一種低旁瓣穩健自適應波束形成方法技術

本發明專利技術涉及一種低旁瓣穩健自適應對零的波束形成方法。首先建立基于最差性能最優準則，保證在校正互耦后，陣列存在誤差時，能夠形成低旁瓣的同時獲得更低的零陷電平的波束形成方法。然后結合穩健低旁瓣理論構建一種新的波束形成系統，系統能自適應對抗干擾、降低旁瓣電平及實現寬零陷。尤其是系統根據輸入信號能夠自適應的選取合理的參數，使得波束形成器在不同的接收信號下都能得到統一的低旁瓣電平。

A robust adaptive beamforming method with low sidelobe

The invention relates to a low sidelobe robust adaptive zero beam forming method. Firstly, the optimal criterion based on the worst performance is established to guarantee that when the array is corrected for mutual coupling, a beamforming method with lower sidelobe level and lower nulling level can be formed. Then, a new beamforming system based on robust low sidelobe theory is proposed. The system can adaptively resist interference, reduce sidelobe level and achieve wide nulling. In particular, the system can adaptively select reasonable parameters according to the input signal, so that the beamformer can achieve uniform low sidelobe levels under different received signals.

【技術實現步驟摘要】
一種低旁瓣穩健自適應波束形成方法
本專利技術涉及陣列信號處理
，具體涉及一種低旁瓣穩健自適應對零的波束形成方法。
技術介紹
自適應波束形成是用自適應算法處理陣列接收到的期望信號和干擾信號并形成相應的波束，以達到增強有用信號或需要方向的信號的同時抑制干擾，實現在惡劣的敵方干擾和電磁兼容環境中提高雷達、通信等系統的抗干擾能力的目的。然而在實際應用中由于互耦、觀察方向誤差、陣列流形誤差等誤差導致陣列的真實期望信號和理想的期望信號方向失配。常規的波束形成器，如Capon波束形成器是建立在陣列期望信號方向和陣列接收數據精確已知的條件下，其對陣列的誤差比較敏感。而穩健波束形成可以有效提高波束形成方法在誤差下的性能。對于固定陣型和噪聲場，常規的波束形成的旁瓣是固定的。而僅考慮陣增益和穩健性的波束形成，為了實現高增益往往會造成波束旁瓣升高，有時會達到不能忍受的程度。并且，在實際應用中，由于陣元互耦、通道不一致等會導致旁瓣電平進一步升高。高的旁瓣會使系統的虛警概率升高，因此在波束形成中要考慮旁瓣降低的問題。Gershman等人將自適應波束形成問題轉化為凸優化問題進行求解，并且考慮到陣列的旁瓣電平(參見:Adaptivebeamformingwithsidelobecontrol:asecond-orderconeprogrammingapproach.IEEESignalProcessingLetters,2003，10(11),331-334.)，而文中未考慮波束形成器的穩健性。SerW.先校正陣列互耦，提出一種考慮陣列互耦的條件下構建了穩健的陣列綜合，(參見：RobustBeampatternSynthesisforAntennaArraysWithMutualCouplingEffect.IEEETransactionsonAntennas&Propagation,2011,59(8):2889-2895)綜上所述，波束形成的目的有二，一是作為陣列發射波束形成，二是陣列接收自適應波束形成，即波束形成中要同時實現低旁瓣和對干擾形成零陷兩個目的。因此，合理的選取限制條件將自適應波束形成和陣列旁瓣降低等結合起來，并且考慮各種誤差情況下實現穩健的低旁瓣自適應波束形成是有必要的。
技術實現思路
要解決的技術問題為了解決現有方法在實際工作中由于互耦、波達方向誤差等實際問題下，波束形成器輸出信干噪比嚴重下降的問題，本專利技術提出一種穩健的自適應波束形成算法。技術方案一種低旁瓣穩健自適應波束形成方法，其特征在于步驟如下：步驟1：根據陣列模型，計算天線陣元間互耦系數，并建立互耦等效模型，導出陣列互耦矩陣Z；步驟2：構建考慮互耦影響及誤差下的陣列的導向矢量：s(θ)＝ZHa(θ)+e式中，a(θ)為陣列的導向矢量，e為真實的導向矢量與理想的導向矢量的誤差；步驟3：建立考慮互耦模型的穩健波束形成器，并將其轉化為凸優化問題：構建穩健的波束形成器為：subjectto|sH(θ)w+ε||w||≤U(θ)θ∈[θl,θu]Re{sH(θ)w}+ε||w||≥L(θ)θ∈[θl,θu]式中，w為陣列最優權值，代替假設的接收數據數據X(t)＝ss(t)+i(t)+n(t)，ss(t)、i(t)和n(t)分別為互不相關的期望信號、干擾信號和噪聲；其中L(θ)和U(θ)為幅度響應的上限和下限，θl和θu為主瓣約束范圍的上限和下限，ρ為控制波束形成器的輸出功率和旁瓣電平的參數；Θn為零陷區間，為其對應的零陷值約束；θk，k＝1,2,...,K為對應的旁瓣區間，LK為對旁瓣電平的軟約束；穩健的波束形成器求解最優權矢量的問題本質為最優化問題，為方便求解，將其轉化為凸優化問題：subjecttoRe{(s(θ))Hw}≥ε||w||+L,θ∈[θl,θu]|(s(θ))Hw|+ε||w||≤U,θ∈[θl,θu]步驟4：來波方向預估及波束形成器參數設置；根據陣列接收數據確定ρ的值：ρ＝ρr·max(eig(Lu))式中的Lu為陣列接收的協方差矩陣的分解矩陣最大特征值，ρr為相對應的系數；根據陣列接收的數據，采用基本的Capon空間譜估計方法估計來波信號方向；零陷寬度的選取以Capon空間譜估計的方向為中間點，零陷寬度和主瓣寬度根據陣元數、陣列應用需求選取；步驟5：采用凸優化工具箱對波束形成器進行求解，輸出陣列對應的最優權值。當陣列模型采用陣元為半波振子的偶極子陣列，所述的步驟1具體如下：步驟1a：采用陣元為半波振子的偶極子陣列，其互耦系數計算公式：式中，u0＝kdh，dh為相鄰兩振子之間的距離，l為振子長度，k為角波數；Ci(u)和Si(u)分別為余弦函數和辛格函數積分，分別定義為步驟1b：采用由N個天線陣元，陣元間距為半波長的等間距線陣，各陣元接負載ZL，采用開路電壓法等效互耦模型，陣列的互耦矩陣如下：式中，Zm,n為陣元間的互耦系數，其中m＝1,2,...,N,n＝1,2,...,N。有益效果本專利技術提出的一種低旁瓣穩健自適應波束形成方法，預先對互耦校正，減少了互耦對自適應波束形成的影響。而且本專利技術不僅實現自適應對抗干擾且降低旁瓣電平。并且針對不同輸入信號下，從旁瓣電平不一致的問題出發，選取合理的比例值，使得波束形成器在不同的接收信號下都能得到統一的旁瓣電平。通過DOA估計，增加約束條件系統還能實現寬零陷，有效對抗移動干擾。通過不同的優化系統結合，得到高性能的穩健波束形成系統。附圖說明圖1：穩健低旁瓣波束形成系統實現框圖圖2：陣列輸出SINR隨輸入SNR變化圖圖3：陣列輸出SINR隨SNAP變化圖圖4：靜態權矢量下波束形成方向圖圖5：100個快拍數據時干擾運動速度從0°/快拍變化至0.04°/快拍的陣列輸出SINR圖6：干擾以0.01°/快拍變化時不同快拍數得到的輸出SINR具體實施方式現結合實施例、附圖對本專利技術作進一步描述：圖1是本專利技術所述穩健低旁瓣波束形成器的整體流程圖，如圖1所示，包括以下步驟：步驟S100、首先根據陣列形式，求陣元間的互耦系數及建立互耦等效模型；步驟S200、構建低旁瓣的穩健波束形成算法步驟S300、選取波束形成器的參數步驟S400、求得陣列對應的最優權矢量。本專利技術在保證自適應波束形成器穩健的同時實現低旁瓣和對干擾形成零陷兩個目的。當旁瓣電平系數選取過大時，陣列對零效果會降低，而旁瓣電平系數選取過小時，陣列的旁瓣電平會升高。進一步的所述步驟S100具體包括：步驟S1001、本專利技術中采用陣元為半波振子的偶極子陣列，其互耦系數可以通過經驗公式求得：式中u0＝kdh，dh為相鄰兩振子之間的距離，l為振子長度，k為角波數。Ci(u)和Si(u)分別為余弦函數和辛格函數積分，分別定義為步驟S1002、采用由N個天線陣元，陣元間距為半波長的等間距線陣，各陣元接負載ZL，采用開路電壓法等效互耦模型，陣列的互耦矩陣如下：式中，Zmn(m＝1,2,...,N,n＝1,2,...,N)為陣元間的互耦系數。但是此互耦矩陣不僅適用于半波振子陣列，不同的陣列將其互耦系數添加至陣列同樣適用。進一步的所述步驟S200具體包括：步驟S2001、首先對互耦進行處理，互耦校正后的陣列的導向矢量表示為s0(θ)＝ZHa(θ)即在陣列綜合前預先考慮互耦本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種低旁瓣穩健自適應波束形成方法，其特征在于步驟如下：步驟1：根據陣列模型，計算天線陣元間互耦系數，并建立互耦等效模型，導出陣列互耦矩陣Z；步驟2：構建考慮互耦影響及誤差下的陣列的導向矢量：s(θ)＝Z

【技術特征摘要】
1.一種低旁瓣穩健自適應波束形成方法，其特征在于步驟如下：步驟1：根據陣列模型，計算天線陣元間互耦系數，并建立互耦等效模型，導出陣列互耦矩陣Z；步驟2：構建考慮互耦影響及誤差下的陣列的導向矢量：s(θ)＝ZHa(θ)+e式中，a(θ)為陣列的導向矢量，e為真實的導向矢量與理想的導向矢量的誤差；步驟3：建立考慮互耦模型的穩健波束形成器，并將其轉化為凸優化問題：構建穩健的波束形成器為：subjectto|sH(θ)w|+ε||w||≤U(θ)θ∈[θl,θu]Re{sH(θ)w}+ε||w||≥L(θ)θ∈[θl,θu]式中，w為陣列最優權值，代替假設的接收數據數據X(t)＝ss(t)+i(t)+n(t)，ss(t)、i(t)和n(t)分別為互不相關的期望信號、干擾信號和噪聲；其中L(θ)和U(θ)為幅度響應的上限和下限，θl和θu為主瓣約束范圍的上限和下限，ρ為控制波束形成器的輸出功率和旁瓣電平的參數；Θn為零陷區間，為其對應的零陷值約束；θk，k＝1,2,...,K為對應的旁瓣區間，LK為對旁瓣電平的軟約束；穩健的波束形成器求解最優權矢量的問題本質為最優化問題，為方便求解，將其轉化為凸優化問題：subjecttoRe{(...

【專利技術屬性】
技術研發人員：趙中惠，趙惠玲，
申請(專利權)人：西北工業大學，
類型：發明
國別省市：陜西,61