一種傳感器陣列的穩(wěn)健自適應(yīng)波束形成方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及陣列信號處理技術(shù)領(lǐng)域，更具體地說，涉及一種傳感器陣列的穩(wěn)健自 適應(yīng)波束形成方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 陣列信號處理在聲納、雷達(dá)、無線通信、醫(yī)學(xué)成像、地質(zhì)勘探、射電天文學(xué)等多種領(lǐng) 域具有廣泛應(yīng)用，而波束形成是陣列信號處理的一個(gè)非常重要的任務(wù)，其主要功能包括：形 成陣列接收系統(tǒng)的方向性；進(jìn)行空域?yàn)V波；抑制空間干擾與環(huán)境噪聲，提高信噪比；估計(jì)信 號到達(dá)方向，進(jìn)行多目標(biāo)分辨；為信號源定位創(chuàng)造條件；為目標(biāo)識別提供信息等。波束形成 的處理過程為：采用空間分布的陣列采集數(shù)據(jù)，然后對所采集的陣列數(shù)據(jù)進(jìn)行線性加權(quán)組 合處理得到一個(gè)標(biāo)量波束輸出，相應(yīng)的處理器稱為波束形成器。根據(jù)處理過程的不同，波束 形成器可以分為常規(guī)波束形成器，即加權(quán)系數(shù)確定后不變的波束形成器；以及自適應(yīng)波束 形成器，即隨著應(yīng)用環(huán)境變化能夠不斷進(jìn)行加權(quán)系數(shù)調(diào)整的波束形成器。
[0003] 相對于常規(guī)波束形成器，自適應(yīng)波束形成器具有更好的方位分辨力和更強(qiáng)的干擾 抑制能力。但在實(shí)際場景中，如被動聲納、無線通信、麥克風(fēng)陣列與天文學(xué)等，陣列觀測數(shù) 據(jù)中除了包含干擾信號和噪聲外，還包含陣列的期望信號，而且期望信號的假想響應(yīng)與真 實(shí)響應(yīng)之間往往存在失配現(xiàn)象，例如：由觀察方向誤差，陣形標(biāo)定誤差，未知波前扭曲與信 號衰減，遠(yuǎn)近場效應(yīng)，局部散射，環(huán)境非平穩(wěn)造成的信號和噪聲幅度與相位起伏等導(dǎo)致的失 配。事實(shí)證明，即使存在輕微的失配現(xiàn)象也將導(dǎo)致自適應(yīng)波束形成器的波束性能和收斂速 率嚴(yán)重下降，即自適應(yīng)波束形成器的穩(wěn)健性較差。
[0004] 為了提高自適應(yīng)波束形成器的穩(wěn)健性，人們提出來了一系列的穩(wěn)健自適應(yīng)波束形 成方法，具有代表性的有：1)基于協(xié)方差矩陣對角加載的穩(wěn)健自適應(yīng)波束形成方法、2)基 于子空間處理的穩(wěn)健自適應(yīng)波束形成方法、3)基于導(dǎo)向向量不確定集的穩(wěn)健自適應(yīng)波束形 成方法。其中第3種方法明確利用了導(dǎo)向向量誤差信息，能夠根據(jù)導(dǎo)向向量誤差的橢圓不 確定集來精確計(jì)算協(xié)方差矩陣的對角加載量，在穩(wěn)健性、方位分辨能力、及干擾抑制能力等 各方面均優(yōu)于前兩種方法，但該穩(wěn)健自適應(yīng)波束形成方法存在所謂的性能飽和問題，即當(dāng) 輸入信噪比較大時(shí)，隨著輸入信噪比的增加，輸出信號功率與干擾加噪聲功率之比沒有明 顯增加。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 為了有效解決現(xiàn)有的穩(wěn)健自適應(yīng)波束形成方法的性能飽和問題，本發(fā)明提供了一 種基于空間功率譜匹配的穩(wěn)健自適應(yīng)波束形成方法。隨著輸入信噪比的增加，本發(fā)明方法 的輸出信號功率與干擾加噪聲功率之比逐漸增加，而且其波束形成性能與理想情況下的波 束形成性能之間的差距逐漸減小，從而很好地解決了穩(wěn)健自適應(yīng)波束形成方法中的性能飽 和問題。
[0006] 本發(fā)明的技術(shù)方案是：利用N次快拍的陣列觀測數(shù)據(jù)計(jì)算出陣列觀測數(shù)據(jù)的協(xié) 方差矩陣根據(jù)陣元個(gè)數(shù)M，波數(shù)k，及各陣元的空間三維坐標(biāo)PdP；；，. . .，pM，計(jì)算導(dǎo)向向 量a;根據(jù)樣本協(xié)方差矩陣i和導(dǎo)向向量a計(jì)算陣列觀測數(shù)據(jù)的空間功率譜P;根據(jù)空間功 率譜P的譜峰位置，以及與方位區(qū)間有關(guān)的先驗(yàn)信息?s'和Θ/，確定期望信號的方位區(qū) 間及干擾信號的方位區(qū)間；對方位區(qū)間Θ5和Θ:之外的空間功率譜取平均，計(jì)算得到 平均噪聲功率Navg;通過凸優(yōu)化的方法，得到重構(gòu)的信號協(xié)方差矩陣良，使得利用信號協(xié)方 差矩陣I計(jì)算得到的空間功率譜在方位區(qū)間@5上與空間功率譜P相匹配，而在方位區(qū)間 ?s之外與平均噪聲功率Navg相匹配；通過凸優(yōu)化的方法，得到重構(gòu)的干擾加噪聲協(xié)方差矩 陣li?，使得利用干擾加噪聲協(xié)方差矩陣匕計(jì)算得到的空間功率譜在方位區(qū)間~上與 空間功率譜P相匹配，而在方位區(qū)間Θ:之外與平均噪聲功率Navg相匹配；通過計(jì)算矩陣 中與最大特征值對應(yīng)的特征向量得到波束形成器系數(shù)。
[0007] 本發(fā)明的有益效果是：（1)有效地解決了穩(wěn)健自適應(yīng)波束形成過程中的性能飽和 問題。本發(fā)明在計(jì)算波束形成器系數(shù)時(shí)，使用了重構(gòu)的干擾加噪聲協(xié)方差矩陣沒_而不是 直接使用樣本協(xié)方差矩陣1，因此期望信號功率的強(qiáng)弱不會影響到波束形成性能，從而有 效地解決了性能飽和問題；(2)有效地解決了自適應(yīng)波束形成過程中的穩(wěn)健性問題。本發(fā) 明在計(jì)算波束形成器系數(shù)時(shí)，使用了重構(gòu)的信號協(xié)方差矩陣瓦，因此即使期望信號的假想 響應(yīng)與真實(shí)響應(yīng)之間存在一定程度的失配現(xiàn)象，波束形成的穩(wěn)健性仍然較高；（3)有效地 解決了自適應(yīng)波束形成過程中收斂速率較慢的問題。在本發(fā)明計(jì)算得到的干擾加噪聲協(xié)方 差矩陣奮，,,中，基本不存在期望信號分量，從而顯著提高了波束形成的收斂速率；(4)有效 地解決了自適應(yīng)波束形成過程中因先驗(yàn)信息不容易獲取而導(dǎo)致的實(shí)施不方便的問題。本發(fā) 明在計(jì)算波束形成器系數(shù)時(shí)，僅需要知道陣元個(gè)數(shù)M，各陣元的空間三維坐標(biāo)Pl，p2, . . .，pM， 以及與方位區(qū)間有關(guān)的先驗(yàn)信息'和而上述先驗(yàn)信息在實(shí)際應(yīng)用中較容易獲取， 因此本發(fā)明方法實(shí)施起來更加方便。
【附圖說明】
[0008] 圖1為本發(fā)明所提供的陣列穩(wěn)健自適應(yīng)波束形成方法的流程圖；
[0009] 圖2為仿真實(shí)驗(yàn)中不同輸入信噪比下的波束形成器性能示意圖；
[0010] 圖3為仿真實(shí)驗(yàn)中不同快拍數(shù)下的波束形成器性能示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0011] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明提供的傳感器陣列穩(wěn)健自適應(yīng)波束形成方法進(jìn)行詳細(xì)說 明。
[0012] 圖1是本發(fā)明所提供的陣列穩(wěn)健自適應(yīng)波束形成方法的流程圖。本發(fā)明的技術(shù)方 案是：一種傳感器陣列的穩(wěn)健自適應(yīng)波束形成方法，具體包括下述步驟：
[0013] 第一步：計(jì)算空間功率譜
[0014] 首先，利用下式計(jì)算陣列觀測數(shù)據(jù)的協(xié)方差矩陣;§，即：
[0015]
[0016] 上式中，（·）Η表示共輒轉(zhuǎn)置運(yùn)算；x(n)為MX1維陣列觀測數(shù)據(jù)向量，其中Μ表示 陣元的個(gè)數(shù)；Ν為快拍數(shù)，且Ν的取值應(yīng)至少大于或等于陣元個(gè)數(shù)Μ，具體大小根據(jù)實(shí)際情況 決定。
[0017] 然后，根據(jù)陣元個(gè)數(shù)Μ，波數(shù)k，及各陣元的空間三維坐標(biāo)Pl，p2, . . .，ρΜ，計(jì)算導(dǎo)向 向量a，即：
[0018] a=[exp(_jVp!)，exp(_jkTp2)，· ··，exp(_jkTpM)]τ
[0019] 上式中，（·）T表示轉(zhuǎn)置運(yùn)算。最后，利用樣本協(xié)方差矩陣1及導(dǎo)向向量a計(jì)算空 間功率譜P，即：
[0020]
[0021] 上式中，（·）1表示矩陣求逆運(yùn)算。
[0022] 第二步：確定方位區(qū)間及平均噪聲功率
[0023] 首先觀察空間功率譜P，并根據(jù)已知的期望信號的方位區(qū)間Θ/，找出與期望信號 對應(yīng)的譜峰，然后根據(jù)該譜峰所在的位置確定期望信號的實(shí)際方位區(qū)間?s，其中方位區(qū)間 表示一個(gè)包含期望信號方位或干擾信號方位的角度范圍。然后觀察同樣的空間功率譜P，并 根據(jù)已知的干擾信號的方位區(qū)間Θ/，找出與干擾信號對應(yīng)的譜峰，然后根據(jù)該譜峰所在 的位置確定干擾信號的方位區(qū)間Θ:。
[0024] 第三步：計(jì)算平均噪聲功率
[0025] 根據(jù)空間功率譜Ρ，期望信號的方位區(qū)間?s，以及干擾信號的方位區(qū)間Θ:，計(jì)算 在方位區(qū)間Θ:之外的空間功率譜的平均值，從而得到平均噪聲功率Navg。
[0026] 第四步：信號協(xié)方差矩陣重構(gòu)
[0027] 首先，對期望信號的方位區(qū)間?5進(jìn)行等間隔采樣，采樣間隔一般要小于或等于 〇.Γ，得到方位采樣值θ1;θ2，...，θκ;并對期望信號的方位補(bǔ)區(qū)間進(jìn)行等間隔采樣， 采樣間隔一般要小于或等于Γ，得到方位采樣值舞，為，…,?，其中方位補(bǔ)區(qū)間豆5表示在方 位區(qū)間? 5之外的角度范圍，也就是說，方位區(qū)間Θs與方位補(bǔ)區(qū)間的并集等于總的角度 范圍[-90°，90。]。
[0028] 然后，利用方位采樣值θΘ2, . ..，Θ …，疼，構(gòu)造兩個(gè)導(dǎo)向向量組合矩陣 V和W如下：
[0029]V=[a(ΘJ，a(Θ2)，· · ·，a(θκ)]
[0030]
[0031] 上式中，a(ΘJ，a(Θ2)，· · ·，a(θκ)分別表不對應(yīng)方位米樣值ΘΘ2,