一種基于廣義對角加載技術(shù)的自適應(yīng)波束形成方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于陣列信號處理領(lǐng)域，具體涉及一種基于廣義對角加載技術(shù)的自適應(yīng)波 束形成方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 水聲環(huán)境具有低信噪比的特點，在水聲信號處理中，一般需要通過陣列信號處理 來提高處理增益，而空間譜估計技術(shù)是水聲陣列信號處理的常用方法?？臻g譜估計方法包 括子空間分解技術(shù)和波束形成技術(shù)。基于子空間分解技術(shù)的算法缺點是當信號源數(shù)估計 不正確時，其性能可能會嚴重下降。波束形成技術(shù)包括常規(guī)波束形成方法（conventional beamforming，CBF)和自適應(yīng)波束形成方法（samplematrixinversion,SMI)等，這些技術(shù) 均是水聲陣列信號處理中最常用的技術(shù)手段。由于CBF波束形成方法受到瑞利限的限制， 分辨率不高，而自適應(yīng)波束形成方法則能得到更高的分辨效果，其應(yīng)用更為廣泛。
[0003] 為了提高波束形成方法的性能，很多學者研究了基于CBF和自適應(yīng)波束形成 方法的各種改進技術(shù)，其中有學者將協(xié)方差矩陣對角線置0,改善了CBF的性能（參見： BeamforminginAcousticTesting.Berlin:2002:83_86·)，提高了陣增益，但是不能照搬 到自適應(yīng)波束形成方法中來，因為自適應(yīng)波束形成方法需要對協(xié)方差矩陣求逆運算。國內(nèi) 有學者提出了一種基于對角減載的自適應(yīng)波束形成方法（參見：基于對角減載的水聲陣列 SMI-MVDR空間譜估計技術(shù).系統(tǒng)工程與電子技術(shù)，2014 ;36 (12) :2381-2387.)，卻沒有考慮 穩(wěn)健性，過度的減載將導致穩(wěn)健性嚴重下降，使波束形成方法的性能嚴重變差；很多學者做 了提高自適應(yīng)波束形成方法穩(wěn)健性的研究，其中對角加載類方法被廣泛的應(yīng)用，這些方法 一定程度上犧牲了陣增益。
[0004] 綜上所述，自適應(yīng)波束形成方法的陣增益與穩(wěn)健性是矛盾的，如何在兩者之間權(quán) 衡，必須全面考慮各種因素的影響，找到最合適的平衡點。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 要解決的技術(shù)問題
[0006] 為了避免現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，本發(fā)明提出一種基于廣義對角加載技術(shù)的自適應(yīng) 波束形成方法，克服現(xiàn)有方法只考慮穩(wěn)健性或者陣增益，而不能兼顧兩者，使得某一性能達 到最佳的同時嚴重影響了另一個性能的問題。
[0007] 技術(shù)方案
[0008] -種基于廣義對角加載技術(shù)的自適應(yīng)波束形成方法，其特征在于：以Μ個水聽器 組成的接收陣列，自適應(yīng)波束形成步驟如下：
[0009] 步驟1:對Μ個水聽器組成的接收陣列接收來自空間的信號和噪聲數(shù)據(jù)進行Ν次 采樣，將Ν次采樣數(shù)據(jù)做平均得到采樣協(xié)方差矩陣犮=，其中&為快拍，Η為復 共輒轉(zhuǎn)置；所述信號與噪聲數(shù)據(jù)不相關(guān)；
[0010] 步驟2 :采用加權(quán)向量范數(shù)約束方法和牛頓迭代法數(shù)值求解得到廣義對角加載量 λ;
[0011] 步驟3:利用協(xié)方差矩陣
?采用自適應(yīng)波束形成方法求取加權(quán)向量 范數(shù)IIwl|2,若|Iw| |2<ζ。，在采樣協(xié)方差矩陣的對角線上減去一個廣義對角加載量的絕 對值，得到廣義對角加載后的采樣協(xié)方差矩陣
其中I為單位矩陣；
[0012] 若| |w| |2>ζ。，在采樣協(xié)方差矩陣的對角線上加上一個廣義對角加載量，得到廣 義對角加載后的采樣協(xié)方差矩陣
[0013] 所述門限值ζ。的設(shè)定為使得陣增益達到最大為準則；
[0014] 步驟4:利用得到的廣義對角加載后的采樣協(xié)方差矩陣，計算得到自適應(yīng)波束形
成方法的加權(quán)向量 -，進而得到波束輸出；其中5；為陣列流形向量。 _y-
[0015] 所述步驟2采用加權(quán)向量范數(shù)約束方法和牛頓迭代法數(shù)值求解得到廣義對角加 載量λ的步驟如下：
[0016] 步驟（1):構(gòu)造范數(shù)約束的自適應(yīng)波束形成方法，
[0017]
[0018] 其中w是自適應(yīng)波束形成方法的加權(quán)向量，5"是陣列流型向量；
[0019] 步驟（2):利用Lagrange乘數(shù)法求解步驟1中的優(yōu)化問題，建立函數(shù)，
[0020]
[0021] 式中λ和u是實值Lagrange乘子，當wHw彡ζ。時，λ彡〇,反之，λ< 〇 ;
[0022] 步驟⑶：將步驟⑵中的函數(shù)對wH求導，且令導數(shù)為0,最終得到加權(quán)向量為，
[0023]
[0024] 步驟⑷：定義單調(diào)遞減函數(shù)f(λ')，
[0025]
[0026] 其中，γ^,Π! = 1，2,…，Μ為采樣協(xié)方差矩陣的特征值，U是由采樣協(xié)方差矩陣的特 征向量組成的矩陣U= [u!u2…Kg%…：zw]T:
[0027] 步驟（5):步驟3中的加權(quán)向量需要滿足||W|| 2=ζ。，得到fU) =〇;采用牛頓 迭代法進行數(shù)值計算求解f(λ)= 0的解
[0028]
[0029] 步驟（6):引入松弛參數(shù)qk，0<qk< 1，
[0030]
[0031] 每步取(/,,=丨，；，：^~，一，直到滿足||；^(人1<+1)||<||；^(人 1<)||為止，即獲得廣義對 LL 角加載量入。
[0032] 有益效果
[0033] 本發(fā)明提出的一種基于廣義對角加載技術(shù)的自適應(yīng)波束形成方法，給出了陣增益 和穩(wěn)健性的最佳折中。在穩(wěn)健性較好的情況下，通過減去對角線上的不相關(guān)噪聲，犧牲部 分穩(wěn)健性，可以獲得更高的陣增益，此時廣義對角加載量為一個小于〇的數(shù)，稱之為對角減 載自適應(yīng)波束形成方法（diagonalreducingSMI，DR-SMI);當穩(wěn)健性較差的情況下，需要 進行常規(guī)的對角加載，提高穩(wěn)健性，從而提高SMI方法性能使得陣增益達到最大，此時廣義 對角加載量為一個大于〇的數(shù)，稱之為對角加載自適應(yīng)波束形成方法（diagonalloading SMI,DL-SMI)。
[0034] 本發(fā)明的有益效果是：當自適應(yīng)波束形成技術(shù)的穩(wěn)健性較好的時候，能夠通過廣 義對角加載技術(shù)，提高陣增益，從而提高多目標分辨能力；當穩(wěn)健性較差的時候，能夠通過 廣義對角加載技術(shù)，提高穩(wěn)健性，從而提高SMI方法性能使得陣增益達到最大。本發(fā)明為自 適應(yīng)波束形成技術(shù)的廣泛應(yīng)用，奠定了基礎(chǔ)，是自適應(yīng)波束形成方法的最佳折中。
【附圖說明】
[0035] 圖1:基于廣義對角加載技術(shù)的自適應(yīng)波束形成方法的實現(xiàn)框圖
[0036] 圖2:對角減載，（a)穩(wěn)健性隨RNR的變化，（b)陣增益隨RNR的變化
[0037] 圖3:對角加載，（a)穩(wěn)健性隨RNR的變化，（b)陣增益隨RNR的變化
[0038] 圖4:方位譜，（a)快拍數(shù)為4096時的方位譜，（b)快拍數(shù)為16384時的方位譜
[0039] 圖5:穩(wěn)健性較好時的時間方位歷程圖，（a)自適應(yīng)波束形成，（b)廣義對角減載自 適應(yīng)波束形成
[0040] 圖6:穩(wěn)健性較差時的時間方位歷程圖，（a)自適應(yīng)波束形成，（b)廣義對角減載自 適應(yīng)波束形成
【具體實施方式】
[0041] 現(xiàn)結(jié)合實施例、附圖對本發(fā)明作進一步描述：
[0042] 本發(fā)明綜合考慮自適應(yīng)波束形成技術(shù)的陣增益和穩(wěn)健性，當穩(wěn)健性較好的時候， 可以犧牲部分盈余的穩(wěn)健性，從而獲得更高的陣增益，當穩(wěn)健性較差時，需要通過對角加載 提尚穩(wěn)健性，從而提尚SMI方法性能使得陣增益達到最大。
[0043] 圖1是整體流程圖，首先根據(jù)采樣協(xié)方差矩陣和陣列流形，利用SMI方法計算得 到加權(quán)向量范數(shù)IIwl|2,以使得陣增益達到最大為準則選取門限值ζ。，且與|Iw|r進行比 較，當I|w| |2<ζ。，使用對角減載方法提高陣增益，當I|w| |2>ζ。，使用對角加載方法提 高穩(wěn)健性從而提高SMI方法性能使得陣增益達到最大。廣義對角加載量的求取利用加權(quán)向 量范數(shù)約束法以及牛頓迭代法數(shù)值求解得到。最后獲得SMI的波束輸出。
[0044] 仿真條件：空間均勻噪聲場中，考慮一個15元均勻線列陣，陣元間距為0. 75m，有 兩個目標，方位角分別為-30°和-40°。陣列接收的窄帶脈沖信號中心頻率為1000Hz，帶 寬為50Hz，采樣頻率為8000Hz。噪聲通過[800, 1200]Hz的帶通濾波器，定義信噪比為信號 與濾波后的噪聲功率之比，陣元位置誤差服從方差為〇. 5cm2的零均值高斯分布，歸一化加 權(quán)值幅度誤差服從方差為〇. 005的零均值高斯分布，加權(quán)值相移誤差服從方差為0. 5rad2 的零均值高斯分布。
[0045] 下面詳細介紹本發(fā)明的具體操作步驟：
[0046] 步驟1 :15個水聽器組成的均勻線列陣接收來自空間的信號和噪聲數(shù)據(jù)，且信號 與噪聲不相關(guān)，通過有限次采樣條件下做時間上的平均得到采樣協(xié)方差矩陣R;
[0047]