一種基于協(xié)方差矩陣擴(kuò)展的半虛擬天線陣波束形成方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于天線陣列的控制領(lǐng)域，尤其涉及一種基于協(xié)方差矩陣擴(kuò)展的半虛擬天 線陣波束形成方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 自適應(yīng)天線波束成形技術(shù)能夠在期望信號方向形成最大的增益，在干擾方向形成 零陷，被廣泛應(yīng)用于雷達(dá)，聲納，移動通信等領(lǐng)域。最小方差無畸變相應(yīng)（MVDR，又名Capon) 波束形成器可以提高自適應(yīng)天線的輸出信干噪比，是一種最常見的波束形成器，但其旁瓣 較高，而且無法在干擾數(shù)超過天線陣自由度的情況下工作。
[0003] 虛擬天線陣就是針對自適應(yīng)天線無法在干擾數(shù)超過天線陣自由度情況下工作 的問題，在自適應(yīng)天線基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種天線形式，主要研究增加虛擬陣元，將實 際天線陣變換到虛擬天線陣的方法，既用于D0A估計，也用于波束形成，主要包括高階 統(tǒng)計量法（參考文獻(xiàn)：基于高階統(tǒng)計量的自適應(yīng)非線性波束形成新算法[J].電子學(xué) 報，1997,25 (3) :102-104)和內(nèi)插變換法（Aneffectivetechniqueforenhancing anti-interferenceperformanceofadaptivevirtualantennaarray[J].APPLIED COMPUTATIONALELECTROMAGNETICSSOCIETYJOURNAL, 2011，26 (3): 234-240)。同自適應(yīng)天 線波束形成相比，虛擬天線陣波束形成不僅適用于干擾數(shù)超過天線陣自由度的情況，還可 以獲得更高的輸出信干噪比，也就是說虛擬天線陣可以比自適應(yīng)天線抑制更多的干擾和獲 得更好的天線陣性能。
[0004] 虛擬天線技術(shù)通過構(gòu)造虛擬陣元，獲得了更好的天線陣性能，這是因為虛擬陣元 的存在相當(dāng)于增加了天線陣的陣元數(shù)，存在額外的處理增益。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是提供一種既能獲得比自適應(yīng)天線更好的性能，又能抑制超過天線 陣自由度干擾的，基于協(xié)方差矩陣擴(kuò)展的半虛擬天線陣波束形成方法。
[0006] -種基于協(xié)方差矩陣擴(kuò)展的半虛擬天線陣波束形成方法，包括以下步驟，
[0007] 步驟一：將陣列接收數(shù)據(jù)的協(xié)方差矩陣R進(jìn)行擴(kuò)展，得到協(xié)方差擴(kuò)展矩陣 R=I?R；
[0008]步驟二：將天線陣列導(dǎo)向矢量a(0)進(jìn)行擴(kuò)展，得到半虛擬天線陣列的導(dǎo)向矢量 b(6^)=?(Θ)??(Θ)ι
[0009] 步驟三：計算基于協(xié)方差矩陣擴(kuò)展的Capon波束形成器的最優(yōu)權(quán)為：
[0010]
[0011] 其中，b(0d)為半虛擬天線陣的期望信號導(dǎo)向矢量；
[0012] 步驟四：利用最優(yōu)權(quán)進(jìn)行波束賦形，得到陣列天線的輸出數(shù)據(jù)。
[0013] 有益效果：
[0014] 針對自適應(yīng)陣列天線波束形成在干擾數(shù)超過天線陣自由度的情況下失效的問題。 本發(fā)明通過對協(xié)方差矩陣的擴(kuò)展和陣列導(dǎo)向矢量的擴(kuò)展，形成虛擬陣元，能夠構(gòu)建更多的 約束條件，可以通過約束條件抑制超過天線陣自由度的方向已知的干擾，實現(xiàn)在干擾數(shù)超 過天線陣自由度的情況下工作。
[0015] 本發(fā)明由于構(gòu)造了虛擬陣元，相當(dāng)于增加了陣元數(shù)，獲得了額外的處理增益，輸出 信干噪比與虛擬天線陣波束形成方法相近，高于自適應(yīng)天線波束形成方法，獲得了比自適 應(yīng)天線更好的性能。
【附圖說明】
[0016] 圖1是本發(fā)明的實現(xiàn)步驟示意圖；
[0017] 圖2為干擾數(shù)小于陣元數(shù)時的波束圖；
[0018] 圖3為快拍數(shù)改變時的輸出信干噪比曲線；
[0019] 圖4為輸入信干噪比改變時的輸出信干噪比曲線。
[0020] 圖5為方向未知的干擾加方向已知的干擾數(shù)大于陣元數(shù)時的波束圖。
【具體實施方式】
[0021] 下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0022] 本發(fā)明的目的在于提供一種半虛擬天線波束形成方法，同虛擬天線一樣，既獲得 比自適應(yīng)天線更好的性能，又能抑制超過天線陣自由度的干擾。
[0023] 本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的：
[0024] 本發(fā)明包括如下步驟：
[0025] (1)采用單位矩陣I與陣列接收數(shù)據(jù)的協(xié)方差矩陣R做克羅內(nèi)克積，得到協(xié)方差擴(kuò) 展矩陣1= 。
[0026] (2)通過克羅內(nèi)克積運算擴(kuò)展導(dǎo)向矢量bf) =a(~)?a(捫。
[0027] (3)計算基于協(xié)方差矩陣擴(kuò)展的Capon(CME-Capon)波束形成器的最優(yōu)權(quán)為：
[0028] (4)進(jìn)行波束賦形，得到陣列天線的輸出數(shù)據(jù)。
[0029] 其中：
[0030] I:表示單位矩陣；
[0031] R:表示陣列接收數(shù)據(jù)的二階協(xié)方差矩陣；
[0032] 發(fā):表示克羅內(nèi)克積運算；
[0033] ??:表示協(xié)方差擴(kuò)展矩陣；
[0034] a(Θ):表示天線陣列的導(dǎo)向矢量；
[0035] b(Θ):表示半虛擬天線陣的導(dǎo)向矢量；
[0036] ( · )S表示求逆運算；
[0037] (，，:表示共輒轉(zhuǎn)置；
[0038] W。#:表不Capon波束形成器的最優(yōu)權(quán)矢量；
[0039] :表示CME-Capon波束形成器的最優(yōu)權(quán)矢量；
[0040] a(Θd):表不自適應(yīng)天線期望信號導(dǎo)向矢量；
[0041] b(Θd):表示半虛擬天線陣期望信號導(dǎo)向矢量；
[0042] (·Γ:表示共輒。
[0043] 步驟1中，協(xié)方差擴(kuò)展矩陣也可表示為:t=丨(g)!^，步驟2中，導(dǎo)向矢量也相應(yīng)表示 為b(沒)=a(沒)?a';(6〇,
[0044] 本方法不僅適用于Capon波束形成器的性能改進(jìn)，還適用于任何期望信號導(dǎo)向矢 量已知的自適應(yīng)陣列天線波束成形性能改進(jìn)。
[0045] 本方法不但適用于單用戶陣列天線波束成形，也適用于多用戶陣列天線波束成 形。
[0046] 本發(fā)明涉及的是一種天線陣列的控制方法，提出了一種基于協(xié)方差矩陣擴(kuò)展的半 虛擬天線陣波束形成方法，該方法與自適應(yīng)天線波束形成相比，構(gòu)造了虛擬陣元，相當(dāng)于增 加了陣元數(shù)，能夠獲得額外的處理增益，極大的提高了天線陣的波束形成性能。
[0047] 本發(fā)明包括如下步驟：首先用一個單位矩陣與陣列的采樣協(xié)方差矩陣做克羅內(nèi)克 積，得到協(xié)方差擴(kuò)展矩陣，同時將導(dǎo)向矢量通過克羅內(nèi)克積運算相應(yīng)擴(kuò)展，相當(dāng)于構(gòu)建了虛 擬陣元，將自適應(yīng)天線變換到半虛擬天線陣，再根據(jù)變換后的半虛擬天線陣進(jìn)行波束形成。 與自適應(yīng)天線波束形成相比，本發(fā)明通過構(gòu)造虛擬陣元，獲得了更高的輸出信干噪比，還可 以構(gòu)建更多的約束條件，甚至在方向未知的干擾數(shù)不超過天線陣自由度的情況下，通過約 束條件抑制方向已知的干擾，實現(xiàn)抑制超自由度干擾。
[0048] 參照圖1，本發(fā)明的具體實施步驟如下：
【具體實施方式】 [0049] ：
[0050] 步驟1 :采用單位矩陣I與陣列接收數(shù)據(jù)的協(xié)方差矩陣R做克羅內(nèi)克積，得到協(xié)方 差擴(kuò)展矩陣如：
[0051]
⑴
[0052] 步驟2 :通過克羅內(nèi)克積運算擴(kuò)展導(dǎo)向矢量如：
[0053] b(6〇 =a(6〇 <S)a(6〇 (.2)
[0054] 其中a(0)表示天線陣列導(dǎo)向矢量，b(0)表示半虛擬天線陣的導(dǎo)向矢量。
[0055] 步驟3 :計算基于協(xié)方差矩陣擴(kuò)展的Capon(CME-Capon)波束形成器的最優(yōu)權(quán)為
[0056]
(3;
[0057] 其中表示CME-Capon波束形成器的最優(yōu)權(quán)，b(Θd)表示半虛擬天線陣的期望 信號導(dǎo)向矢量。
[0058] 步驟4 :進(jìn)行波束賦形，得到陣列天線的輸出數(shù)據(jù)。
[0059] 本發(fā)明的方法采用下述仿真進(jìn)行驗證：
[0060]仿真條件：考慮遠(yuǎn)場窄帶情況，自適應(yīng)天線為N元均勻直線陣，陣元間距d為半波 長，各干擾相互獨立，信號與干擾也獨立，陣元數(shù)N= 9,1個期望信號入射角為0°，信噪比 SNR=OdB，2個干擾入射角分別為-50°和40°，干噪比INR= 30dB，快拍數(shù)K= 200,比較CME-Capon波束形成器和Capon波束形成器的性能。
[0061] 圖2為兩種波束形成器的波束圖，圖3為不同快拍數(shù)對應(yīng)的輸出信干噪比曲線， 圖4為不同輸入信噪比對應(yīng)的輸出信干噪比曲線。由圖2可知，CME-Capon波束形成器比 Capon波束形成器的旁瓣低很多，主瓣能量更集中。由圖3可知，CME-Capon波束形成器比 Capon波束形成器的輸出信干噪比高8dB左右，性能更好。由圖4可知，在輸入信干噪比較 低的情況下，即輸入信干噪比低于10dB時，CME-Capon波束形成器的輸出信干噪比超過了 自適應(yīng)天線的理論最優(yōu)值；在輸入信干噪比改變的情況下，CME-Capon波束形成器的輸出 信干噪比始終比Capon波束形成器高8dB左右。
[0062] 仿真條件：天線陣元數(shù)N= 4 ;1個期望信號入射角為0°，信噪比SNR=OdB; 5個干擾，其中2個方向已知的干擾入射角為-20°和35°，3個方向未知的干擾入射角 為-45°，25°和65°，干噪比INR= 30dB;快拍數(shù)K= 200,比較CME-Capon波束形成器 和Capon波束形成器在增加約束條件時的性能。
[0063] 兩種波束形成器均通過約束條件抑制2個方向已知的干擾，其波束圖的仿真結(jié)果 見圖5。從圖5可以看出，CME-Capon波束形成器通過約束條件抑制2個方向已知的干擾 后，仍能抑制3個方向未知的干擾，而Capon波束形成器則不能。這說明CME-Capon波束形 成器與Capon波束形成器相比，由于虛擬陣元的存在，能構(gòu)建更多的約束條件，具有抑制特 定超自由度干擾的能力。
【主權(quán)項】
1. 一種基于協(xié)方差矩陣擴(kuò)展的半虛擬天線陣波束形成方法，其特征在于：包括以下步 驟， 步驟一：將陣列接收數(shù)據(jù)的協(xié)方差矩陣R進(jìn)行擴(kuò)展，得到協(xié)方差擴(kuò)展矩陣??=丨?R; 步驟二：將天線陣列導(dǎo)向矢量a(0)進(jìn)行擴(kuò)展，得到半虛擬天線陣列的導(dǎo)向矢量 b(6〇 =a(6〇g)a(奶； 步驟三：計算基于協(xié)方差矩陣擴(kuò)展的Capon波束形成器的最優(yōu)權(quán)為：其中，ΜΘd)為半虛擬天線陣的期望信號導(dǎo)向矢量； 步驟四：利用最優(yōu)權(quán)進(jìn)行波束賦形，得到陣列天線的輸出數(shù)據(jù)。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于協(xié)方差矩陣擴(kuò)展的半虛擬天線陣波束形成方法。包括以下步驟，步驟一：將陣列接收數(shù)據(jù)的協(xié)方差矩陣進(jìn)行擴(kuò)展，得到協(xié)方差擴(kuò)展矩陣；步驟二：將天線陣列導(dǎo)向矢量進(jìn)行擴(kuò)展，得到半虛擬天線陣列的導(dǎo)向矢量；步驟三：計算基于協(xié)方差矩陣擴(kuò)展的Capon波束形成器的最優(yōu)權(quán)；步驟四：利用最優(yōu)權(quán)進(jìn)行波束賦形，得到陣列天線的輸出數(shù)據(jù)。本發(fā)明通過構(gòu)造虛擬陣元，獲得了更高的輸出信干噪比，通過約束條件抑制方向已知的干擾，實現(xiàn)抑制超自由度干擾。
【IPC分類】H04B7/04
【公開號】CN105306117
【申請?zhí)枴緾N201510664784
【發(fā)明人】李文興, 趙宇, 李思, 毛云龍
【申請人】哈爾濱工程大學(xué)
【公開日】2016年2月3日
【申請日】2015年10月15日