量失配的敏感性，達(dá)到抗導(dǎo)向矢量失配的目的，提高陣列天線的穩(wěn)健性。
[0038] 3)本發(fā)明由于展寬了零陷寬度，加深了零陷深度，引入幅度響應(yīng)約束，可以使自適 應(yīng)陣列天線在同時(shí)存在快速運(yùn)動干擾和導(dǎo)向矢量失配時(shí)，也有較高的輸出信干噪比，提高 了自適應(yīng)波束成形器在復(fù)雜環(huán)境下的穩(wěn)定性。
【附圖說明】
[0039] 圖1是本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)步驟示意圖；
[0040] 圖2為出現(xiàn)期望信號導(dǎo)向矢量失配時(shí)零陷展寬后的自適應(yīng)波束圖；
[0041] 圖3為干擾運(yùn)動速度為0.0Γ /快拍，期望信號估計(jì)出現(xiàn)3°偏差時(shí)陣列輸出信 干噪比圖；
[0042] 圖4為干擾運(yùn)動速度為0.04° /快拍，期望信號估計(jì)出現(xiàn)3°偏差時(shí)陣列輸出信 干噪比圖。
【具體實(shí)施方式】
[0043] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步描述。
[0044] 本發(fā)明涉及的是一種自適應(yīng)陣列天線的控制方法，具體地說是針對自適應(yīng)天線波 束成形器在干擾出現(xiàn)擾動或期望信號導(dǎo)向矢量失配時(shí)，性能急劇下降的問題，提出一種具 有抗期望信號導(dǎo)向矢量失配的零陷展寬自適應(yīng)天線波束成形方法，該方法能夠有效提高自 適應(yīng)天線的抗干擾性能。
[0045] 本發(fā)明包括如下步驟：首先通過投影變換技術(shù)和對角加載技術(shù)對陣列接收數(shù)據(jù)進(jìn) 行投影預(yù)處理，構(gòu)造一個(gè)新的協(xié)方差矩陣，以擴(kuò)展干擾入射角度，展寬零陷，再根據(jù)期望信 號入射的大致方位，對波束主瓣進(jìn)行幅度響應(yīng)約束，在約束區(qū)域形成穩(wěn)定的響應(yīng)幅度，達(dá)到 抗導(dǎo)向矢量失配的目的；該方法可以轉(zhuǎn)化為松弛半正定規(guī)劃問題進(jìn)行求解。本發(fā)明可以有 效展寬波束零陷寬度，加深零陷深度，達(dá)到抑制快速運(yùn)動強(qiáng)干擾的目的，同時(shí)具有良好的抗 期望信號導(dǎo)向矢量失配的能力，在同時(shí)存在快速運(yùn)動干擾和導(dǎo)向矢量失配時(shí)，也有較高的 輸出信干噪比，提高了自適應(yīng)天線波束形成器在復(fù)雜環(huán)境下的穩(wěn)定性。
[0046] 本發(fā)明包括如下步驟：
[0047] (1)對到達(dá)陣列天線的干擾的大致方位進(jìn)行預(yù)估計(jì)；
[0048] (2)在干擾信號可能出現(xiàn)的方位內(nèi)，構(gòu)建導(dǎo)向矢量相關(guān)矩陣Ce，將導(dǎo)向矢量的相 關(guān)矩陣C e進(jìn)行特征分解，用大特征值對應(yīng)的特性矢量為基矢量得到投影變換矩陣（投影算 子）T;
[0049] (3)投影變換矩陣T對原始的協(xié)方差矩陣進(jìn)行重構(gòu)，得到I ;對I進(jìn)行對角加載處 理，1 = .1+1/，:得到f;其中I是投影變換后的陣列接收的協(xié)方差矩陣，#表示經(jīng)過對角加 載處理后的協(xié)方差矩陣；
[0050] (4)根據(jù)期望信號的大致方位，選定幅度約束區(qū)域：
[0051]
[0052] 其中ZX奶= 1CTW2°，rdB表示幅度約束的波紋值，W表示最優(yōu)加權(quán)矢量 w自相關(guān)矩陣，札（Θ )是Θη區(qū)域內(nèi)導(dǎo)向矢量的自相關(guān)矩陣。
[0053] (5)利用內(nèi)點(diǎn)法求解凸優(yōu)化問題式（1)，得到W，對W進(jìn)行譜因子分解，得到最優(yōu)加 權(quán)矢量w。
[0054] (6)依據(jù)最小方差無畸變響應(yīng)準(zhǔn)則進(jìn)行波束賦形，得到陣列天線的輸出數(shù)據(jù)。
[0055] 參照圖1，本發(fā)明的實(shí)施例1如下：
[0056] 實(shí)施例1
[0057] 步驟1 :設(shè)定Θ為干擾