[发明专利]一种基于可变加载的稳健自适应波束形成方法

说明书

技术领域

本发明属于数字信号处理领域,涉及阵列信号处理领域中的波束形成技术。

背景技术

波束形成是阵列信号处理领域的一个重要的研究内容，广泛应用于雷达、声呐、无线通信、语音信号处理、医疗成像、地震学等领域。在众多自适应波束形成的算法中，Capon波束形成算法由于具有性能良好、表达形式灵活的优点因而备受研究者青睐。但标准的Capon波束形成算法依赖对阵型、信号模型等的一些假设，当导向矢量存在误差时，波束形成器的性能下降严重。为提高其稳健性，近几十年来涌现出了多种基于Capon波束形成算法的稳健自适应波束形成算法。

基于对角加载技术的稳健自适应波束形成算法是常见一类算法，对角加载波束形成算法通过对采样协方差矩阵添加一个加载小量来实现对协方差矩阵的修正，可以在不改变矩阵特征向量结构的条件下，达到抑制噪声波束的目的。对角加载波束形成算法简单且效果明显，易于工程实现。一般而言，对角加载波束形成算法可分为两类：一类是加载值为固定的对角加载波束形成算法，该类算法的关键是加载因子的选取，若选取的加载因子过小，加权矢量的范数将会很大进而导致不能有效抑制噪声波束；当加权因子过大时会削弱波束形成器抑制干扰及降低噪声的能力。另一类是加载值为可变的对角加载波束形成算法，即对不同的特征值加载量不同。该类算法可较好的提高波束形成器的性能因而备受瞩目。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够提高自适应雷达天线阵列波束形成抗干扰、抗阵列导向矢量失配的低复杂度波束形成方法。本发明的技术方案如下：

一种基于可变加载的稳健自适应波束形成方法，包括下列步骤：

步骤一：计算由K次快拍采样的接收信号x(k)构建雷达天线阵列接收信号的采样协方差矩阵R；

步骤二：设阵元数为N，对雷达天线阵列接收信号的采样协方差矩阵R进行特征值分解，矩阵U＝[u₁,u₂,...u_N]包含所有的特征向量，并将特征值由大到小排列即λ₁≥λ₂...≥λ_N；

步骤三：利用Lagrange算子，同时忽略标量因子，求得Capon波束形成器的波束形成矢量为：表示期望信号的估计导向矢量，R_i+n为干扰加噪声协方差矩阵，用采样协方差矩阵R来代替R_i+n；

步骤四：采用可变对角加载技术，构造出雷达天线阵列的加权矢量w_VL的表达式：式中γ为加载因子；

步骤五：利用采样协方差矩阵R特征值分解，重写雷达天线阵列的加权矢量w_VL：

步骤六：选择加载因子为平均噪声能量；通过替换较小的特征值；

步骤七：计算得到雷达天线阵列的加权矢量w_DL，即各阵元复加权值；

步骤八：输出雷达天线阵列的自适应波束y(k)＝w_DL^Hx(k)。

本发明通过对采样协方差矩阵对角加载，重构了采样协方差矩阵。然后利用特征值分解使得对于不同的特征值最终的加载量不同。另外，加载因子γ通过一种特定的方式得到。通过以上步骤推导出来的雷达天线阵列的加权矢量公式避免了矩阵求逆以及循环迭代运算，实现了快速收敛的目的。重构的采样协方差矩阵引入了加载因子，使得该方法具有一定的稳健性。通过实验验证，当雷达天线阵列接收信号存在导向矢量适配时，本发明同其他对比算法相比具有更大的输出信干噪比。同时，该方法的计算复杂度较低，因而该发明在应用中可取得更好的效果。

附图说明

图1是观测方向失配下不同方法对雷达天线阵列输出信干噪比随采样快拍数K变化的曲线图。

图2是存在局部相干散射时不同方法对雷达天线阵列输出信干噪比随采样快拍数K变化的曲线图。

具体实施方式

步骤一：计算雷达天线阵列接收信号的采样协方差矩阵R：

根据雷达天线阵列接收信号的结构模型，将阵元数为N的雷达天线阵列接收信号的快拍模型定义如下：x(k)＝s(k)+i(k)+n(k)，其中s(k)表示期望信号，i(k)表示干扰信号，n(k)表示噪声信号。由K次快拍采样的接收信号x(k)构建传感器阵列接收信号的协方差矩阵：K为采样快拍数，x(k)为第k个采样快拍，(·)^H是厄米特(Hermitian)转置。

步骤二：特征值分解雷达天线阵列接收信号的采样协方差矩阵R：