基于特征子空间的子阵级线性约束自适应波束形成方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于特征子空间的子阵级线性约束自适应波束形成方法，属于阵列信号处理【技术领域】。该方法对采样协方差矩阵进行特征值分解，以此来估计所需的干扰子空间，然后在干扰子空间约束波束响应为零来自适应的抑制干扰信号，并且引入罚函数对自适应方向图进行约束以使主瓣保形、旁瓣降低。本方法在自适应抑制干扰的同时，使得在子阵级得到的自适应方向图主瓣保形且旁瓣降低，并且能够获得较好的输出信干噪比性能。本发明适用于子阵级线性约束自适应波束的形成。
【专利说明】基于特征子空间的子阵级线性约束自适应波束形成方法
【技术领域】
[0001]本发明属于阵列信号处理【技术领域】，涉及一种基于特征子空间的改进子阵级线性约束自适应波束形成方法。
【背景技术】
[0002]自适应数字波束形成(ADBF)技术充分利用阵列天线所获得的空间信息，通过对空间信号场进行采样，然后经过加权处理得到期望的输出结果，可以方便的进行波束控制，有效地抑制空间干扰和噪声、增强有用信号，因此广泛用于雷达、通信、声纳、导航、语音信号处理、地震监测以及生物医学工程等众多军事及国民经济领域。对于自适应波束形成技术如此广泛的应用，它的应用质量好坏一般取决于自适应波束形成算法的运算速度以及稳健性。经过数十年的发展研究，自适应波束形成算法的实时处理能力越来越强、稳健性越来越好。
[0003]自适应波束形成算法是在一定理想条件下提出来的，但是在实际环境中往往存在许多误差以及非理想因素。面对复杂的电磁环境，稳健性自适应波束形成算法得到广泛的应用。在传统自适应波束形成算法中，采样矩阵求逆(SMI)算法是最基本的自适应波束形成算法，它在非理想环境下抗干扰性能严重下降。在采样矩阵求逆(SMI)算法基础上，通过对波束图施加更多的约束条件可以获得稳健的性能，线性约束最小方差准则(LCMV)是其中较常用的一种算法，它通过对方向图施加约束，在方向图满足一定条件下计算最优权矢量，使输出功率最小。
[0004]实际中，对于大型阵列，直接在阵元级进行自适应波束形成，运算复杂度很高，不利于实时实现，通常将大型阵列划分为若干个子阵，在子阵级进行自适应波束形成。LCMV算法直接应用到子阵级时，会导致自适应方向图主瓣变形且旁瓣升高，这将对后续的信号处理(目标角度测量、目标检测等)产生不良的影响。此时为了使主瓣保形且旁瓣降低，直接在LCMV的静态权矢量上点乘窗函数是不行的，因为这样得到的权矢量不满足原有的约束条件。
【发明内容】
[0005]有鉴于此，本发明提供了一种基于特征子空间的子阵级线性约束自适应波束形成方法，能够在干扰信号方向自适应地形成零陷抑制干扰，减少回波中的干扰成分，同时使得主瓣保形、旁瓣降低，使得阵列信号处理后具有较好的输出信干噪比性能。
[0006]为了达到上述目的，本发明的技术方案包括如下步骤:
[0007]步骤一、对划分为L个子阵的N阵元线性阵列天线进行干扰子空间估计:线性阵列对入射信号进行接收，获取接收信号，入射信号由P个互不相关的干扰信号以及噪声组成；N、L和P均为正整数；
[0008]计算子阵级协方差矩阵，对子阵级协方差矩阵进行特征值分解，获得干扰信号所对应的特征向量，由这些特征向量张成的矢量空间为估计的干扰子空间；[0009]步骤二、构造约束条件:构建子阵级的约束矩阵以及约束响应向量，同时依据子阵级自适应阵列方向图与期望静态方向图的差异构建罚函数，并使罚函数取最小值；
[0010]步骤三、根据步骤二中构建的子阵级的约束矩阵以及约束响应向量以及罚函数的最小值约束计算自适应权矢量；
[0011]步骤四、使用步骤三中获得的自适应权矢量对该线性阵列接收到的回波数据进行加权获得期望信号，即自适应波束。
[0012]进一步地，阵列天线的波束指向为Θ ^，步骤一中计算子阵级协方差矩阵采用如下方法:子阵级在k时刻接收的快拍为Xsub (k)，k取遍I~K之间的所有正整数，K为快拍个数即采样个数；子阵级协方差矩阵为:
[0013]
【权利要求】
1.基于特征子空间的子阵级线性约束自适应波束形成方法，其特征在于，包括如下步骤: 步骤一、对划分为L个子阵的N阵元线性阵列天线进行干扰子空间估计:线性阵列对入射信号进行接收，获取接收信号，入射信号由P个互不相关的干扰信号以及噪声组成；N、L和P均为正整数； 计算子阵级协方差矩阵，对子阵级协方差矩阵进行特征值分解，获得干扰信号所对应的特征向量，由这些特征向量张成的矢量空间为估计的干扰子空间； 步骤二、构造约束条件:构建子阵级的约束矩阵以及约束响应向量，同时依据所述接收阵列方向图与期望静态方向图的差异构建罚函数，并使罚函数取最小值； 步骤三、根据步骤二中构建的子阵级的约束矩阵以及约束响应向量以及罚函数的最小值约束计算自适应权矢量； 步骤四、使用步骤三中获得的自适应权矢量对该线性阵列接收到的回波数据进行加权获得期望信号，即自适应波束。
2.如权利要求1所述的基于特征子空间的子阵级线性约束自适应波束形成方法，其特征在于，阵列天线的波束指向为Qtl，步骤一中计算子阵级协方差矩阵采用如下方法:子阵级在k时刻接收的快拍为Xsub(k)，k取遍I~K之间的所有正整数，K为快拍个数即采样个数；子阵级协方差矩阵为:
3.如权利要求2所述一种基于特征子空间的子阵级线性约束自适应波束形成方法，其特征在于，所述步骤二中构建的子阵级约束矩阵为C、子阵级约束响应向量为f:
C = [asub ( Θ 0)，Us] = [asub ( θ 0)，e” e2,…,eP]；
f = [μ，ο,o,…，o]lx(P+1)； asub(9 0)为子阵级期望信号的导向矢量； μ为一常数，具体为在期望信号方向Qtl处的阵列增益； 所述子阵级约束矩阵C和子阵级约束响应向量f满足:wsubHC = f，其中Wsub为自适应权矢量。
4.如权利要求3所述的基于特征子空间的子阵级线性约束自适应波束形成方法，其特征在于，所述步骤二中依据所述接收阵列方向图与期望静态方向图的差异构建罚函数具体为:
5.如权利要求4所述的基于特征子空间的子阵级线性约束自适应波束形成方法，其特征在于，所述步骤三中所述自适应权矢量为:wsub = Wsub q+ Z ^b-1C (CH Z ^b-1C) ^fa- Z ^b-1C (ChZ sub C) C Wsub_q O
【文档编号】G01S7/36GK103837861SQ201410102804
【公开日】2014年6月4日 申请日期:2014年3月19日 优先权日:2014年3月19日
【发明者】杨小鹏, 曾涛, 张宗傲, 胡晓娜 申请人:北京理工大学