一種自適應(yīng)波束形成方法技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)公開(kāi)一種自適應(yīng)波束形成方法，包括如下步驟：(10)信號(hào)采樣：對(duì)雷達(dá)陣列的接收信號(hào)以一定的快拍數(shù)進(jìn)行采樣：(20)求取導(dǎo)向矢量：根據(jù)采樣數(shù)據(jù)，求取導(dǎo)向矢量和協(xié)方差矩陣；(30)求取權(quán)重矢量：根據(jù)協(xié)方差矩陣和導(dǎo)向矢量，以凸優(yōu)化方法求解添加副瓣的MVDR模型，得到模型權(quán)重矢量；(40)獲取自適應(yīng)權(quán)系數(shù)：由模型權(quán)重矢量得到的方向圖判斷副瓣是否達(dá)到預(yù)期要求，如否，則增大快拍數(shù)，轉(zhuǎn)向(10)信號(hào)采樣步驟，如是，則將模型權(quán)重矢量確定為自適應(yīng)權(quán)系數(shù)；(50)形成波束：將接收信號(hào)與所述自適應(yīng)權(quán)系數(shù)進(jìn)行乘積運(yùn)算，得到自適應(yīng)波束。本發(fā)明專利技術(shù)的自適應(yīng)波束形成方法，副瓣低、干擾抑制好。

An adaptive beamforming method

The invention discloses an adaptive beamforming method, which comprises the following steps: (10) signal sampling: sampling the received signal of the radar array to a certain number of snapshots: (20) to calculate the steering vector according to the sampling data, calculate the steering vector and the covariance matrix; (30) to calculate the weight vector according to the covariance: matrix and steering vector, the MVDR model for adding side lobe convex optimization methods, model of weight vector is obtained; (40) to obtain the adaptive weights obtained by the model: the weight vector in the direction of the side lobe chart to determine whether to achieve the expected requirements, if not, will increase the number of snapshots, steering (10) signal sampling step, such as that is determined as the adaptive weight coefficient model of weight vector; (50) beamforming: the receiving signal and the adaptive weight coefficient of multiplication, the adaptive beam. The adaptive beam forming method of the invention has low sidelobe and good interference suppression.

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
一種自適應(yīng)波束形成方法
本專利技術(shù)屬于數(shù)字陣列雷達(dá)天線數(shù)字波束形成
，特別是一種低副瓣的自適應(yīng)波束形成方法。
技術(shù)介紹
陣列天線由于在波束形成、波束控制和高增益等方面的優(yōu)異性而成為最常用的天線之一。早期的天線方向圖綜合的目的主要是控制主瓣寬度和副瓣電平。但隨著電磁環(huán)境污染的日益嚴(yán)重，僅靠降低副瓣電平不能有效抑制大干擾。自適應(yīng)數(shù)字波束形成(ADBF)是空間信號(hào)處理中抑制強(qiáng)干擾信號(hào)，增強(qiáng)有用信號(hào)的有效方法。為控制副瓣電平以及抑制干擾，有多種方法。一是在波束形成中常采用Dolph-Chebyshev加權(quán)法以降低副瓣電平，但是該方法僅適用于非自適應(yīng)波束形成。當(dāng)應(yīng)用于相控掃描自適應(yīng)波束形成時(shí)則達(dá)不到預(yù)期結(jié)果。二是采用對(duì)角加載方法通過(guò)處理采樣數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣，使之更接近于理想的干擾加噪聲矩陣，也即在最小方差無(wú)畸變響應(yīng)(MVDR)波束形成器的目標(biāo)函數(shù)中添加一個(gè)正則項(xiàng)，可以降低副瓣電平，但這種方法的加載因子如何確定是一個(gè)難題。三是利用懲罰函數(shù)的方法降低副瓣電平。懲罰函數(shù)測(cè)量的是自適應(yīng)權(quán)重和靜態(tài)方向圖權(quán)重之間的差距，但是實(shí)際應(yīng)用中懲罰函數(shù)的罰因子難以確定，太小起不到懲罰作用，達(dá)不到要的優(yōu)化效果，太大會(huì)由于誤差影響產(chǎn)生錯(cuò)誤，因此該方法在理論上比較可行，在實(shí)際中有待考量。四是采用特征子空間方法降低副瓣，但是當(dāng)信噪比較低時(shí)容易發(fā)生子空間纏繞，從而影響副瓣抑制性能。五是以廣義旁瓣相消器(GSC)降低副瓣，但是在高信噪比時(shí)，阻塞矩陣不能全部阻塞期望信號(hào)，導(dǎo)致部分期望信號(hào)泄漏到輔助支路中，容易發(fā)生期望信號(hào)相消現(xiàn)象。總之，現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題是：不能利用較為簡(jiǎn)單的技術(shù)手段同時(shí)實(shí)現(xiàn)低副瓣和較深干擾抑制。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專利技術(shù)的目的在于提供一種自適應(yīng)波束形成方法，副瓣低、且干擾抑制好。實(shí)現(xiàn)本專利技術(shù)目的的技術(shù)解決方案為：一種自適應(yīng)波束形成方法，包括如下步驟：(10)信號(hào)采樣：對(duì)雷達(dá)陣列的接收信號(hào)以一定的快拍數(shù)進(jìn)行采樣：(20)求取導(dǎo)向矢量：根據(jù)采樣數(shù)據(jù)，求取導(dǎo)向矢量和協(xié)方差矩陣；(30)求取權(quán)重矢量：根據(jù)協(xié)方差矩陣和導(dǎo)向矢量，以凸優(yōu)化方法求解添加副瓣的MVDR模型，得到模型權(quán)重矢量；(40)獲取自適應(yīng)權(quán)系數(shù)：由模型權(quán)重矢量得到的方向圖判斷副瓣是否達(dá)到預(yù)期要求，如否，則增大快拍數(shù)，轉(zhuǎn)向(10)信號(hào)采樣步驟，如是，則將模型權(quán)重矢量確定為自適應(yīng)權(quán)系數(shù)；(50)形成波束：將接收信號(hào)與所述自適應(yīng)權(quán)系數(shù)進(jìn)行乘積運(yùn)算，得到自適應(yīng)波束。本專利技術(shù)與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(diǎn)為：1、副瓣低：由于在現(xiàn)有自適應(yīng)波束形成模型的基礎(chǔ)上添加副瓣約束，求解得出權(quán)矢量，最終形成波束，因此所形成的的波束具有副瓣低的優(yōu)點(diǎn)。2、干擾抑制好：通過(guò)用凸優(yōu)化方法對(duì)添加副瓣約束的模型求解權(quán)矢量，使得干擾抑制度比常規(guī)工具所求加深。3、工程實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單：只需要對(duì)現(xiàn)有的自適應(yīng)波束形成技術(shù)進(jìn)行模型處理，利用凸優(yōu)化方法解決，最終形成低副瓣波束。下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對(duì)本專利技術(shù)作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。附圖說(shuō)明圖1為本專利技術(shù)自適應(yīng)波束形成方法的主流程圖。圖2為采用本專利技術(shù)方法的N陣元線陣自適應(yīng)波束形成原理示意圖。圖3為采用現(xiàn)有技術(shù)，不添加副瓣約束的MVDR模型得到的波束方向圖。圖4為采用本專利技術(shù)方法，副瓣電平約束為-30dB時(shí)，得到的波束方向圖。具體實(shí)施方式如圖1所示，本專利技術(shù)自適應(yīng)波束形成方法，包括如下步驟：(10)信號(hào)采樣：對(duì)雷達(dá)陣列的接收信號(hào)以一定的快拍數(shù)進(jìn)行采樣：(20)求取導(dǎo)向矢量：根據(jù)采樣數(shù)據(jù)，求取導(dǎo)向矢量和協(xié)方差矩陣；根據(jù)采樣數(shù)據(jù)，求取導(dǎo)向矢量和協(xié)方差矩陣為現(xiàn)有技術(shù)，在此不詳細(xì)說(shuō)明，可采用現(xiàn)有的任何方法獲取；(30)求取權(quán)重矢量：根據(jù)協(xié)方差矩陣和導(dǎo)向矢量，以凸優(yōu)化方法求解添加副瓣的MVDR模型，得到模型權(quán)重矢量；所述(30)求取權(quán)重矢量步驟具體為：以凸優(yōu)化方法求解添加副瓣的MVDR模型，得到權(quán)重矢量w，所述添加副瓣的MVDR模型為：minimizewHRXwsubjecttowHas(θ)＝1θ為期望信號(hào)角度|wHa(θj)|2≤εθj∈Θ(j＝1，...,J)Θ＝[-90°,θs1]∪[θs2,90°]其中，wHRXw為輸出功率，即目標(biāo)函數(shù)；w為權(quán)重矢量；RX為接收數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣，是正的半正定矩陣；as(θ)為指向期望信號(hào)角度θ的導(dǎo)向矢量；a(θj)為副瓣約束區(qū)域的導(dǎo)向矢量；RX[-90°,θs1]∪[θs2,90°]為副瓣約束區(qū)域；θj為在副瓣約束區(qū)域取的J個(gè)離散值；ε為副瓣衰減電平，用dB表示。(40)獲取自適應(yīng)權(quán)系數(shù)：由模型權(quán)重矢量得到的方向圖判斷副瓣是否達(dá)到預(yù)期要求，如否，則增大快拍數(shù)，轉(zhuǎn)向(10)信號(hào)采樣步驟，如是，則將模型權(quán)重矢量確定為自適應(yīng)權(quán)系數(shù)；所述(40)獲取自適應(yīng)權(quán)系數(shù)步驟包括：(41)畫(huà)方向圖：根據(jù)權(quán)重矢量w，畫(huà)出方向圖；(42)判斷副瓣質(zhì)量：根據(jù)方向圖判斷方向圖副瓣是否達(dá)到預(yù)期要求，如否，則增大快拍數(shù)，轉(zhuǎn)向(10)信號(hào)采樣步驟；(43)獲取自適應(yīng)權(quán)系數(shù)：方向圖副瓣是否達(dá)到預(yù)期要求時(shí)，將權(quán)重矢量確定為自適應(yīng)權(quán)系數(shù)。(50)形成波束：將接收信號(hào)與所述自適應(yīng)權(quán)系數(shù)進(jìn)行乘積運(yùn)算，得到自適應(yīng)波束。圖2所示為采用本專利技術(shù)方法的N陣元線陣自適應(yīng)波束形成原理示意圖。陣列是由N個(gè)陣元組成的理想均勻線陣，每個(gè)陣元均為各向同性天線，陣元間距為d；載波波長(zhǎng)為λ，接收來(lái)波方向?yàn)棣鹊恼瓗盘?hào)x(t)，關(guān)于接收信號(hào)的導(dǎo)向矢量為a(θ)＝[1,e-j2πdsinθ/λ,…,e-j2π(N-1)dsinθ/λ]T，陣列加權(quán)矢量為w＝[w1,w2,...wN]T，則自適應(yīng)波束形成器的輸出為：y＝wHx；陣列的方向圖函數(shù)為F(θ)＝wHa(θ)。考慮接收傳感器陣列對(duì)遠(yuǎn)場(chǎng)空間中的信號(hào)接收，期望信號(hào)與干擾之間、干擾與干擾之間互不相關(guān)。噪聲為零均值高斯白噪聲且互相獨(dú)立，并且噪聲與信號(hào)和干擾互不相關(guān)。使用w作為優(yōu)化變量，則MVDR自適應(yīng)波束形成器設(shè)計(jì)問(wèn)題可以用如下的最優(yōu)化模型表示：minimizewHRi+nwsubjecttowHas(θ)＝1θ為期望信號(hào)角度其中w為陣列加權(quán)矢量；wHRi+nw為干擾加噪聲功率；Ri+n為干擾加噪聲協(xié)方差矩陣，但在實(shí)際應(yīng)用中，很難獲得真實(shí)的干擾加噪聲協(xié)方差矩陣，因此接下來(lái)用接收數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣RX代替Ri+n；as(θ)為指向期望信號(hào)角度θ的導(dǎo)向矢量。而低副瓣MVDR自適應(yīng)波束形成器設(shè)計(jì)問(wèn)題通過(guò)在基礎(chǔ)的MVDR模型上添加一個(gè)副瓣約束條件，來(lái)達(dá)到約束副瓣的目的。本專利技術(shù)通過(guò)使用陣列加權(quán)矢量作為自適應(yīng)波束設(shè)計(jì)的優(yōu)化變量，使得當(dāng)陣元數(shù)確定，優(yōu)化得出的方向圖主瓣對(duì)準(zhǔn)期望信號(hào)、副瓣電平滿足給定要求以及具有良好的干擾抑制性能，且算法復(fù)雜度相對(duì)較低，易于工程實(shí)現(xiàn)，在原有的MVDR自適應(yīng)波束形成模型上添加副瓣約束條件，以此實(shí)現(xiàn)低副瓣的性能要求。此模型為凸優(yōu)化模型，運(yùn)用MATLAB的CVX工具箱對(duì)優(yōu)化模型進(jìn)行求解，得到最優(yōu)權(quán)重矢量。本專利技術(shù)與已有的經(jīng)典算法相比，優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在：(1)副瓣電平較小；(2)抗干擾性能提高；(3)算法復(fù)雜度較低，易于實(shí)現(xiàn)。圖3為采用現(xiàn)有技術(shù)，不添加副瓣約束的MVDR模型得到的波束方向圖。圖4為采用本專利技術(shù)方法，副瓣電平約束為-30dB時(shí)，得到的波束方向圖。將圖4與圖3對(duì)比可知，當(dāng)來(lái)波方向已知時(shí)，本專利技術(shù)的自適應(yīng)數(shù)字波束形成方法，在準(zhǔn)確接收期望信號(hào)的情況下，還能很好地控制副瓣，且干擾抑制程本文檔來(lái)自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種自適應(yīng)波束形成方法，其特征在于，包括如下步驟：(10)信號(hào)采樣：對(duì)雷達(dá)陣列的接收信號(hào)以一定的快拍數(shù)進(jìn)行采樣：(20)求取導(dǎo)向矢量：根據(jù)采樣數(shù)據(jù)，求取導(dǎo)向矢量和協(xié)方差矩陣；(30)求取權(quán)重矢量：根據(jù)協(xié)方差矩陣和導(dǎo)向矢量，以凸優(yōu)化方法求解添加副瓣的MVDR模型，得到模型權(quán)重矢量；(40)獲取自適應(yīng)權(quán)系數(shù)：由模型權(quán)重矢量得到的方向圖判斷副瓣是否達(dá)到預(yù)期要求，如否，則增大快拍數(shù)，轉(zhuǎn)向(10)信號(hào)采樣步驟，如是，則將模型權(quán)重矢量確定為自適應(yīng)權(quán)系數(shù)；(50)形成波束：將接收信號(hào)與所述自適應(yīng)權(quán)系數(shù)進(jìn)行乘積運(yùn)算，得到自適應(yīng)波束。

【技術(shù)特征摘要】
1.一種自適應(yīng)波束形成方法，其特征在于，包括如下步驟：(10)信號(hào)采樣：對(duì)雷達(dá)陣列的接收信號(hào)以一定的快拍數(shù)進(jìn)行采樣：(20)求取導(dǎo)向矢量：根據(jù)采樣數(shù)據(jù)，求取導(dǎo)向矢量和協(xié)方差矩陣；(30)求取權(quán)重矢量：根據(jù)協(xié)方差矩陣和導(dǎo)向矢量，以凸優(yōu)化方法求解添加副瓣的MVDR模型，得到模型權(quán)重矢量；(40)獲取自適應(yīng)權(quán)系數(shù)：由模型權(quán)重矢量得到的方向圖判斷副瓣是否達(dá)到預(yù)期要求，如否，則增大快拍數(shù)，轉(zhuǎn)向(10)信號(hào)采樣步驟，如是，則將模型權(quán)重矢量確定為自適應(yīng)權(quán)系數(shù)；(50)形成波束：將接收信號(hào)與所述自適應(yīng)權(quán)系數(shù)進(jìn)行乘積運(yùn)算，得到自適應(yīng)波束。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自適應(yīng)波束形成方法，其特征在于，所述(30)求取權(quán)重矢量步驟具體為：以凸優(yōu)化方法求解添加副瓣的MVDR模型，得到權(quán)重矢量w，所述添加副瓣的MVDR模型為：minimizewHRXwsubjecttowHas(...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：謝仁宏，陳穎，芮義斌，李鵬，郭山紅，張?zhí)鞓?lè)，袁小琦，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：南京理工大學(xué)，
類(lèi)型：發(fā)明
國(guó)別省市：江蘇,32