基于迭代算法的穩(wěn)健波束形成方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及穩(wěn)健自適應(yīng)波束形成處理技術(shù)。本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)中，強期望信號背景下陣列導(dǎo)向矢量失配的問題，提出一種基于迭代算法的穩(wěn)健波束形成方法，首先，使用PI譜計算出PI算法的權(quán)值；其次，利用PI譜及PI算法的權(quán)值在期望信號可能空域范圍外重構(gòu)干擾噪聲協(xié)方差矩陣；最后，利用重構(gòu)的干擾噪聲協(xié)方差矩陣，計算波束形成器的最優(yōu)權(quán)值，再重復(fù)循環(huán)PI算法，從而更新了波束形成器的最優(yōu)權(quán)向量。通過LMS迭代功率倒置算法，重構(gòu)干擾噪聲協(xié)方差矩陣，從而直接避免傳統(tǒng)算法中的矩陣求逆運算的方法。適用于基于迭代算法的穩(wěn)健波束形成方法。
【專利說明】基于迭代算法的穩(wěn)健波束形成方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及穩(wěn)健自適應(yīng)波束形成處理技術(shù)，特別涉及基于迭代算法的穩(wěn)健波束形成方法
【背景技術(shù)】
[0002]陣列信號處理最主要的研究內(nèi)容之一就是波束形成技術(shù)，以此可分為普通波束形成技術(shù)和自適應(yīng)波束形成技術(shù)。利用波束形成技術(shù)，可以增強有用信號同時抑制干擾。普通波束形成技術(shù)的權(quán)系數(shù)是固定的，抗干擾性較差。而自適應(yīng)波束形成等效為一維納濾波過程，能夠隨著變化的信號環(huán)境自動調(diào)節(jié)權(quán)系數(shù)，使得波束主瓣對準(zhǔn)期望信號方向以增強有用信號，零陷對準(zhǔn)干擾方向以抑制干擾，從而使陣列的輸出信號干擾噪聲比SINR達(dá)到最大，可以有效提高系統(tǒng)的性能，因此得到廣泛的應(yīng)用。
[0003]自適應(yīng)波束形成器可以隨著變化的信號環(huán)境而自動調(diào)整權(quán)系數(shù)，使波束主瓣對準(zhǔn)期望信號到來方向，干擾方向則形成零陷，以達(dá)到增強有用信號抑制干擾的目的，使得輸出信干噪比達(dá)到最大。但是由于不可避免的存在各種誤差，如陣元響應(yīng)誤差、通道頻率響應(yīng)誤差、陣元位置擾動誤差、互耦等，而自適應(yīng)波束形成技術(shù)對這些因素較為敏感，尤其是利用信號加干擾和噪聲協(xié)方差矩陣的自適應(yīng)方法，當(dāng)信噪比較大時，雖然干擾零點位置變化不大，但是期望信號方向上也可能形成零陷，導(dǎo)致輸出信干噪比嚴(yán)重下降。因此穩(wěn)健波束形成技術(shù)成為理論和工程界關(guān)心的重要問題。
[0004]近十幾年來，穩(wěn)健波束形成理論得到了飛速的發(fā)展，涌現(xiàn)出一大批性能優(yōu)良的算法，這些算法有對角加載的穩(wěn)健波束形成算法，基于特征空間的穩(wěn)健波束形成算法，而很多學(xué)者將凸優(yōu)化理論和方法引入到穩(wěn)健波束形成算法中，建立了失配模型下波束形成模型，在各種失配模型下推導(dǎo)了最優(yōu)的波束形成方法。1969年，J.Capon提出了著名的Capon波束形成，即:在滿足信號無失真的情況下，最小化輸出功率，通常真實的協(xié)方差矩陣未知，常用真實的協(xié)方差矩陣的一致估值量樣本協(xié)方差矩陣代替。當(dāng)有用信號的陣列導(dǎo)向矢量準(zhǔn)確獲得時，Capon波束形成具有較好的分辨率和干擾抑制能力，但在有用信號的陣列導(dǎo)向矢量不能準(zhǔn)確獲得時，Capon波束形成的性能會嚴(yán)重的下降。為了克服陣列導(dǎo)向矢量誤差，可以采用多點約束、導(dǎo)數(shù)約束或是積分約束，通過附加的約束來展寬自適應(yīng)波束主瓣，降低對期望信號指向誤差的敏感性，從而改善穩(wěn)健性，但缺點是額外的約束浪費了系統(tǒng)的自由度，降低了系統(tǒng)干擾抑制的能力，且對其他類型的失配不具有良好的穩(wěn)健性。
[0005]但是上述方法都不能解決強期望信號背景下導(dǎo)向矢量失配的問題:當(dāng)訓(xùn)練序列中含有期望信號的時候，信噪比較大時且期望信號到來方向并不準(zhǔn)確已知時，在實際期望信號方向上會形成零陷，使得輸出SINR嚴(yán)重下降。因此，強期望信號背景下的穩(wěn)健自適應(yīng)波束形成技術(shù)，成為一個新的問題。當(dāng)期望信號的功率提高到一定程度時和期望信號來波方向存在誤差時，現(xiàn)有的自適應(yīng)抗干擾調(diào)零算法的性能都會下降，甚至完全失效。

【發(fā)明內(nèi)容】
[0006]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題，就是針對現(xiàn)有技術(shù)中，強期望信號背景下陣列導(dǎo)向矢量失配的問題，提出一種基于迭代算法的穩(wěn)健波束形成方法，通過LMS迭代功率倒置(Power Inversion,以下簡稱PI)算法，重構(gòu)干擾噪聲協(xié)方差矩陣，從而直接避免傳統(tǒng)算法中的矩陣求逆運算的方法。
[0007]本發(fā)明解決所述技術(shù)問題，采用的技術(shù)方案是，基于迭代算法的穩(wěn)健波束形成方法，包括以下幾個步驟:
[0008]步驟1、使用PI譜計算出PI算法的權(quán)值；
[0009]步驟2、利用PI譜及PI算法的權(quán)值在期望信號可能空域范圍外重構(gòu)干擾噪聲協(xié)方差矩陣；
[0010]步驟3、利用重構(gòu)的干擾噪聲協(xié)方差矩陣，計算波束形成器的最優(yōu)權(quán)值，再重復(fù)循環(huán)PI算法，從而更新了波束形成器的最優(yōu)權(quán)向量。
[0011]具體的，所述步驟I中，利用LMS算法來迭代計算PI算法的權(quán)值，所述PI算法的權(quán)值，計為wPI ；
[0012]Wpi= [w1； W2, *.., wM]T ；
[0013]其中，M為陣元 數(shù)，T為進(jìn)行轉(zhuǎn)置計算，wM為第M個陣元的PI算法權(quán)值。
[0014]具體的，所述步驟2，包括以下幾個步驟:
[0015]步驟21、根據(jù)PI算法計算出期望信號，根據(jù)期望信號迭代出PI算法的權(quán)向量；
[0016]步驟22、根據(jù)PI算法的權(quán)向量，計算出PI譜估計值；
[0017]步驟23、將PI譜估計值在除去期望信號可能的方向以外的空域內(nèi)進(jìn)行積分，進(jìn)而重構(gòu)干擾噪聲協(xié)方差矩陣。
[0018]進(jìn)一步的,所述步驟21中,令:信號頻率向量,計為a。:
[0019]a0=[l，0，…，0]τ ;
[0020]令:η時刻陣列信號向量,計為χ(η):
[0021 ] X (n) = [X1 (η)，X2 (η)，X3 (η)，…，χΜ (η) ]τ ;
[0022]由PI算法的權(quán)向量約束條件，Wljaci=I,可知PI算法的權(quán)向量第一路的權(quán)值始終為I保持不變，即W1=I ；
[0023]令:輔助權(quán)向量，計為V P1 (η):
[0024]w' PI(n) = [-W2, -w3,..., _wM]τ ；
[0025]令:輔助信號向量，計為V (η):
[0026]X' (n) = [x2(n), X3(η),..., χΜ(η)]τ ；
[0027]則輸出信號，計為y(n):
y(n) = w|*(n)x(n)
[0028]= W1X1 (n)-w^l(n)x'(n)；

=x, (n) — wj!,1 (n)x* (n)
[0029]其中，H表示進(jìn)行求逆轉(zhuǎn)置運算；
[0030]根據(jù)PI算法將第一路信號看作期望信號，所述期望信號，計為d(n)，則:
[0031]d (n) =X1 (η)；
[0032]根據(jù)LMS迭代算法，可以得到如下的遞推公:
【權(quán)利要求】
1.基于迭代算法的穩(wěn)健波束形成方法，其特征在于，包括以下幾個步驟: 步驟1、使用PI譜計算出PI算法的權(quán)值； 步驟2、利用PI譜及PI算法的權(quán)值在期望信號可能空域范圍外重構(gòu)干擾噪聲協(xié)方差矩陣； 步驟3、利用重構(gòu)的干擾噪聲協(xié)方差矩陣，計算波束形成器的最優(yōu)權(quán)值，再重復(fù)循環(huán)PI算法，從而更新了波束形成器的最優(yōu)權(quán)向量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于迭代算法的穩(wěn)健波束形成方法，其特征在于，所述步驟I中，利用LMS算法來迭代計算PI算法的權(quán)值，所述PI算法的權(quán)值，計為wPI ；
Wp1= [W1, W2,..., WM]T ; 其中，M為陣 元數(shù)，T為進(jìn)行轉(zhuǎn)置計算，wM為第M個陣元的PI算法權(quán)值。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于迭代算法的穩(wěn)健波束形成方法，其特征在于，所述步驟2，包括以下幾個步驟: 步驟21、根據(jù)PI算法計算出期望信號，根據(jù)期望信號迭代出PI算法的權(quán)向量； 步驟22、根據(jù)PI算法的權(quán)向量，計算出PI譜估計值； 步驟23、將PI譜估計值在除去期望信號可能的方向以外的空域內(nèi)進(jìn)行積分，進(jìn)而重構(gòu)干擾噪聲協(xié)方差矩陣。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于迭代算法的穩(wěn)健波束形成方法，其特征在于，所述步驟21中，令:信號頻率向量，計為％:
a0=[l, O,…，0]τ ； 令:η時刻陣列信號向量，計為χ(η):
X (n) = [X1 (η)，χ2 (η)，χ3 (η)，…，χΜ (η) ]τ ; 由PI算法的權(quán)向量約束條件，Zatl=I,可知PI算法的權(quán)向量第一路的權(quán)值始終為I保持不變，即W1=I ； 令:輔助權(quán)向量，計為W' P1 (η):
W' PI (n) = [-W2, -W3,..., -wm]t ； 令:輔助信號向量，計為V (η):
X' (η) = [χ2 (η), X3 (η),..., xM (η) ]τ ； 則輸出信號，計為y (η):
y(n) = Wp,(n)x(n)
=W1X1 (n)-wA+rOx,(η)；
=X1 (η) — Wp" (η)χ,(η) 其中，H表示進(jìn)行求逆轉(zhuǎn)置運算； 根據(jù)PI算法將第一路信號看作期望信號，所述期望信號，計為d(n)，則:
d (n) =X1(η)； 根據(jù)LMS迭代算法，可以得到如下的遞推公:
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于迭代算法的穩(wěn)健波束形成方法，其特征在于，所述步驟22中,算得的PI算法權(quán)向量wPI (η),可以用來計算所需的PI譜估計值,記為:
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于迭代算法的穩(wěn)健波束形成方法，其特征在于，所述步驟23中，使用PI空間譜估計值，將其在除去期望信號可能的方向以外的空域H內(nèi)進(jìn)行積分，進(jìn)而重構(gòu)的干擾噪聲協(xié)方差矩陣Rin(H)； 令:時亥IJ η的重構(gòu)的干擾噪聲協(xié)方差矩陣估計值為ftjn),則
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于迭代算法的穩(wěn)健波束形成方法，其特征在于，所述步驟3包括以下幾個步驟: 步驟31、根據(jù)最小功率無失真響應(yīng)準(zhǔn)則，建立最優(yōu)化問題； 步驟32、根據(jù)最優(yōu)化問題計算出波束形成器的權(quán)值； 步驟33、根據(jù)波束形成器權(quán)值的更新得出波束形成器最優(yōu)權(quán)向量的迭代公式。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的基于迭代算法的穩(wěn)健波束形成方法，其特征在于，所述步驟31，根據(jù)最小功率無失真響應(yīng)準(zhǔn)則，代入η時刻的波束形成器權(quán)矢量，計為w(n)，將最優(yōu)化問題表示為:
min w (n) aRin (n) w (η) ；
s.t.w (η) Ha ( θ j) =1 其中，min表示求最小值，s.t.表示極值條件，apj表示為角度為Θ i時的信號頻率向量，并滿足權(quán)向量的約束條件。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的基于迭代算法的穩(wěn)健波束形成方法，其特征在于，所述步驟32中，使用Lagrange代價函數(shù)，記為J1 (w (η)):
Ji (w (η)) =W (η) aRin (η) w (η) + λ (η) (w (η) Ha ( θ j)-1)；其中，λ (η)為Lagrange乘子； 對波束形成器權(quán)矢量采用梯度方向搜索的方法，此時波束形成器權(quán)矢量w(n)通過最優(yōu)化條件極值可以表示成最優(yōu)權(quán)向量Wtl(Il)，則波束形成器最優(yōu)權(quán)向量的迭代表達(dá)式如下:
【文檔編號】H04B7/06GK103944624SQ201410113568
【公開日】2014年7月23日 申請日期:2014年3月25日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月25日
【發(fā)明者】謝菊蘭, 王劍鋒, 張俊波, 李迅, 羅倩, 李會勇, 王旭 申請人:電子科技大學(xué)