一種抗陣列系統(tǒng)誤差的穩(wěn)健波束形成方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于自適應(yīng)陣列天線控制領(lǐng)域，尤其涉及一種抗陣列系統(tǒng)誤差的穩(wěn)健波束 形成方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 自適應(yīng)波束形成技術(shù)能夠在空間干擾方向自適應(yīng)地形成零陷，有效抑制空間干擾 和噪聲，提高輸出信干噪比（SINR)，被廣泛應(yīng)用于雷達(dá)，聲納，移動(dòng)通信，射電天文等領(lǐng)域。 常用的波束形成器如Capon波束形成器，是建立在陣列對(duì)期望信號(hào)導(dǎo)向矢量準(zhǔn)確已知的情 況下，在實(shí)際的應(yīng)用中，當(dāng)存在信號(hào)波前擾動(dòng)失真，局部相干散射，陣列流形誤差等造成陣 列對(duì)期望信號(hào)導(dǎo)向矢量估計(jì)失配時(shí)，自適應(yīng)波束形成器會(huì)將實(shí)際期望信號(hào)誤認(rèn)為干擾，在 期望信號(hào)實(shí)際方向形成零陷，導(dǎo)致出現(xiàn)信號(hào)"自消"的現(xiàn)象，陣列輸出性能急劇下降。
[0003] 針對(duì)陣列系統(tǒng)誤差引起期望信號(hào)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)了很多提高陣列波束形成器穩(wěn)健性的算法。對(duì)角加載（LSMI)是一 種常用的方法（B.D.Carlson,Covariancematrixestimationerrorsanddiagonal loadinginadaptivearrays,IEEETransactionsonAerospaceandElectronic systems,vol. 24,pp. 397-401，July1988)，在一定程度上提高了陣列對(duì)期望信號(hào)矢 量失配的穩(wěn)健性，其性能的改善程度依賴于加載量的選擇，但沒有一種可靠的方法 選擇對(duì)角加載量。Vorobyov等人提出了 一種最壞情況性能最優(yōu)穩(wěn)健波束形成算法 (S.A.Vorobyov,A.B.Gershman,andZ.-Q.Luo.Robustadaptivebeamformingusing worst-caseperformanceoptimization:Asolutiontothesignalmismatchproblem. IEEETransactionsonSignalProcessing,vol. 51,pp. 313-324,Feb. 2003.worst-case performanceoptimization，WCP0)，通過建立導(dǎo)向矢量的不確定集，保證在不確定集中 導(dǎo)向矢量最差情況下，性能最優(yōu)，這種方法在本質(zhì)上仍屬于對(duì)角加載一類的方法，是其 對(duì)角加載量可以隨約束參數(shù)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。 文獻(xiàn)(KhabbazibasmenjA. ,VorobyovS.A. ,andHassanienA.Robustadaptive beamformingbasedonsteeringvectorestimationwithaslittleaspossible priorinformation.IEEETransactionsonSignalProcessing, 2012,60(6):2974-2987， SDP-RAB)提出基于最小先驗(yàn)信息下導(dǎo)向矢量估計(jì)的穩(wěn)健波束形成算法，該算法只需知道期 望信號(hào)來波的大致區(qū)域，該算法在低快拍數(shù)下對(duì)波前擾動(dòng)失真，局部相干散射，陣列流形誤 差等具有較強(qiáng)的穩(wěn)健性，但由于其約束條件過于松弛，當(dāng)快拍數(shù)較高時(shí)，輸入信噪比（SNR) 較高時(shí)，性能反而有所下降。
[0004] 以上穩(wěn)健的波束形成方法都是基于采樣矩陣的求逆（SMI)的改進(jìn)。然而當(dāng)期 望信號(hào)存在于訓(xùn)練信號(hào)中時(shí)，即使陣列導(dǎo)向矢量沒有誤差，LSMI算法與WCP0算法在高信 噪比情況下性能都遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于理想情況，為了克服這個(gè)缺點(diǎn)，Y.Gu等提出了一種基于干擾 加噪聲協(xié)方差矩陣估計(jì)的穩(wěn)健波束形成方法（Gu，Y.J·，andLeshem，A.Robustadaptive beamformingbasedoninterferencecovariancematrixreconstructionand steeringvectorestimation.IEEETransactionsonSignalProcessing, 2012, 60, (7) ,pp. 3881 - 3885)，該方法利用干擾區(qū)域的Capon譜來重構(gòu)干擾加噪聲協(xié)方差矩陣，無需已 知干擾的數(shù)量，該方法對(duì)于期望信號(hào)D0A估計(jì)偏差，波前擾動(dòng)失真，局部相散射引起的導(dǎo)向 矢量失配具有極強(qiáng)的穩(wěn)健性，輸出SINR能夠接近理論最優(yōu)值，是目前最好的穩(wěn)健波束形成 方法，但缺點(diǎn)是在低輸入信噪比出現(xiàn)陣列流形誤差時(shí)，由于估計(jì)協(xié)方差矩陣也將存在誤差， 因而輸出SINR下降較快。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是提供一種能夠提高自適應(yīng)天線波束形成抗干擾性能的，抗陣列系 統(tǒng)誤差的穩(wěn)健波束形成方法。
[0006] -種抗陣列系統(tǒng)誤差的穩(wěn)健波束形成方法，包括以下步驟，
[0007] 步驟一：構(gòu)建陣列天線接收數(shù)據(jù)的采樣協(xié)方差矩陣：
[0008]
[0009] 步驟二：對(duì)協(xié)方差矩陣R進(jìn)行特征分解：
[0010]
[0011] 其中，μ為對(duì)協(xié)方差矩陣食進(jìn)行特征分解所得到的第i個(gè)特征值，兔為μ派對(duì) 應(yīng)的特征向量；步驟三：將估計(jì)的期望信號(hào)導(dǎo)向矢量民向每個(gè)特征向量@投影，得到：
[0012] / =1,2，.…N ,
[0013] 將p(i)從大到小依次排列，設(shè)p(i)的最大值max(p(i))所對(duì)應(yīng)的特征向量為 t, #對(duì)應(yīng)的特征值為.#，將?去除，剩余的特征向量為氏為，…，其分別對(duì)應(yīng)的特征值 為TM，/?，…?ν-1 ]
[0014] 得到不包含期望信號(hào)分量的協(xié)方差矩陣
[0015] 步驟四：利用干擾區(qū)域的Capon空間譜重構(gòu)干擾加噪聲協(xié)方差矩陣：
[0016]
' _ '' ' 9
[0017] 其中，a(Θ)表示Θ方向的導(dǎo)向矢量；
[0018] 步驟五：得到干擾加噪聲協(xié)方差矩陣的估計(jì)值：
[0019]
[0020] 其中α和β為加權(quán)因子，》= 々/(>+/^+々2+…+ 丨），A二（為+々2+…+ ;
[0021] 步驟六：構(gòu)建二次約束二次優(yōu)化問題對(duì)估計(jì)的期望信號(hào)導(dǎo)向矢量進(jìn)行校正：
[0022]
[0023] 得到校正后的期望信號(hào)導(dǎo)向矢量估計(jì)％:
[0024] a0=a0 +e1 ；
[0025] 步驟七：得到自適應(yīng)加權(quán)向量：
，利用w進(jìn)行波束形成，得到天線陣 列輸出數(shù)據(jù)。
[0026] 有益效果：
[0027] 本發(fā)明針對(duì)Y.Gu所提出方法的問題，提出一種基于協(xié)方差矩陣混合重構(gòu)和導(dǎo)向 矢量估計(jì)相結(jié)合的穩(wěn)健波束形成方法，該方法的干擾加噪聲協(xié)方差矩陣來源于兩部分的加 權(quán)組合。該方法不但對(duì)期望信號(hào)D0A估計(jì)偏差，波前擾動(dòng)失真，局部相散射引起的導(dǎo)向矢量 失配具有極強(qiáng)的穩(wěn)健性，輸出SINR比Y.Gu所提方法能夠更加接近理論最優(yōu)值，且對(duì)陣列流 形誤差也具有極強(qiáng)的穩(wěn)健性。
[0028] 針對(duì)實(shí)際陣列天線應(yīng)用中，由于期望信號(hào)導(dǎo)向矢量估計(jì)誤差導(dǎo)致輸出信干噪比 (SINR)急劇下降的問題，本發(fā)明方法通過將期望信號(hào)分量從協(xié)方差矩陣中移出，利用估計(jì) 的干擾加噪聲協(xié)方差矩陣替代原來的采樣協(xié)方差矩陣。因而，降低了波束形成器對(duì)期望信 號(hào)導(dǎo)向矢量失配的敏感性，有效的提高了波束形成器抗導(dǎo)向矢量失配的穩(wěn)健性。仿真結(jié)果 表明，本發(fā)明方法在期望信號(hào)導(dǎo)D0A估計(jì)失配，波前擾動(dòng)失真，局部相干散射等系統(tǒng)誤差情 況下，輸出SINR能夠接近理論最優(yōu)值，且優(yōu)與目前已提出的大多數(shù)方法。
【附圖說明】
[0029] 圖1是本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)步驟示意圖；
[0030] 圖2為導(dǎo)向矢量D0A估計(jì)失配時(shí)陣列輸出信干噪比圖；
[0031] 圖3為波前擾動(dòng)失真時(shí)陣列輸出信干噪比圖；
[0032] 圖4為局部相干散射時(shí)陣列輸出信干噪比圖；
[0033] 圖5為出現(xiàn)陣列流形誤差時(shí)，陣列輸出信干噪比圖。
【具體實(shí)施方式】
[0034] 下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0035] 本發(fā)明的目的在于提供一種能夠提高自適應(yīng)天線波束形成抗干擾性能的穩(wěn)健波 束形成方法。
[0036] 本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的：
[0037] 本發(fā)明包括如下步驟：
[0038] (1)構(gòu)建陣列天線接收數(shù)據(jù)的采樣協(xié)方差矩陣
[0039] (2)對(duì)食進(jìn)行特征分解
"
[0040] (3)將估計(jì)的期望信號(hào)導(dǎo)向矢量向每個(gè)特征向量％投影，得到 Ρ(〇=|^|2, / =U2，…，況；將p(i)從大至IJ小依次排列，設(shè)p⑴的最大值max(p(i))所對(duì) 應(yīng)的特征向量為?，f對(duì)應(yīng)的特征值為象，i可視為是期望信號(hào)的特征向量，將t去除， 設(shè)剩余的特征向量為，…Λ、Μ]，其分別對(duì)應(yīng)的特征值為[a,/&···，/%_山進(jìn)而可以得到
[0041] (4)利用干擾區(qū)域的Capon空間譜重構(gòu)干擾加噪聲協(xié)方差矩陣
[0042] (5)將_+b與食_加權(quán)組合，可以得到本發(fā)明波束形成方法中干擾加噪聲協(xié)方差 矩陣R1+n的估計(jì)值為：馬+,,=?艮+" + /?民+";其中α和β為加權(quán)因子，其表達(dá)式分別為：
[0043] 十十…+，)' -))， /?=(/，; + /? 十…+-iV'.、.：
[0044] (6)構(gòu)建如下二次約束二次優(yōu)化問題對(duì)估計(jì)的期望信號(hào)導(dǎo)向矢量進(jìn)行校正：
[0045]
[0046] 則校正后的期望信號(hào)導(dǎo)向矢量估計(jì)4可以表示為4〇=€?+&:;
[0047] (7)本發(fā)明波束形成方法的自適應(yīng)加權(quán)向量可以表示為W:
_進(jìn)行 波束形成，得到天線陣列輸出數(shù)據(jù)。
[0048] 其中：泛.表示陣列接收數(shù)據(jù)的采樣協(xié)方差矩陣；
[0049] 1^:表示R逆矩陣；
[0050] 表示期望信號(hào)區(qū)域外的空間所有區(qū)域；
[0051] Κ:表示采樣快拍數(shù)；
[0052]μ1:表示對(duì)R進(jìn)行特征分解所得到的第i個(gè)特征值；
[0053] % :表示μ;所對(duì)應(yīng)的特征向量；
[0054] a(Θ):表示Θ方向的導(dǎo)向矢量；
[0055] 4 :表示估計(jì)的期望信號(hào)的導(dǎo)向矢量；
[0056] ^ :表示運(yùn)與真實(shí)期望信號(hào)的導(dǎo)向矢量的誤差值；
[0057]w:表示陣列的自適應(yīng)加權(quán)矢量。
[0058] 在#的定義中，Θ二[(-90',6(,-8Kj(G+8"90').hΘ。表示期望信號(hào)估計(jì)的來波方 向。
[0059] 對(duì)期望信號(hào)D0A估計(jì)失配，波前擾動(dòng)失真，局部相干散射，陣列流形誤差引起的系 統(tǒng)誤差，均有較好的穩(wěn)健性。
[0060] 方法不但適用于單波束天線波束形成，也適用于多波束天線波束形成。
[0061] 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(duì)常規(guī)自適應(yīng)天 線陣列波束形成方法在出現(xiàn)陣列系統(tǒng)誤差，如期望信號(hào)來波方向（D0A)估計(jì)失配，波前擾 動(dòng)失真，局部相干散射，陣列流形誤差時(shí)，性能急劇下降的問題，發(fā)明一種抗陣列系統(tǒng)誤差 的穩(wěn)健波束形成