基于协方差重构和导向矢量补偿的自适应波束形成方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于协方差矩阵重构和导向矢量误差补偿的自适应波束形成方法。使用本发明能够在采样快拍中含有期望信号且信号导向矢量存在不匹配的情况下，有效抑制干扰，并能使自适应方向图的主瓣保形和旁瓣降低，且能获得较高的输出SINR和较快的收敛速度。本发明首先对采样协方差矩阵进行特征值分解，利用MDL准则估计出噪声子空间，接着采用Root-MUSIC方法估计出信号源的入射角度，并判断出期望信号的入射角度，进而重构出新的干扰加噪声协方差矩阵；然后通过求解二次约束二次规划问题补偿期望信号导向矢量的不匹配；最后利用重构出的新的干扰加噪声协方差矩阵和修正的导向矢量求解出自适应权矢量，能在干扰方向自适应的形成零陷，有效抑制干扰。
【专利说明】基于协方差重构和导向矢量补偿的自适应波束形成方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及阵列信号处理【技术领域】，具体涉及一种基于协方差矩阵重构和导向矢 量误差补偿的自适应波束形成方法。
【背景技术】
[0002] 阵列信号处理是信号处理领域的一个重要分支，它在雷达、声纳、通信、导航、生物 医学工程、语音信号处理、以及地震监测等众多军事及国民经济领域得到了广泛的应用。自 适应波束形成是阵列信号处理中的一项重要研究部分，其实质是通过对各阵元自适应加 权，在干扰位置形成零陷、在期望信号方向得到尖峰，从而达到增强期望信号、抑制干扰信 号和减弱噪声信号的目的。其中最小方差无失真响应（MVDR)是一种比较常用的自适应波 束形成算法，它通过在期望信号方向约束阵列增益为1，且使阵列输出功率最小的方式，达 到抑制干扰的目的，协方差矩阵求逆（SMI)算法是实现MVDR算法的一种常用的方法。
[0003] 在实际应用中，综合考虑硬件条件和环境因素，计算自适应权值采用的采样快拍 数较少。在采样快拍数较低的情况下，SMI算法的输出SINR和自适应方向图的收敛速度较 慢，若信号导向矢量存在误差，会导致SMI算法的输出SINR损失和自适应方向图畸变。更 严重的情况是当采样快拍中含有期望信号时，会造成在期望信号方向产生零陷，导致期望 信号相消、输出信干噪比严重下降，使SMI算法的输出SINR急剧下降，自适应方向图严重变 形，主瓣变形、旁瓣升高。所以，当采样快拍中含有期望信号其导向矢量存在不匹配时，SMI 算法将不能够有效地抑制干扰及增强期望信号。
【发明内容】
[0004] 有鉴于此，本发明提供了一种基于协方差矩阵重构和导向矢量误差补偿的自适应 波束形成方法，能够在采样快拍中含有期望信号且信号导向矢量存在不匹配的情况下，有 效地抑制干扰，并能使自适应方向图的主瓣保形和旁瓣降低，且能获得较高的输出SINR和 较快的收敛速度。
[0005] 本发明的基于协方差矩阵重构和导向矢量误差补偿的自适应波束形成方法，包括 如下步骤：
[0006] 步骤1，重构窄带均匀线阵的干扰加噪声协方差矩阵
[0007] 步骤1. 1，建立信号模型
[0008] 窄带均匀线阵接收到的信号模型为
[0009] X (t) = a ( Θ 〇) S〇 (t) +AS (t) +N (t) (1)
[0010] 其中，aO为导向矢量，Θ。为期望信号的入射角度，aPJ为期望信号的导向 矢量，
【权利要求】
1. 一种基于协方差矩阵重构和导向矢量误差补偿的自适应波束形成方法，其特征在 于，包括如下步骤： 步骤1，重构窄带均匀线阵的干扰加噪声协方差矩阵 步骤1.1，建立信号模型 窄带均匀线阵接收到的信号模型为 X(t) =a(Θ〇)S0 (t)+AS(t)+N(t) (1) 其中，a()为导向矢量，Qtl为期望信号的入射角度，为期望信号的导向矢 量，= /手iV-1)<isin0°f，d为相邻阵元之间的间距， 窄带均匀线阵阵元总个数，λ为波长，[·]τ为矩阵转置；Stl(t)为期望信号的复包络， 七为时间汸=[&(01)，&(02)，? &(0[))]为阵列流型矩阵，01为第1个干扰信号的 入射角度，i= 1，2，…P，P为干扰信号总个数，a(Θ)为第i个干扰信号的导向矢量， α{θ?) =[1? ?JT2dskl8i?,, ;S⑴=[S1 ⑴，S2⑴，…Sp⑴]' Si(t)为第i个干扰信号的复包络；N(t) = [ni(t)，n2(t)，...，nN (t)]为背景白噪声； 其采样协方差矩阵为
其中，X(tk)为k(k=l，2, ···，!(）时刻阵列的采样值，K为采样快拍数，（·）Η表示复 共轭转置； 步骤1.2,对采样协方差矩阵R进行特征值分解，获得R的N个特征值.2/，j= 1，2，…，N，和对应的正交特征向量，其中，特征值t按从大到小的顺序排列 ^2尨之...：^仝1+1..2众；则根据最小描述长度101^准则，期望信号加干扰子空间 Us=\U\^li2y*' *pp^\\5噪声子空间==\Up-\-ijUp-j-35 * 5Un] ? 步骤1. 3,采用Root-MUSIC方法估计出信号源的入射角度为
其中，Zi为Zi =exp(jωD的根； 通过计算信号源各入射角度点与假定的期望信号方向&之间的间隔判断出期望信 号： i么一I< 奶泣/2 6足期染fh'号 .1 _ - z= 0.1.2,··-,P I?λ. -I> _ 奶汾/? 小足期染ffj号 其中，Beam_Width为主波束宽度； 则重构的干扰加噪声协方差矩阵为
步骤2,将期望信号导向矢量修正为a~a-^e± 其中，：为假定的期望信号导向矢量，ei为真实的期望信号导向矢量与假定的期望信 号导向矢量之间的不匹配量e垂直于。的分量； 步骤3,根据步骤1获得的重构的干扰加噪声协方差矩阵Rin和步骤2获得的修正后的 期望信号导向矢量β，计算出自适应权矢量为 -1 ~ Tr,Rin Cl W=~H -l~ a Rw a 步骤4,利用步骤3获得的自适应权矢量，对回波数据进行加权处理，进行自适应波束 形成。
2.如权利要求1所述的基于协方差矩阵重构和导向矢量误差补偿的自适应波束形成 方法，其特征在于，所述e1计算方法如下：采用求解二阶约束二次规划问题的方法求解
获得的最优解即为ep
【文档编号】H04B7/04GK104270179SQ201410465423
【公开日】2015年1月7日 申请日期:2014年9月12日 优先权日:2014年9月12日
【发明者】杨小鹏, 闫路, 曾涛, 胡晓娜, 张宗傲 申请人:北京理工大学