一種基于對(duì)角加載的陣列天線自適應(yīng)波束形成方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于自適應(yīng)波束形成【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種基于對(duì)角加載的陣列天線自適應(yīng)波束形成方法，其具體步驟為：首先通過陣列天線得到樣本數(shù)據(jù)，并計(jì)算該樣本數(shù)據(jù)的協(xié)方差矩陣，將其作為干擾加噪聲的協(xié)方差矩陣的估計(jì)值；利用對(duì)角加載方法改進(jìn)協(xié)方差矩陣；求解帶有約束的優(yōu)化問題估計(jì)期望信號(hào)的導(dǎo)向矢量。最后的仿真結(jié)果驗(yàn)證了所提的兩種改進(jìn)方法的有效性。
【專利說明】一種基于對(duì)角加載的陣列天線自適應(yīng)波束形成方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于自適應(yīng)波束形成【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種基于對(duì)角加載的陣列天線自 適應(yīng)波束形成方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 自適應(yīng)波束形成作為陣列信號(hào)處理的標(biāo)志之一，在過去的幾十年已經(jīng)得到了深 入的研究，廣泛應(yīng)用于雷達(dá)、無線通訊、聲納、地震勘探和醫(yī)學(xué)成像等多個(gè)領(lǐng)域。隨著在工 程實(shí)踐中的應(yīng)用，由于陣列天線不可避免的存在各種誤差，如陣元位置擾動(dòng)誤差、互耦、陣 元響應(yīng)誤差、訓(xùn)練樣本受污染以及訓(xùn)練樣本數(shù)過少等，都會(huì)造成期望信號(hào)的導(dǎo)向矢量的 估計(jì)值與實(shí)際值失配，對(duì)自適應(yīng)波束形成性能造成不同程度的影響，使得對(duì)自適應(yīng)波束 形成的穩(wěn)健性的要求也越來越高。因此，對(duì)于穩(wěn)健的自適應(yīng)波束形成（robust adaptive beamforming，RAB)方法的研究顯得日益重要。
[0003] 陣列天線通常采用沿航跡向的均勻線陣，對(duì)接收數(shù)據(jù)沿時(shí)間維進(jìn)行采樣得到樣本 數(shù)據(jù)，利用得到的樣本數(shù)據(jù)估計(jì)干擾加噪聲的協(xié)方差矩陣，然后利用協(xié)方差矩陣的估計(jì)值 計(jì)算期望信號(hào)的導(dǎo)向矢量以及輸出的信干噪比（SINR)，其中估計(jì)精度和性能損失主要受 樣本數(shù)的影響。目前對(duì)于小樣本數(shù)以及訓(xùn)練樣本數(shù)據(jù)中包含期望信號(hào)的情況下，能夠有效 的估計(jì)期望信號(hào)的導(dǎo)向矢量的穩(wěn)健自適應(yīng)波束形成方法較少，并且這些穩(wěn)健波束形成方法 的輸出性能與理想情況下的輸出性能還有一定的差距。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于提出一種基于對(duì)角加載的陣列天線自適應(yīng)波束形成方法，本發(fā) 明利用對(duì)角加載技術(shù)先對(duì)樣本數(shù)據(jù)協(xié)方差進(jìn)行修正，然后估計(jì)期望信號(hào)的導(dǎo)向矢量。
[0005] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明針對(duì)小樣本數(shù)以及訓(xùn)練樣本受污染的情況下得到的樣本 數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣，首先利用對(duì)角加載技術(shù)對(duì)樣本數(shù)據(jù)的協(xié)方差矩陣進(jìn)行修正，再利用修正 后的樣本數(shù)據(jù)的協(xié)方差矩陣計(jì)算期望信號(hào)的導(dǎo)向矢量以及輸出的信干噪比，本發(fā)明采用如 下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)。
[0006] -種基于對(duì)角加載的陣列天線自適應(yīng)波束形成方法包括以下步驟：
[0007] 步驟1，利用陣列天線接收來自外部的信號(hào)，陣列天線為由M個(gè)陣元組成的均勻線 陣，陣列天線的陣元間距表示為d，d= X/2, A表示陣列天線接收信號(hào)的波長(zhǎng)；陣列天線 在k時(shí)刻接收的信號(hào)表示為X (k)，陣列天線接收的信號(hào)包括期望信號(hào)、干擾信號(hào)和噪聲；
[0008] 步驟2,得出干擾加噪聲的協(xié)方差矩陣的估計(jì)值R ;
[0009] 步驟3,利用對(duì)角加載方法對(duì)干擾加噪聲的協(xié)方差矩陣的估計(jì)值反進(jìn)行改進(jìn)，得 出干擾加噪聲的協(xié)方差矩陣的改進(jìn)后估計(jì)值^食+0-1，其中，。表示設(shè)定的大于 〇的對(duì)角加載量，I為MXM維的單位矩陣；
[0010] 步驟4,用矩陣A表示一個(gè)MXM維的半正定矩陣，建立以下關(guān)于矩陣A的優(yōu)化模 型：

【權(quán)利要求】
1. 一種基于對(duì)角加載的陣列天線自適應(yīng)波束形成方法，其特征在于，包括以下步驟： 步驟1，利用陣列天線接收來自外部的信號(hào)，陣列天線為由M個(gè)陣元組成的均勻線陣， 陣列天線的陣元間距表示為d，d= X/2, A表示陣列天線接收信號(hào)的波長(zhǎng)；陣列天線在k 時(shí)刻接收的信號(hào)表示為X (k)，陣列天線接收的信號(hào)包括期望信號(hào)、干擾信號(hào)和噪聲； 步驟2,得出干擾加噪聲的協(xié)方差矩陣的估計(jì)值R ; 步驟3,利用對(duì)角加載方法對(duì)干擾加噪聲的協(xié)方差矩陣的估計(jì)值食進(jìn)行改進(jìn)，得出干 擾加噪聲的協(xié)方差矩陣的改進(jìn)后估計(jì)值鼓^ ^l=倉(cāng)+0-1，其中，。表示設(shè)定的大于O的 對(duì)角加載量，I為MXM維的單位矩陣； 步驟4,用矩陣A表示一個(gè)MXM維的半正定矩陣，建立以下關(guān)于矩陣A的優(yōu)化模型：
A彡0 其中，Tr (?)表示矩陣的跡，上標(biāo)-1表示矩陣的逆：
定的只包含期望信號(hào)的入射角的角度區(qū)域，白=8-€)，B表示任意信號(hào)的入射角的角度 區(qū)域；d(0) = [l，ej2nd/Asin0，…，ej2nd/A(M_1)sin0] H，0表示期望信號(hào)的入射角，上標(biāo)H表示
步驟5,求解步驟4所述的優(yōu)化問題，得出矩陣A的最優(yōu)解A%將矩陣Y按如下公式進(jìn) 行分解，A# = Y*YH，其中，Y表示MXr維的列滿秩矩陣； 得出陣列天線接收的期望信號(hào)的導(dǎo)向矢量的估計(jì)值備，如果r = 1，備=Y ;如果r>l， 貝1U = Yv，其中，V為rXl維的向量，
卜I I的含義為模值； 步驟6,根據(jù)步驟5得出的陣列天線接收的期望信號(hào)的導(dǎo)向矢量的估計(jì)值S，進(jìn)行陣列 天線自適應(yīng)波束形成。
2. 如權(quán)利要求1所述的一種基于對(duì)角加載的陣列天線自適應(yīng)波束形成方法，其特征在 于，在步驟1中，陣列天線在k時(shí)刻接收的信號(hào)x(k)表示為： X (k) =s (k) +i (k) +n (k) 其中，k = 1，2, ...，K，K表示陣列天線接收的信號(hào)的巾貞數(shù)，s (k)表示陣列天線在k時(shí) 刻接收的期望信號(hào)，i(k)表示陣列天線在k時(shí)刻接收的干擾信號(hào)，n(k)表示陣列天線在k 時(shí)刻接收的噪聲； 陣列天線在k時(shí)刻接收的期望信號(hào)s (k)表示為： s (k) =s (k) a, 其中，s (k)表示陣列天線在k時(shí)刻接收的期望信號(hào)的幅度數(shù)據(jù)，a表示陣列天線接收的 期望信號(hào)的導(dǎo)向矢量， a _ [I ^ j2 Ti d/ A sin 0 --? @ J.2 " d/人(M-I) sin 0 ] H 其中，d為陣列天線的陣元間距，上標(biāo)H表示矩陣的共軛轉(zhuǎn)置，M為陣列天線的陣元數(shù)。
3. 如權(quán)利要求1所述的一種基于對(duì)角加載的陣列天線自適應(yīng)波束形成方法，其特征在 于，在步驟2中，所述干擾加噪聲的協(xié)方差矩陣的估計(jì)值反為：
其中，K表示陣列天線接收的信號(hào)的幀數(shù)，x(i)表示陣列天線在i時(shí)刻接收的信號(hào)，i =1，2,. . .，K,上標(biāo)H表示矩陣的共軛轉(zhuǎn)置。
4. 如權(quán)利要求1所述的一種基于對(duì)角加載的陣列天線自適應(yīng)波束形成方法，其特征在 于，在步驟5中，如果r>l，則V與矩陣D的所有特征向量的和成正比，矩陣D為：
【文檔編號(hào)】H04B7/06GK104360338SQ201410623791
【公開日】2015年2月18日 申請(qǐng)日期:2014年11月6日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月6日
【發(fā)明者】朱圣棋, 胡海洋, 霍恩來, 高永嬋, 楊東, 廖桂生, 陶海紅 申請(qǐng)人:西安電子科技大學(xué)