一种基于稀疏约束的波束展宽和旁瓣抑制方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于接收无线传输信号的天线阵列信号处理范畴，特别是一种利用稀疏重 构来实现波束展宽和旁瓣抑制从而使天线阵优化的方法。
【背景技术】
[0002] 阵列天线易于实现窄波束、低副瓣和相控波束扫描，使得发现目标和跟踪目标的 可靠性、稳定性和实时性等性能得以提高。所以天线的优化，在现实生活中就尤为的重要 了。对阵列天线的优化主要有两方面：一是对方向性系数这一指标进行优化，以得到具有最 大方向性系数的阵列激励幅度和相位；一是波束赋形的优化设计，即改变阵列激励幅度和 /或相位使辐射方向图为指定的波束形状。其中波束展宽和旁瓣抑制是极其重要的两方面， 值得深入研宄。
[0003] 在实际中，有很多关于波束展宽的算法，例如，为了满足星载合成孔径雷达成像幅 宽的需要而在传统相位加权算法基础上提出的遗传算法与模拟退火算法。又如在研宄五 臂阵的自适应过程中提出的零点展宽算法，以及加宽零陷而增加信噪比提高整体性能的算 法。同样，线性稀疏阵压低旁瓣也有若干方法，常见的思路无非是改进阵元排布、设计阵元 接收的加权值omega，获得性能较好的波束形成器、窗函数加权压低旁瓣。但往往目前的方 法存在较大的缺陷，比如结果与真实情况相差较远；信噪比高时性能下降严重；稳健性差， 对波达方向预测准确率，信号导向矢量准确率要求高，主瓣较宽，而且对于波达方向的预测 以及主瓣宽度的预测有较高要求，等等。
【发明内容】
[0004] 本发明目的是针对现有波束展宽和旁瓣抑制的观测方向失配和导向矢量存在误 差时得到的天线方向图性能恶化，提出一种新的波束展宽和旁瓣抑制方法，实现了波束展 宽的同时，能够得到较低的旁瓣电平，进而增强了对干扰信号的抑制能力。
[0005] 本发明的解决方案是：首先根据所给阵列结构设置导向矢量参数，再由给定的观 测方向和旁瓣区域产生一个包含观测和干扰方向信息的过完备字典，然后对空域滤波器的 权向量进行初始化，通过对波束形成器的权值向量进行迭代来最小化输出功率及旁瓣增益 的lp范数的加权之和，直到迭代出的波束形成器的权值向量满足停止准则即可。
[0006] 本发明一种基于稀疏约束的波束展宽和旁瓣抑制方法，该方法的具体步骤为：
[0007] 步骤1、参数设置：
[0008] 步骤1-1、根据所给阵列结构设置导向矢量的参数y、A、p，其中Y和X为后续 步骤中需要的拉格朗日乘子，A为确定稀疏约束的有效性，y为调节无失真响应约束及稀 疏约束的影响，P调节波束的稀疏度；
[0009] 步骤1-2、根据观测方向和旁瓣区域生成X，X=[A|?r?a(6>")]其中A表示LXN 矩阵，包括了导向矢量角度范围，包含了可能存在的干扰方向；L是表示传感器数目，N代表 了超过干扰范围的空间抽样数；而a=y/A为拉格朗日乘数，apj为信号源的方向向 量；
[0010] 进一步的，所述步骤1中p< 2,x、Y为经验性取值；
[0011] 步骤2、初始化：
[0012] 令迭代指数i= 0,初始权值为w(0)，其中w表示空域滤波器的权向量；w(i)表示 w在第i次迭代时的当前权值；
[0013] 步骤3、迭代：
[0014] 步骤3-1、计算n(W(i))的值；
[0015] 其中
【主权项】
1. 一种基于稀疏约束的波束展宽和旁瓣抑制方法，该方法的具体步骤为： 步骤1、参数设置： 步骤1-1、根据所给阵列结构设置导向矢量的参数y、a、p，其中y和A为后续步骤 中需要的拉格朗日乘子，A为确定稀疏约束的有效性，y为调节无失真响应约束及稀疏约 束的影响，P调节波束的稀疏度； 步骤1-2、根据观测方向和旁瓣区域生成叉，S = [▲ I 其中A表示LXN矩阵， 包括了导向矢量角度范围，包含了可能存在的干扰方向；L是表示传感器数目，N代表了超 过干扰范围的空间抽样数；而a = y/A为拉格朗日乘数，apj为信号源的方向向量； 步骤2、初始化： 令迭代指数i = 〇,初始权值为w(0)，其中w表示空域滤波器的权向量;w(i)表示w在 第i次迭代时的当前权值； 步骤3、迭代： 步骤3-1、计算n (w(i))的值； 其 4
而 d = [0 I a ? 1]，d* 表示 d 的共轭复数，是矩阵X的共轭转置； 步骤3-2、通过式子
来更新的w的， 其中又=人p，Rxx是接收信号x(k)的自协方差矩阵； 步骤3-3、根据L-曲线确定新的A值，I
其中| |A| |代表的是矩阵A的范数，
为矩阵A中的第i行第j列元素； 步骤3-4、在通过式丨
获得新的Y值； 步骤3-5、通过i = i+1使w的值改变； 步骤4、如果结果符合要求，算法终止，若不满足，则返回步骤3利用新获得的X和y 继续计算； 算法停止的准则可以为迭代次数达到根据经验预设的次数；也可以将
5根据经验预设的阈值比较，若其小于阈值，则停止计算。 步骤5、根据得到的迭代后的空域滤波器权向量w，获得阵列天线接收信号方向图增益 201g | wHa ( 9 ) | 〇
2. 如权利要求1所述的进一步的一种基于稀疏约束的波束展宽和旁瓣抑制方法，其特 征在于所述步骤1中P < 2, A、y依经验性取值。
【专利摘要】该发明公开了一种基于稀疏约束的波束展宽和旁瓣抑制方法，属于接收无线传输信号的天线阵列信号处理范畴，特别是一种利用稀疏重构来实现波束展宽和旁瓣抑制从而使天线阵优化的方法。利用稀疏约束算法实现波束展宽的同时，能够得到较低的旁瓣电平，进而增强了对干扰信号的抑制能力。通过建立天线阵模型，确定导向矢量参数，再利用超完备字典表示观测和干扰方向信息的矩阵，随后初始化波束形成器的权值向量，并对其做稀疏迭代，已得到满足条件的权值向量，从而使输出峰值在原有基础上得到有更低的旁瓣。相对于其他的算法，本算法在实现主瓣窄的同时做到超分辨，旁瓣低的同时又提高稳定性。
【IPC分类】G06F19-00
【公开号】CN104615854
【申请号】CN201510003601
【发明人】张瑛, 赵丹旎, 王婷静, 陈垠江, 康宁, 赵华鹏
【申请人】电子科技大学
【公开日】2015年5月13日
【申请日】2015年1月5日