[发明专利]一种自适应聚焦宽带波束形成方法及系统

说明书

本发明公开一种自适应聚焦宽带波束形成方法及系统，方法为：将阵列宽带接收数据的子带Capon空间谱近似为信号空间分布的概率函数，构造出各个子带相对于参考频率的聚焦矩阵；利用聚焦矩阵将各子带数据聚焦得到参考频率下的宽带阵列数据，利用Capon空间谱构造参考频率下的干扰加噪声协方差矩阵，并校正期望信号方向的导向矢量，计算出一组加权系数；利用所述加权系数得到聚焦后的频域波束输出数据，并通过逆傅里叶变换得到宽带时域输出数据；能够自适应地以低聚焦误差来抑制强宽带干扰和提取期望信号，以能够接收的误差来抑制弱宽带干扰，并显著提高波束形成器对其他方向噪声的抑制能力，从而有效提高宽带自适应波束形成器的输出信干噪比。

技术领域

本发明涉及阵列信号处理领域，涉及一种自适应聚焦宽带波束形成方法及系统。

背景技术

在雷达、声纳、无线通信等领域中，感兴趣的信号往往具有一定的带宽，且往往被干扰信号和噪声等遮蔽，难以被直接提取，一般需要宽带自适应波束形成技术对阵列观测信号进行处理，以提高其信号质量。

宽带自适应波束形成技术从实现方式来看主要可以分为时域FIR技术以及频域DFT(Discrete Fourier Transform)技术。基于时域FIR技术的主要缺点是其所需的FIR滤波器阶数会随着带宽的增加而急剧增大，计算复杂度高，硬件实现较难。

基于频域DFT的波束形成技术，一般可以采用两种方式进行实现，第一种为非相干子空间类方法(Incoherent Subspace Method,ISM),其主要原理为在各个子带内进行窄带自适应波束形成从而合成频域输出信号，然而该类方法在子带内之利用了宽带信号的部分频点信息，导致其对误差较为敏感，且无法处理相关信源，总体性能较低。

为了使得波束形成器充分地利用宽带信号的带宽信息，提高波束形成器的稳健性，国内外学者基于聚焦(Focusing)的思想提出了一系列的相干子空间方法(CoherentSubspace Method,CSM)。通过聚焦处理，使不同子带内的窄带信号在参考频率上实现聚焦，将宽带问题转换为窄带问题进行处理，能够提供较好的波束输出。从20世纪90年代至今，学者们提出了许多经典的CSM算法，例如旋转信号子空间变换法(RSS)，信号子空间变换法(SST)，以及文献1所列出的贝叶斯聚焦变换法(BFT)等。上述算法的在实现前要求所有信号入射角度或其概率分布参数确定已知，且聚焦后的波束形成方法都基于传统的采样协方差矩阵求逆(Sample covariance Matrix Inversion，SMI)或更加稳健的对角加载方法(Diagonal Loading,DL)。因此，现有宽带聚焦波束形成方法仍然具有采样协方差求逆方法一样的缺点，即相关参数选取与实际阵列接收数据存在失配时，聚焦误差会急剧增大，从而造成导向矢量失配，严重降低自适应波束形成器的性能，甚至会出现在期望信号方向形成零陷的“自消”现象。此外，对角加载类方法提高稳健性的本质是提高白噪声分量，从而降低波束主瓣对期望信号方向导向矢量误差的敏感性，然而，该方法以牺牲干扰抑制能力为代价，参考BUCRIS Y,COHEN I,DORON M A.Bayesian Focusing for Coherent WidebandBeamforming[J].IEEE Transactions on Audio Speech and Language Processing,2012,20(4):1282-1296。

综上所述，如何在信号入射角度的概率分布参数位置的情况下，自适应地将宽带数据聚焦到参考频率上，并在不牺牲干扰抑制能力的前提下提高自适应波束形成器的稳健性，必须全面考虑各种因素的影响。

发明内容

为了克服现有聚焦波束形成方法需对聚焦角度或者其概率分布参数进行预先设定，且对聚焦误差敏感的问题，本发明提出一种基于协方差矩阵重构的自适应聚焦宽带波束形成方法。通过将子带的空间谱近似为信号空间分布的概率函数，从而自适应地构造出各个子带相对于参考频率的聚焦矩阵，提高聚焦精度。通过Capon空间谱构造参考频率下的干扰加噪声协方差矩阵，并校正期望信号方向的导向矢量，从而提高了波束形成器的稳健性。