预导向协方差矩阵重构的宽带自适应波束形成方法及系统

本发明属于阵列信号处理中的自适应波束形成，尤其涉及一种基于预导向协方差矩阵重构的稳健宽带自适应波束形成方法及系统。

背景技术：

1、宽带自适应波束形成是一种信号处理技术，用于在接收端将多个天线接收到的信号进行处理，以获得目标信号并抑制干扰信号。该技术基于自适应滤波器和波束形成原理，通过对每个天线接收的信号进行加权和相位调整，从而实现对目标信号的增强和对干扰信号的抑制。它广泛应用于无线通信、雷达、无线电侦听等领域，可提高信号质量和系统性能。

2、当处理宽带信号时，由于信号频带宽度较大，信号波形会随着频率的变化而变化，这就使得传统的波束形成技术不能直接应用于宽带信号。与此同时，为了在宽带信号中提取出有效的信息，需要对信号进行高分辨率的采样和处理，这也会增加处理的复杂度和计算量。一种解决方法是使用子带划分的波束形成技术，这种技术将宽带信号分解成多个窄带信号，然后对每个窄带信号进行波束形成。在这种方法中，首先需要将宽带信号分成若干个相互重叠的窄带信号，然后分别对每个窄带信号进行波束形成。在这个过程中，需要确保相邻的窄带信号之间具有一定的重叠，以确保波束形成过程中没有信号损失。然后将各个窄带信号的波束形成结果进行合并，从而得到宽带信号的波束形成结果。另外一种解决方法是基于聚焦的波束成形，此方法使用时域和频域信号处理将波束聚焦到目标，提供高分辨率和低旁瓣水平，同时计算效率高。相干聚焦方法，例如空间重采样或相干信号子空间方法，可以用于在应用窄带波束形成方法之前，在宽带信号的带宽上将窄带相关谱矩阵(csdm)聚焦到单个频率。空间重采样方法聚焦来自所有角度扇区的源，但其应用限于均匀线性阵列。相干信号子空间方法(csm)适用于任意阵列，但通常需要doa的初始估计来估计聚焦矩阵。之后的贝叶斯聚焦方法以及空间插值方法在一定程度上解决了初始角度估计误差的影响。这种方法基于这样的观察，即在由平面波组成的波场中，空间参数和光谱参数是相关的，因为平面波仅通过乘积取决于频率。因此，阵列流形在频率之间的变换等效于阵列的空间插值，其中新的空间坐标按期望的频率比缩放。文献中的大多数聚焦方法要么属于需要doa先验知识的定向方法，要么属于不需要先验知识的全景方法。有几种聚焦方法试图在定向方法和全景方法之间妥协。

3、通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：

4、(1)现有预导向结构的宽带自适应波束形成中，存在频域导向矢量误差以及导向协方差矩阵误差。

5、(2)现有预导向结构的宽带自适应波束形成中，没有考虑导向协方差矩阵中存在期望信号部分造成的影响。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于预导向协方差矩阵重构的稳健宽带自适应波束形成方法及系统。

2、本发明是这样实现的，一种基于预导向协方差矩阵重构的稳健宽带自适应波束形成方法，所述基于预导向协方差矩阵重构的稳健宽带自适应波束形成方法包括：

3、步骤一，设置天线阵列；

4、步骤二，宽带信号频域处理；

5、步骤三，预导向矩阵估计，使用稳健波束形成准则估计预导向矩阵；

6、步骤四，导向协方差矩阵(stcm)重构，通过导向最小方差(stmv)宽带谱估计得到期望信号功率和噪声功率，在新估计的导向协方差矩阵中去除期望信号部分；

7、步骤五，优化用于波束形成的导向矢量，通过二次约束二次规划问题的求解得到进一步优化的权值；

8、步骤六，计算宽带自适应波束形成权矢量。

9、进一步，所述步骤一，设置一个一维均匀线阵，共有m个阵元，阵列间距d＝λ2，设m＝10个全向阵元组成的均匀线阵，干扰是线性调制频率(lfm)信号，并且期望的信号是由滤波的高斯噪声产生的，其中每个频率的噪声功率可能不同，两个相邻传感器之间的距离是最高频率波长的一半，信号带宽默认为30mhz，信号载波中心频率范围默认为25ghz-27ghz，信号传播速度为真空光速，就入射角而言，期望的信号从θ0＝0°,一个inr＝30db的强干扰来自θ1＝40°,一个inr＝10db的弱干扰来自θ2＝-40°；期望信号位于角扇区θs＝[θ0-3°,θ0+3°]，干扰信号位于θi＝[θ1-3°,θ1+3°]∪[θ2-3°,θ2+3°]，纯噪声扇区为θn。

10、进一步，所述步骤二，包括：

11、(1)得到阵列接受时域信号x(n)，第m个阵元的时域输出为：

12、xm(t)＝s0(t-τm(θ0))+nm(t)

13、其中s0(t)、τm(θ0)、nm(t)分别代表期望信号波形，第m个阵元对于对应方向θ0的传播延迟，以及第m个传感器处的噪声加干扰；

14、(2)将时域快拍x(t)进行l点快速傅里叶变换，生成频域快照，对于第l个fft单元、第m个阵元和第n个频域快照，可以写出：

15、

16、xm,l(n)、s0,l(n)、nm,l(n)分别代表在频率fl＝(l-1)/lts处的傅里叶变换，ts为采样周期，中心频率信号的阵列导向矢量模型可以写作：

17、

18、第n个频域快拍按照信号结构写为：

19、

20、(3)互谱密度矩阵(csdm)计算：

21、

22、(4)导向协方差矩阵(stcm)计算：

23、对于任意角度导向协方差矩阵为：

24、

25、stcm的结构可以写为：

26、

27、其中为期望信号总功率，为第k个干扰信号在第l个频率处的功率，为高斯白噪声总功率，其中tl(θ)为第l个频率的预导向矩阵形式为：

28、

29、进一步，所述步骤三，采用rcb的方法校正每个频点的期望信号导向矢量，校正预导向矩阵，包括：

30、(1)在每个频点上解决期望信号导向矢量估计问题：

31、

32、其中为先验知识，为假设的期望信号导向矢量；al为要估计的真实期望信号导向矢量；优化问题的最优解的形式为

33、

34、其中λl为对应频率处期望信号导向矢量使用由拉格朗日乘子法获得的对角加载因子，λl按以下步骤取得，首先将进行特征值分解：

35、

36、其中u包含的特征向量，γ为对应特征向量的特征值组成的对角矩阵，特征值为γ1≥γ2≥…≥γm，令：

37、

38、对角加载因子λl可以由以下方程解出：

39、

40、zm为向量z的第m个元素，方程的解需要满足以下不等式：

41、

42、对估计导向矢量进行归一化：

43、

44、(2)构造预导向矩阵：

45、在第l个频点的预导向矩阵构造为：

46、

47、进一步，所述步骤四，包括：

48、(1)使用由步骤三得到的预导向矩阵用来计算期望信号方向上的导向协方差矩阵

49、

50、(2)计算stmv谱：

51、

52、其中1＝[11...1]t，利用估计的stmv谱计算噪声功率和期望信号功率，算法中的积分采用模拟方式实现，设置在每个角度扇区采样点为2500，将每个扇区高斯白噪声功率的估计为：

53、

54、θr为采样点的角度值，期望信号功率估计为：

55、

56、(3)去除期望信号成分后，重构的stcm可以写为:

57、

58、进一步，所述步骤五，构建优化问题寻找最优的导向矢量解,用于稳健stmv的导向后期望导向矢量估计为：

59、

60、构建优化问题：

61、

62、subject to 1he⊥＝0

63、

64、此优化问题为凸问题，可以通过凸优化工具箱进行求解。

65、进一步，所述步骤六，计算宽带自适应波束形成权矢量，公式如下：

66、

67、本发明的另一目的在于提供一种基于预导向协方差矩阵重构的稳健宽带自适应波束形成系统，所述基于预导向协方差矩阵重构的稳健宽带自适应波束形成系统包括：

68、预导向矩阵估计模块，用于使用稳健波束形成准则重新估计预导向矩阵，得到更准确的导向协方差矩阵；

69、stcm重构模块，用于通过stmv宽带谱估计得到期望信号功率和噪声功率，在新估计的导向协方差矩阵中去除期望信号部分；

70、导向矢量优化模块，用于进一步优化用于波束形成的导向矢量；

71、权矢量计算模块，用于计算宽带自适应波束形成权矢量。

72、本发明的另一目的在于提供一种计算机设备，所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行所述基于预导向协方差矩阵重构的稳健宽带自适应波束形成方法的步骤。

73、本发明的另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行所述基于预导向协方差矩阵重构的稳健宽带自适应波束形成方法的步骤。

74、本发明的另一目的在于提供一种信息数据处理终端，所述信息数据处理终端用于实现所述基于预导向协方差矩阵重构的稳健宽带自适应波束形成系统。

75、结合上述的技术方案和解决的技术问题，本发明所要保护的技术方案所具备的优点及积极效果为：

76、第一、本发明针对stmv算法中其导向协方差矩阵(stcm)误差和导向矢量误差，设计了一种稳健stmv算法。该算法主要通过稳健波束形成(rcb)准则估计了更准确的每个频点的期望信号导向矢量，进而构造每个频点的准确的预导向矩阵，此操作会提高预导向的精度，而且会对抗各种类型的导向矢量误差。然后通过stmv宽带谱估计方法，估计了期望信号功率用以重构干扰加噪声导向协方差矩阵，这样可以有效减轻期望信号在stcm中从而导致的自零效应，相比其他宽带stmv算法具有更好的性能。

77、第二，把技术方案看做一个整体或者从产品的角度，本发明所要保护的技术方案具备的技术效果和优点，具体描述如下：

78、使用了宽带stmv谱积分的方法，估计期望信号与噪声得以在导向协方差矩阵中扣除期望信号分量，使得宽带波束形成避免了自零现象的产生，即使期望信号导向矢量出现偏差，输出信干噪比也不会剧烈下降。

79、第三，作为本发明的权利要求的创造性辅助证据，还体现在以下几个重要方面：

80、1)提高波束形成的精度和准确性：该方法通过对预导向协方差矩阵的重构和导向矢量权值的优化，可以有效地提高波束形成的精度和准确性，提高了信号处理的效率和精度。

81、2)改善系统的鲁棒性和可靠性：该方法引入了稳健波束形成准则，可以在存在异常值或噪声时仍然保持较好的波束形成性能，提高了系统的鲁棒性和可靠性。

82、3)适应复杂的通信环境：该方法的稳健性和适应性特别适用于复杂的通信环境，可以在信号强烈受到干扰和噪声的情况下，仍然保持较好的波束形成性能。

83、4)提高系统的实时性和可操作性：该方法具有较快的计算速度和较低的计算复杂度，可以实现实时处理和快速响应，提高了系统的实时性和可操作性。