本發(fā)明專利技術(shù)公開了一種協(xié)方差矩陣對角加載的穩(wěn)健自適應(yīng)波束形成方法，主要解決現(xiàn)有技術(shù)中自適應(yīng)對角加載方法中的加載系數(shù)確定問題。其實(shí)現(xiàn)方案為：1）計(jì)算雷達(dá)天線陣列接收信號的協(xié)方差矩陣；2）由雷達(dá)天線陣列目標(biāo)信號的導(dǎo)向矢量求自適應(yīng)權(quán)向量的線性組合表達(dá)式；3）將協(xié)方差矩陣和權(quán)向量表達(dá)式得到雷達(dá)天線陣列輸出功率的恒等變化表達(dá)式，并定義剩余矢量；4）構(gòu)造剩余矢量的協(xié)方差矩陣；5）將剩余矢量協(xié)方差矩陣的逆矩陣作為加權(quán)最小二乘理論中的加權(quán)矩陣，求解雷達(dá)陣列天線接收信號協(xié)方差矩陣的加載系數(shù)；6）計(jì)算自適應(yīng)權(quán)矢量進(jìn)行波束形成。本發(fā)明專利技術(shù)通過注入噪聲矩陣來減少協(xié)方差矩陣特征值的散布程度，提高了波束形成的性能。
【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)屬于陣列信號處理
，是陣列處理的一個重要方面。通過對陣列輸出信號的樣本協(xié)方差矩陣進(jìn)行對角加載計(jì)算，更精確的估計(jì)出陣列輸出信號的協(xié)方差矩陣，這種加載技術(shù)可用于波束形成，空間譜估計(jì)等領(lǐng)域。
技術(shù)介紹
波束形成亦稱為空域?yàn)V波，是陣列信號處理的一個主要方面，應(yīng)用于航空、航天、雷達(dá)和通信系統(tǒng)中，逐步成為陣列信號處理的標(biāo)志之一，其實(shí)質(zhì)是通過對各個陣元加權(quán)進(jìn)行空域?yàn)V波，來達(dá)到增強(qiáng)期望信號、抑制干擾信號的目的；并且可以根據(jù)信號環(huán)境的變化自適應(yīng)的改變各陣元的加權(quán)因子。自從提出“自適應(yīng)天線”這個術(shù)語以來，自適應(yīng)天線至今已經(jīng)經(jīng)歷了 50多年的發(fā)展，自適應(yīng)研究的重點(diǎn)一直是自適應(yīng)波束形成算法，而且經(jīng)過前人的努力，許多好的算法已經(jīng)被總結(jié)出來。自適應(yīng)波束形成通過調(diào)節(jié)各陣元的加權(quán)幅度、加權(quán)相位，來改變陣列的方向圖，使陣列天線的主瓣對準(zhǔn)期望信號；同時，陣列天線的零點(diǎn)和副瓣對準(zhǔn)干擾信號和其他信號，從而提高接收信噪比。其中對角加載的波束形成方法是應(yīng)用最廣的自適應(yīng)算法，對角加載技術(shù)能減弱小特征值對應(yīng)的噪聲波束的影響，改善方向圖畸變，有文獻(xiàn)分析了加載量對自適應(yīng)陣列干擾噪聲比的影響。但是加載量的確定一直以來是一個比較困難的問題。對角加載算法來源由于快拍數(shù)有限，會引起波束畸變，最直接的解決方法是提高快拍數(shù)，但提高快拍數(shù)會增加運(yùn)算量。另外，以雷達(dá)通信為例，在雷達(dá)做干擾相消自適應(yīng)波束形成時，一般利用雷達(dá)工作的休止期采集數(shù)據(jù)，由于波束駐留時間很短，所以可以利用的快拍數(shù)還是有限的。同時，采樣矩陣求逆波束形成算法(SMI)在高信干噪比(SNR)情況下波束形成性能下降。針對前面分析的結(jié)果，最有效的方法就是抑制小特征值及對應(yīng)特征矢量的擾動。對角線加載技術(shù)就是在對樣本協(xié)方差矩陣炎求逆之前，給其對角線上的值進(jìn)行加載，起到壓縮干擾信號提高收斂速度的目的。目前關(guān)于對角加載自適應(yīng)波束形成的算法主要有常規(guī)對角加載自適應(yīng)波束形成算法，HKB自適應(yīng)波束形成算法，廣義線性組合(GLC)穩(wěn)健波束形成算法，RBLW算法等。這些是在穩(wěn)健自適應(yīng)波束形成的基礎(chǔ)上，根據(jù)接收數(shù)據(jù)自適應(yīng)計(jì)算對角加載量，進(jìn)而求得最優(yōu)權(quán)矢量實(shí)現(xiàn)波束形成。對角加載算法模型，也就是最小方差無失真響應(yīng)(MVDR)波束形成算法，這種算法給權(quán)向量一定的約束，當(dāng)滿足陣列輸出功率最小時求解最優(yōu)權(quán)向量，然后進(jìn)行波束形成，實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)期望信號，抑制干擾信號的目的。這種算法要求精確已知信號協(xié)方差矩陣和陣列流型，但實(shí)際的協(xié)方差矩陣是很難精確得到的，因此不能很好的抑制干擾和噪聲。以下三種算法是在這種算法的基礎(chǔ)上，對陣列信號得到的樣本協(xié)方差矩陣進(jìn)行對角加載估計(jì)，使其接近真實(shí)值，進(jìn)而改善波束形成性倉泛。一、傳統(tǒng)對角加載自適應(yīng)波束算法。這種方法對協(xié)方差矩陣進(jìn)行加載補(bǔ)償，加載量由估計(jì)出的噪聲功率決定，加載系數(shù)的選擇并沒有固定的約束，通常由經(jīng)驗(yàn)而定。這種對角加載可以改善方向圖畸變。加載量越大，方向圖改善越好。但加載量太大，會降低干擾抑制性能。這種經(jīng)驗(yàn)加載不能隨著樣本信號自適應(yīng)的改變，在實(shí)際應(yīng)用和實(shí)驗(yàn)仿真中都存在很大的誤差。二、HKB自適應(yīng)波束形成算法。這種對角加載自適應(yīng)波束形成算法中的加載系數(shù)會隨著快拍數(shù)的增加而增加。當(dāng)快拍數(shù)較大時，陣列天線獲得樣本信息足夠，樣本協(xié)方差矩陣并不需要很大的加載量進(jìn)行誤差補(bǔ)償，然而本算法計(jì)算的加載系數(shù)仍然很大，因此，本算法的性能會隨著快拍數(shù)增加反而下降。三、廣義線性組合(GLC)穩(wěn)健波束形成算法。這種加載算法優(yōu)于以上的兩種加載算法，但是其運(yùn)算量特別大，并且在對協(xié)方差矩陣最小均方誤差求解的過程中，由于對有用信號先驗(yàn)分布信息知識的缺乏，估計(jì)運(yùn)算中會存在較大誤差，因此這種算法的應(yīng)用受限。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專利技術(shù)的目的在于針對上述已有方法中的不足，在HKB自適應(yīng)波束形成算法的基礎(chǔ)上，提出一種基于，加載量隨樣本數(shù)自適應(yīng)地合理變化，以減少噪聲特征值的擴(kuò)散程度，提高對角加載性能，進(jìn)而有效的增強(qiáng)期望信號，抑制干擾信號和噪聲。實(shí)現(xiàn)本專利技術(shù)目的的技術(shù)思路該方法是對估計(jì)得到的協(xié)方差矩陣進(jìn)行修正，通過注入噪聲矩陣來減少協(xié)方差矩陣特征值的散布程度，快速得到最優(yōu)權(quán)矢量，實(shí)現(xiàn)波束形成，具體步驟包括如下I)根據(jù)陣元數(shù)為M的雷達(dá)天線陣列接收信號X，求其相應(yīng)的協(xié)方差矩陣及；2)求雷達(dá)天線接收到的目標(biāo)信號的方向矢量as的正交補(bǔ)空間B，根據(jù)自適應(yīng)波束形成的線性約束條件/as = 1，得到雷達(dá)天線陣列的加權(quán)向量w的線性組合表達(dá)式其中，上標(biāo)H表示共軛轉(zhuǎn)置，Il e C(M_1)X1為待求矢量，C(M_1)X1表示所有維數(shù)為(M-I) X I的矢量的集合空間；3)根據(jù)步驟I)中的協(xié)方差矩陣於和步驟2)中的加權(quán)向量W，得到雷達(dá)天線陣列輸出最小功率為Rm Βη-Rvz ，M 珈 b = RV2il/M剩余矢量e = b-X η ;則雷達(dá)天線陣列輸出最小功率表— MX BJ J■* ，達(dá)式可以恒等變換為min wHRw - min\Χη - Α||2 ;wη 1111其中，表示表達(dá)式最小值時的w取值，qn(·)表示表達(dá)式最小值時的η取wn值R表不協(xié)方差矩陣身的平方根矩陣，11112表不模平方；4)定義剩余矢量e的協(xié)方差矩陣P = PPii,其中，矩陣P是服從標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布的MXM維矩陣；5 irtin w!!Rw = minV告、n Rr Βη-.O= Tnitiw ηI Mj\M,5)利用剩余矢量的協(xié)方差矩陣P，根據(jù)加權(quán)最小二乘估計(jì)理論對步驟3)中雷達(dá)天線陣列輸出功率表達(dá)式中的未知矢量n進(jìn)行求解，進(jìn)而得到雷達(dá)天線陣列接收信號協(xié)方差矩陣的加載系數(shù)權(quán)利要求1.一種，包括如下步驟1)根據(jù)陣元數(shù)為M的雷達(dá)天線陣列接收信號X，求其相應(yīng)的協(xié)方差矩陣Λ；2)求雷達(dá)天線接收到的目標(biāo)信號的方向矢量as的正交補(bǔ)空間B，根據(jù)自適應(yīng)波束形成的線性約束條件/as = 1，得到雷達(dá)天線陣列的加權(quán)向量w的線性組合表達(dá)式 其中，上標(biāo)H表示共軛轉(zhuǎn)置，n e C(M_1)X1為待求矢量，C(M_1)X1表示所有維數(shù)為(M-I) Xl的矢量的集合空間；3)根據(jù)步驟I)中的協(xié)方差矩陣A和步驟2)中的加權(quán)向量w，得到雷達(dá)天線陣列輸出最小功率為2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于協(xié)方差矩陣自動對角加載的穩(wěn)健自適應(yīng)波束形成方法，其中步驟I)所述的根據(jù)陣元數(shù)為M的雷達(dá)天線陣列接收信號X，求其相應(yīng)的協(xié)方差矩陣云，按如下步驟求解(Ia)根據(jù)雷達(dá)天線陣列接收信號的結(jié)構(gòu)模型，將陣元數(shù)為M的雷達(dá)天線陣列在t時刻的接收信號X (t)表示如下3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于協(xié)方差矩陣自動對角加載的穩(wěn)健自適應(yīng)波束形成方法，利用加權(quán)最小二乘估計(jì)理論對步驟3)中雷達(dá)天線陣列輸出功率表達(dá)式中的未知矢量η進(jìn)行求解，其中加權(quán)矩陣為步驟5)所述剩余矢量的協(xié)方差矩陣P的逆矩陣。將步驟3)中雷達(dá)天線陣列輸出功率表達(dá)式用新的代價函數(shù)θ (η)代替，新代價函數(shù)表達(dá)式為θ(η) = (Χη-δ)Η ν-ι(Χη-δ),對上式求解η得到1J = (XhV-1 Xf1 XHV-lb ,其中，(《Γ1表示矩陣求逆，上標(biāo)H表示矩陣共軛轉(zhuǎn)置。4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于協(xié)方差矩陣自動對角加載的穩(wěn)健自適應(yīng)波束形成方法，運(yùn)用所述步驟6)中的求雷達(dá)天線陣列的加權(quán)向量w，按如下步驟進(jìn)行(6a)利用得到的對角加載系數(shù)P，將雷達(dá)天線陣列的自適應(yīng)線性約束最小方差表示本文檔來自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種協(xié)方差矩陣對角加載的穩(wěn)健自適應(yīng)波束形成方法，包括如下步驟：?1）根據(jù)陣元數(shù)為M的雷達(dá)天線陣列接收信號x，求其相應(yīng)的協(xié)方差矩陣2）求雷達(dá)天線接收到的目標(biāo)信號的方向矢量as的正交補(bǔ)空間B，根據(jù)自適應(yīng)波束形成的線性約束條件wHas＝1，得到雷達(dá)天線陣列的加權(quán)向量w的線性組合表達(dá)式：其中，上標(biāo)H表示共軛轉(zhuǎn)置，η∈C(M?1)×1為待求矢量，C(M?1)×1表示所有維數(shù)為(M?1)×1的矢量的集合空間；?3）根據(jù)步驟1）中的協(xié)方差矩陣和步驟2）中的加權(quán)向量w，得到雷達(dá)天線陣列輸出最小功率為：?令剩余矢量e＝b?Xη，則雷達(dá)天線陣列輸出最小功率表達(dá)式可以恒等變換為?其中，表示表達(dá)式最小值時的w取值，表示表達(dá)式最小值時的η取值，表示協(xié)方差矩陣的平方根矩陣，||||2表示模平方；?4）定義剩余矢量e的協(xié)方差矩陣其中，矩陣P是服從標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布的M×M維矩陣；?5）利用剩余矢量的協(xié)方差矩陣根據(jù)加權(quán)最小二乘估計(jì)理論對步驟3）中雷達(dá)天線陣列輸出功率表達(dá)式中的未知矢量η進(jìn)行求解，進(jìn)而得到雷達(dá)天線陣列接收數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣的加載系數(shù)：其中，6）運(yùn)用步驟5）中得到加載系數(shù)ρ，求得雷達(dá)天線陣列的加權(quán)向量w，進(jìn)行波束形成。?FDA00002458115300011.jpg,FDA00002458115300012.jpg,FDA00002458115300013.jpg,FDA00002458115300014.jpg,FDA00002458115300015.jpg,FDA00002458115300016.jpg,FDA00002458115300017.jpg,FDA00002458115300018.jpg,FDA00002458115300019.jpg,FDA000024581153000110.jpg,FDA000024581153000111.jpg,FDA000024581153000112.jpg,FDA000024581153000113.jpg,FDA000024581153000114.jpg,FDA00002458115300021.jpg...
【技術(shù)特征摘要】
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：董玫，楊威，蘇洪濤，趙永波，
申請(專利權(quán))人：西安電子科技大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：
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