一种抗阵列系统误差的稳健波束形成方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于自适应阵列天线控制领域，尤其涉及一种抗阵列系统误差的稳健波束 形成方法。
【背景技术】
[0002] 自适应波束形成技术能够在空间干扰方向自适应地形成零陷，有效抑制空间干扰 和噪声，提高输出信干噪比（SINR)，被广泛应用于雷达，声纳，移动通信，射电天文等领域。 常用的波束形成器如Capon波束形成器，是建立在阵列对期望信号导向矢量准确已知的情 况下，在实际的应用中，当存在信号波前扰动失真，局部相干散射，阵列流形误差等造成阵 列对期望信号导向矢量估计失配时，自适应波束形成器会将实际期望信号误认为干扰，在 期望信号实际方向形成零陷，导致出现信号"自消"的现象，阵列输出性能急剧下降。
[0003] 针对阵列系统误差引起期望信号导向矢量失配导致阵列输出性能急剧下降的 问题，近年来出现了很多提高阵列波束形成器稳健性的算法。对角加载（LSMI)是一 种常用的方法（B.D.Carlson,Covariancematrixestimationerrorsanddiagonal loadinginadaptivearrays,IEEETransactionsonAerospaceandElectronic systems,vol. 24,pp. 397-401，July1988)，在一定程度上提高了阵列对期望信号矢 量失配的稳健性，其性能的改善程度依赖于加载量的选择，但没有一种可靠的方法 选择对角加载量。Vorobyov等人提出了 一种最坏情况性能最优稳健波束形成算法 (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)，通过建立导向矢量的不确定集，保证在不确定集中 导向矢量最差情况下，性能最优，这种方法在本质上仍属于对角加载一类的方法，是其 对角加载量可以随约束参数进行调整，因而其稳健性较LSMI方法得到很大的提高，但 这种方法受到不确定集参数设定的影响，而不确定集约束参数在实际中又很难准确得 到。 文献(KhabbazibasmenjA. ,VorobyovS.A. ,andHassanienA.Robustadaptive beamformingbasedonsteeringvectorestimationwithaslittleaspossible priorinformation.IEEETransactionsonSignalProcessing, 2012,60(6):2974-2987， SDP-RAB)提出基于最小先验信息下导向矢量估计的稳健波束形成算法，该算法只需知道期 望信号来波的大致区域，该算法在低快拍数下对波前扰动失真，局部相干散射，阵列流形误 差等具有较强的稳健性，但由于其约束条件过于松弛，当快拍数较高时，输入信噪比（SNR) 较高时，性能反而有所下降。
[0004] 以上稳健的波束形成方法都是基于采样矩阵的求逆（SMI)的改进。然而当期 望信号存在于训练信号中时，即使阵列导向矢量没有误差，LSMI算法与WCP0算法在高信 噪比情况下性能都远远低于理想情况，为了克服这个缺点，Y.Gu等提出了一种基于干扰 加噪声协方差矩阵估计的稳健波束形成方法（Gu，Y.J·，andLeshem，A.Robustadaptive beamformingbasedoninterferencecovariancematrixreconstructionand steeringvectorestimation.IEEETransactionsonSignalProcessing, 2012, 60, (7) ,pp. 3881 - 3885)，该方法利用干扰区域的Capon谱来重构干扰加噪声协方差矩阵，无需已 知干扰的数量，该方法对于期望信号D0A估计偏差，波前扰动失真，局部相散射引起的导向 矢量失配具有极强的稳健性，输出SINR能够接近理论最优值，是目前最好的稳健波束形成 方法，但缺点是在低输入信噪比出现阵列流形误差时，由于估计协方差矩阵也将存在误差， 因而输出SINR下降较快。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是提供一种能够提高自适应天线波束形成抗干扰性能的，抗阵列系 统误差的稳健波束形成方法。
[0006] -种抗阵列系统误差的稳健波束形成方法，包括以下步骤，
[0007] 步骤一：构建阵列天线接收数据的采样协方差矩阵：
[0008]
[0009] 步骤二：对协方差矩阵R进行特征分解：
[0010]
[0011] 其中，μ为对协方差矩阵食进行特征分解所得到的第i个特征值，兔为μ派对 应的特征向量；步骤三：将估计的期望信号导向矢量民向每个特征向量@投影，得到：
[0012] / =1,2，.…N ,
[0013] 将p(i)从大到小依次排列，设p(i)的最大值max(p(i))所对应的特征向量为 t, #对应的特征值为.#，将?去除，剩余的特征向量为氏為，…，其分别对应的特征值 为TM，/?，…?ν-1 ]
[0014] 得到不包含期望信号分量的协方差矩阵
[0015] 步骤四：利用干扰区域的Capon空间谱重构干扰加噪声协方差矩阵：
[0016]
' _ '' ' 9
[0017] 其中，a(Θ)表示Θ方向的导向矢量；
[0018] 步骤五：得到干扰加噪声协方差矩阵的估计值：
[0019]
[0020] 其中α和β为加权因子，》= 々/(>+/^+々2+…+ 丨），A二（為+々2+…+ ;
[0021] 步骤六：构建二次约束二次优化问题对估计的期望信号导向矢量进行校正：
[0022]
[0023] 得到校正后的期望信号导向矢量估计％:
[0024] a0=a0 +e1 ；
[0025] 步骤七：得到自适应加权向量：
，利用w进行波束形成，得到天线阵 列输出数据。
[0026] 有益效果：
[0027] 本发明针对Y.Gu所提出方法的问题，提出一种基于协方差矩阵混合重构和导向 矢量估计相结合的稳健波束形成方法，该方法的干扰加噪声协方差矩阵来源于两部分的加 权组合。该方法不但对期望信号D0A估计偏差，波前扰动失真，局部相散射引起的导向矢量 失配具有极强的稳健性，输出SINR比Y.Gu所提方法能够更加接近理论最优值，且对阵列流 形误差也具有极强的稳健性。
[0028] 针对实际阵列天线应用中，由于期望信号导向矢量估计误差导致输出信干噪比 (SINR)急剧下降的问题，本发明方法通过将期望信号分量从协方差矩阵中移出，利用估计 的干扰加噪声协方差矩阵替代原来的采样协方差矩阵。因而，降低了波束形成器对期望信 号导向矢量失配的敏感性，有效的提高了波束形成器抗导向矢量失配的稳健性。仿真结果 表明，本发明方法在期望信号导D0A估计失配，波前扰动失真，局部相干散射等系统误差情 况下，输出SINR能够接近理论最优值，且优与目前已提出的大多数方法。
【附图说明】
[0029] 图1是本发明的实现步骤示意图；
[0030] 图2为导向矢量D0A估计失配时阵列输出信干噪比图；
[0031] 图3为波前扰动失真时阵列输出信干噪比图；
[0032] 图4为局部相干散射时阵列输出信干噪比图；
[0033] 图5为出现阵列流形误差时，阵列输出信干噪比图。
【具体实施方式】
[0034] 下面将结合附图对本发明做进一步详细说明。
[0035] 本发明的目的在于提供一种能够提高自适应天线波束形成抗干扰性能的稳健波 束形成方法。
[0036] 本发明的目的是这样实现的：
[0037] 本发明包括如下步骤：
[0038] (1)构建阵列天线接收数据的采样协方差矩阵
[0039] (2)对食进行特征分解
"
[0040] (3)将估计的期望信号导向矢量向每个特征向量％投影，得到 Ρ(〇=|^|2, / =U2，…，况；将p(i)从大至IJ小依次排列，设p⑴的最大值max(p(i))所对 应的特征向量为?，f对应的特征值为象，i可视为是期望信号的特征向量，将t去除， 设剩余的特征向量为，…Λ、Μ]，其分别对应的特征值为[a,/&···，/%_山进而可以得到
[0041] (4)利用干扰区域的Capon空间谱重构干扰加噪声协方差矩阵
[0042] (5)将_+b与食_加权组合，可以得到本发明波束形成方法中干扰加噪声协方差 矩阵R1+n的估计值为：馬+,,=?艮+" + /?民+";其中α和β为加权因子，其表达式分别为：
[0043] 十十…+，)' -))， /?=(/，; + /? 十…+-iV'.、.：
[0044] (6)构建如下二次约束二次优化问题对估计的期望信号导向矢量进行校正：
[0045]
[0046] 则校正后的期望信号导向矢量估计4可以表示为4〇=€?+&:;
[0047] (7)本发明波束形成方法的自适应加权向量可以表示为W:
_进行 波束形成，得到天线阵列输出数据。
[0048] 其中：泛.表示阵列接收数据的采样协方差矩阵；
[0049] 1^:表示R逆矩阵；
[0050] 表示期望信号区域外的空间所有区域；
[0051] Κ:表示采样快拍数；
[0052]μ1:表示对R进行特征分解所得到的第i个特征值；
[0053] % :表示μ;所对应的特征向量；
[0054] a(Θ):表示Θ方向的导向矢量；
[0055] 4 :表示估计的期望信号的导向矢量；
[0056] ^ :表示运与真实期望信号的导向矢量的误差值；
[0057]w:表示阵列的自适应加权矢量。
[0058] 在#的定义中，Θ二[(-90',6(,-8Kj(G+8"90').hΘ。表示期望信号估计的来波方 向。
[0059] 对期望信号D0A估计失配，波前扰动失真，局部相干散射，阵列流形误差引起的系 统误差，均有较好的稳健性。
[0060] 方法不但适用于单波束天线波束形成，也适用于多波束天线波束形成。
[0061] 本发明涉及的是一种自适应阵列天线的控制方法，具体地说是针对常规自适应天 线阵列波束形成方法在出现阵列系统误差，如期望信号来波方向（D0A)估计失配，波前扰 动失真，局部相干散射，阵列流形误差时，性能急剧下降的问题，发明一种抗阵列系统误差 的稳健波束形成