一种针对多径信号的波束形成器设计方法
【专利摘要】本发明属于雷达和通信领域，尤其是涉及一种针对多径信号的波束形成器设计方法。首先采用空间平滑技术，降低多径信号间的相关性，从而得到满秩的信号空域协方差矩阵；接着配合已知的多径信号部分来向信息，构建最小方差无畸变响应波束形成器；然后依据不同情况选择合适方案，能够获得信号与各个传感器接收数据的互相关矢量，在此基础上设计出接收与多径环境相匹配的最小均方误差波束形成器。相比于传统的波束形成器，本发明解决了多径信号下，当前波束形成器对有用信号利用不充分，阵列孔径损失的问题，提高了阵列有效孔径，且对多径信号利用更充分，为移动通信，相控阵雷达等场合中的多径信号波束形成器设计提供了可靠的方法。
【专利说明】 一种针对多径信号的波束形成器设计方法
【技术领域】
[0001]本发明属于雷达和通信领域，尤其是涉及一种针对多径信号的波束形成器设计方法。
【背景技术】
[0002]阵列信号处理是信号处理的一大分支，广泛应用在雷达、声呐、射电天文探测、医学检测和移动通信等领域，它是指将多个传感器按一定方式布置在空间不同位置上，形成传感器阵列，再对传感器组进行数据处理的技术。波束形成技术是阵列信号处理的重要方面。其实质是通过对各个传感器的数据加权，来尽可能地实现增强期望信号，抑制干扰的目的。对接收的空间信号进行处理时，与传统的单个定向传感器相比，使用波束形成技术的传感器阵列具有波束控制灵活，干扰抑制能力强，和空间分辨能力高的优点。而自适应波束形成要求根据信号环境变化自适应地改变加权因子。
[0003]自适应波束形成技术具有非常重要的理论意义和实用价值。传统的自适应波束形成器设计方法都假设干扰与接收信号之间相互独立，然而在各类信号传输过程中，多径效应往往使得传感器阵列接收到的有用信号呈现相关性，这使得常规的自适应波束形成方法性能严重下降。以空间平滑为代表的各类去相关技术，能够有效降低信号间的相关性，然而空间平滑会降低传感器阵列的有效孔径，且在有用信号来向信息不全的情况下，采用该类技术的波束形成器会将有用信号当作干扰进行抑制。
[0004]针对多径信号，如何在不损失阵列孔径的前提下，设计出高效、稳健的波束形成器，是亟待解决的现实问题。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于，针对多径信号，如何在不损失阵列孔径的前提下设计出高效、稳健的波束形成器，提出了一种针对多径信号的波束形成器设计方法，其特征在于，包括以下步骤:
[0006]步骤1、信号处理系统依据不同来向入射信号个数将传感器阵列划分为多个子阵列，其中信号处理系统为相控阵雷达和/或通信终端；
[0007]步骤2、通过空间平滑处理，由各子阵列协方差矩阵得到满秩的信号空域矩阵；
[0008]步骤3、依据已知多径信号的部分来向信息，构建基于子阵列I的最小方差无畸变响应波束形成器，其中子阵列I是指某传感器阵列；
[0009]步骤4、存储该波束形成器的输出数据和对应的各传感器接收数据；
[0010]步骤5、判断系统噪声功率是否已知且在采样时间内恒定，如果是则计算最小方差无畸变响应波束形成器输出数据与各个传感器接收数据的互相关矢量，该矢量再减去子阵列I的最小方差无畸变响应波束形成器权值与噪声功率的乘积，结果用于构建基于全阵列的最小均方误差波束形成器；如果否，则执行步骤6 ;
[0011]步骤6、判断系统传感器数量是否超过信号个数4倍，如果是则计算最小方差无畸变响应波束形成器输出数据与子阵列I之外的传感器接收数据互相关矢量，结果用于构建基于子阵列I之外传感器阵列的最小均方误差波束形成器；如果否，则执行步骤7 ；
[0012]步骤7、将各个传感器数据经过一定延时后与最小方差无畸变响应波束形成器输出数据进行互相关计算，结果用于构建基于全阵列的最小均方误差波束形成器；而如果多径信号本身具有周期性，那么选择延时量接近多径信号周期。
[0013]所述步骤I中，第I个子阵列的k时刻传感器接收数据矢量表示为
[0014]X1GO = [X1 (k)，…，X1H (k) ]τ, I = 1,2，…Μ-Ν+1
[0015]其中，M为传感器总数，N为子阵列含传感器个数，X1 (k)表示为传感器I在k时刻接收的数据，X1^1 (k)表示为第1+N-1个传感器在k时刻接收的数据，(.)τ表示转置操作，k = 1，2，…K，K为处理器一次缓存的数据量。
[0016]所述步骤2中，子阵列协方差矩阵通过下式计算
[0017]
【权利要求】
1.一种针对多径信号的波束形成器设计方法，其特征在于，包括以下步骤: 步骤1、信号处理系统依据不同来向入射信号个数将传感器阵列划分为多个子阵列，其中信号处理系统为相控阵雷达和/或通信终端； 步骤2、通过空间平滑处理，由各子阵列协方差矩阵得到满秩的信号空域矩阵； 步骤3、依据已知多径信号的部分来向信息，构建基于子阵列I的最小方差无畸变响应波束形成器，其中子阵列I是指某传感器阵列； 步骤4、存储该波束形成器的输出数据和对应的各传感器接收数据； 步骤5、判断系统噪声功率是否已知且在采样时间内恒定，如果是则计算最小方差无畸变响应波束形成器输出数据与各个传感器接收数据的互相关矢量，该矢量再减去子阵列I的最小方差无畸变响应波束形成器权值与噪声功率的乘积，结果用于构建基于全阵列的最小均方误差波束形成器；如果否，则执行步骤6 ； 步骤6、判断系统传感器数量是否超过信号个数4倍，如果是则计算最小方差无畸变响应波束形成器输出数据与子阵列I之外的传感器接收数据互相关矢量，结果用于构建基于子阵列I之外传感器阵列的最小均方误差波束形成器；如果否，则执行步骤7 ； 步骤7、将各个传感器数据经过一定延时后与最小方差无畸变响应波束形成器输出数据进行互相关计算，结果用于构建基于全阵列的最小均方误差波束形成器；而如果多径信号本身具有周期性，那么选择延时量接近多径信号周期。
2.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述步骤I中，第I个子阵列的k时刻传感器接收数据矢量表示为
X1GO = [X1 (k)，…，Xn1 (k) ]τ, I = 1,2，…Μ-Ν+1 其中，M为传感器总数，N为子阵列含传感器个数，X1 (k)表示为传感器I在k时刻接收的数据，X1^1 (k)表示为第1+N-1个传感器在k时刻接收的数据，(.)τ表示转置操作，k =1，2，…K，K为处理器一次缓存的数据量。
3.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述步骤2中，子阵列协方差矩阵通过下式计算
4.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述步骤3中构建的基于子阵列I的波束形成器权向量为
5.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述步骤5采用噪声消去方案设计MMSE波束形成器，首先按如下公式计算接收数据和MVDR-SS输出数据的互相关矢量
;I = —X ^(A:)5, (A) - {^[η?)Ι{, O^O)7 σ;人 k=lM-N 噪声消去方案的M MSE波束形成器的权向量由如下公式计算 wMMSF = —^x(k)XH (k) r'xd
k=lJ 计算得权向量后，即由如下公式计算多径信号的波束形成器输出 s2{k) = wHMMSEX{h) 其中，x(k)为最后信号处理系统缓存接收数据向量，?(幻为MVDR波束形成器输出，(?广表示取共轭操作，W_K为基于子阵列I的波束形成器权向量，<表示已知的噪声能量。
6.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述步骤6采用空间分集方案设计MMSE波束形成器，划分子阵使得各个子阵的传感器个数N大于信号个数，小于子阵列个数L的三分之一，按如下公式计算接收数据和MVDR-SS输出数据的互相关矢量 1 I(印1 (々)
人k=\ 之后，空间分集方案的MMSE波束形成器权向量按如下公式计算 wMMSE = — Σ XM-N ik)X^_N (k) r"d
k=lJ 计算得权向量后，即由如下公式计算多径信号的波束形成器输出 s2(k) — wMMSEXM_N [k) 其中，为MVDR波束形成器输出，(.广表示取共轭操作，XM_N(k) = [xN+1(k)，…，xM(k)]T为除子阵列I外的传感器接收数据向量，xN+1(k)表示为第N+1个传感器在k时刻接收的数据，x? (k)表示为第M个传感器在k时刻接收的数据。
7.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述步骤7发明采用时间分集方案设计MMSE波束形成器，按如下公式计算接收数据和MVDR-SS输出数据的互相关矢量
【文档编号】G01S7/02GK103941234SQ201410168758
【公开日】2014年7月23日 申请日期:2014年4月24日 优先权日:2014年4月24日
【发明者】汤俊, 王成, 刘雅琪 申请人:清华大学