專利名稱：一種高效的寬帶穩(wěn)健自適應(yīng)波束形成方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及雷達(dá)、聲納及無(wú)線通信技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種高效的寬帶穩(wěn)健自適應(yīng)波束形成方法。
背景技術(shù)：
數(shù)字波束形成(DBF)是利用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，對(duì)由天線陣列接收到的信號(hào)進(jìn)行加權(quán)，通過(guò)調(diào)整各陣元的權(quán)值從而使得信號(hào)得以有效的接收。這是由于各陣元的權(quán)值組成陣列權(quán)矢量，權(quán)矢量直接決定了自適應(yīng)陣列的方向圖，即決定了對(duì)有用信號(hào)的接收效果。對(duì)有用信號(hào)的有效接收包括兩個(gè)方面一是使陣列方向圖主瓣(陣列天線增益最大方向)對(duì)準(zhǔn)期望信號(hào)方向；二是使方向圖的零點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)干擾信號(hào)以進(jìn)行有效抑制。傳統(tǒng)的基于窄帶的波束形成算法，當(dāng)用于寬帶信號(hào)時(shí)，會(huì)導(dǎo)致波束的指向、主瓣寬度在不同頻點(diǎn)上發(fā)生很大的變化，引起偏差。因此，在寬帶信號(hào)源大量存在的情況下，如何進(jìn)行寬帶波束形成，已經(jīng)成為 無(wú)線通信中的一個(gè)研究熱點(diǎn)。早起出現(xiàn)的寬帶DBF方法是基于非相干信號(hào)子空間方法(ISM)，它將寬帶信號(hào)分解為若干子帶，在每一個(gè)子帶上直接進(jìn)行窄帶處理，即對(duì)每一個(gè)子帶的信號(hào)相關(guān)矩陣進(jìn)行窄帶波束形成，對(duì)所有子帶的加權(quán)值進(jìn)行算術(shù)平均或幾何平均，最后得出寬帶信號(hào)DBF。通常這類處理算法不能得到滿意的結(jié)果，主要原因在于計(jì)算量大、無(wú)法估計(jì)相干信號(hào)源。相干信號(hào)子空間方法(CoherentSignal Subspace Method, CSM)是一種有效算法，是由 Wang 和 Kaveh 首先提出的(Wang, M Kaveh. “Coherent signal-subspaceprocessing for the detecting and estimation of angles of arrival of multiplewideband sources,，，IEEE Transactions on ASSP, vol. 33, no. 4,1985, pp. 823-831.)。這類算法的基本思想是把頻帶內(nèi)不重疊的頻率點(diǎn)上信號(hào)空間聚焦到參考頻點(diǎn)上，聚焦后得到單一頻點(diǎn)的數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣，然后利用窄帶技術(shù)進(jìn)行DBF，這種算法可以解決相干信號(hào)源問(wèn)題。在CSM算法之后，提出了許多不同約束準(zhǔn)則下的CSM類算法，如TCT (雙邊相關(guān)變換)算法，SST(信號(hào)子空間變換)算法，RSS(旋轉(zhuǎn)信號(hào)子空間)算法等等。以上這些算法在構(gòu)造聚焦矩陣時(shí)候都需要用到特征值或奇異值分解，運(yùn)算量為O (M3)，過(guò)大的運(yùn)算量會(huì)導(dǎo)致實(shí)時(shí)處理的困難。此外，這類方法在實(shí)現(xiàn)波束形成的時(shí)候采用的是經(jīng)典的Capton波束形成器或最小方差無(wú)失真響應(yīng)(Minimum Variance Distortionless Response, MVDR)波束形成器。這類波束形成器需要預(yù)先知道期望信號(hào)的方位信息，如果對(duì)期望信號(hào)的來(lái)波方向估計(jì)不準(zhǔn)，會(huì)導(dǎo)致主波束指向一個(gè)錯(cuò)誤的方向，此時(shí)最優(yōu)權(quán)值會(huì)把期望信號(hào)當(dāng)做干擾來(lái)抑制，從而在真實(shí)的來(lái)波方向形成零陷，因此在信噪比較高的環(huán)境下性能較為惡劣。對(duì)角加載技術(shù)可以在一定程度上改善波束形成的性能，但是如何準(zhǔn)確選取對(duì)角加載量仍然是一個(gè)技術(shù)難題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于傳播算子和特征空間的寬帶穩(wěn)健自適應(yīng)波束形成方法。本發(fā)明將傳播算子(PM)與寬帶相干信號(hào)子空間方法相結(jié)合，推導(dǎo)了基于PM的寬帶信號(hào)子空間方法，該方法所構(gòu)造的聚焦矩陣不需要奇異值分解，在獲取噪聲子空間時(shí)也不需要特征值分解，運(yùn)算量約為O (PM2)?？梢钥闯鯬M算法的復(fù)雜度約為TCT聚焦方法的o(P/M)。因此在陣元數(shù)較多的時(shí)候，基于傳播算子的方法將會(huì)大大降低運(yùn)算量。最后將特征空間自適應(yīng)波束形成算法思想運(yùn)用于PM中，實(shí)現(xiàn)了寬帶穩(wěn)健自適應(yīng)波束形成。相比傳統(tǒng)方法，本發(fā)明對(duì)于低快拍、期望信號(hào)較強(qiáng)的環(huán)境下都體現(xiàn)較好的性能，尤其是在期望信號(hào)估計(jì)存在一定誤差的條件下，改方法具有更強(qiáng)的穩(wěn)健性。本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，方法步驟如下I)將陣列接收數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT變換，得到J個(gè)頻點(diǎn)上的數(shù)據(jù)，進(jìn)而分別得到各頻點(diǎn)接 收數(shù)據(jù)的協(xié)方差矩陣，選取中心頻點(diǎn)fo作為參考頻點(diǎn)；2)利用傳播算子思想，分別將各頻點(diǎn)的協(xié)方差矩陣&和中心頻點(diǎn)的協(xié)方差矩陣Rtl進(jìn)行矩陣分塊，得到各頻點(diǎn)的傳播算子P」和中心頻點(diǎn)的傳播算子P。;3)利用P」和Ptl構(gòu)造各頻點(diǎn)的聚焦矩陣Ir將不同頻點(diǎn)的傳播算子聚焦到同一參考頻點(diǎn)上；4)得到最終的傳播算子估計(jì)&，構(gòu)造Q和Qci,即噪聲子空間；5)結(jié)合特征空間思想，構(gòu)造寬帶波束形成算法權(quán)矢量wPM_BESB，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)健的寬帶自適應(yīng)波束形成。以下對(duì)本發(fā)明的每個(gè)步驟作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明所述步驟I)，具體實(shí)現(xiàn)如下考慮有M個(gè)全向陣元的均勻線陣的情況，陣元間距為中心頻率的半波長(zhǎng)。P個(gè)寬帶遠(yuǎn)場(chǎng)信號(hào)分別以,MG1(尸<M)入射到該陣列上，附加與源信號(hào)獨(dú)立的高斯白噪聲。將陣列接收的數(shù)據(jù)均勻采樣并且分成K個(gè)互不重疊的塊，每塊包含N個(gè)采樣點(diǎn)。對(duì)每一塊進(jìn)行N點(diǎn)FFT，然后選取J個(gè)頻點(diǎn)進(jìn)行后續(xù)處理。定義各離散頻點(diǎn)則第k次快拍(k= 1，...，
N)第j個(gè)頻點(diǎn)的陣列接收數(shù)據(jù)為xJjk = Aj( 9k這里A」(0) = [Bj(S1), , Bj(Sp)]表示(MXP)維的陣列流型矩陣，Sj, k是(PXl)維的信號(hào)矢量，nik是(MXl)維的噪聲矢量。選取中心頻點(diǎn)&作為聚焦頻率，則第k次快拍頻點(diǎn)&的陣列接收數(shù)據(jù)可寫為Xm = A0 ( 0 ) Sd.k+r^k。因此f」和&頻點(diǎn)上陣列接收數(shù)據(jù)的協(xié)方差矩陣為< 1 K
=~^'^lk=\X0,kX0,k所述步驟2)，具體實(shí)現(xiàn)如下分別將各頻點(diǎn)陣列協(xié)方差矩陣&以及中心頻點(diǎn)陣列協(xié)方差矩陣Rtl進(jìn)行分塊可得Rj = [Gj, Hj] = [Gj, GjPj]R0 = [G0，H0] = [G0，G0P0]
這里的Gj和Gtl都是(MXP)維矩陣，Hj和H。都是MX (M-P)維矩陣。利用傳播算子思想，對(duì)協(xié)方差矩陣進(jìn)行分塊得到各頻點(diǎn)的傳播算子
權(quán)利要求
1.一種高效的寬帶穩(wěn)健自適應(yīng)波束形成方法，其特征在于包括以下步驟 1)將陣列接收數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT變換，得到J個(gè)頻點(diǎn)上的數(shù)據(jù)，進(jìn)而分別得到各頻點(diǎn)接收數(shù)據(jù)的協(xié)方差矩陣，選取中心頻點(diǎn)&作為參考頻點(diǎn)； 2)利用傳播算子思想，分別將各頻點(diǎn)的協(xié)方差矩陣&和中心頻點(diǎn)的協(xié)方差矩陣Rtl進(jìn)行矩陣分塊，得到各頻點(diǎn)的傳播算子P」和中心頻點(diǎn)的傳播算子Ptl ; 3)利用P」和Ptl構(gòu)造各頻點(diǎn)的聚焦矩陣Ir將不同頻點(diǎn)的傳播算子聚焦到同一參考頻點(diǎn)上； 4)得到最終的傳播算子估計(jì)&，構(gòu)造Q和Qtl,即噪聲子空間； 5)結(jié)合特征空間思想，構(gòu)造寬帶波束形成算法權(quán)矢量wPM-BESB，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)健的寬帶自適應(yīng)波束形成。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種高效的寬帶穩(wěn)健自適應(yīng)波束形成方法，其特征是，所述步驟I),具體實(shí)現(xiàn)如下 考慮有M個(gè)全向陣元的均勻線陣的情況，陣元間距為中心頻率的半波長(zhǎng)。P個(gè)寬帶遠(yuǎn)場(chǎng)信號(hào)分別以
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種高效的寬帶穩(wěn)健自適應(yīng)波束形成方法，其特征是，當(dāng)?shù)玫礁黝l點(diǎn)接收數(shù)據(jù)之后，選取中心頻點(diǎn)fo作為聚焦頻率，則第k次快拍頻點(diǎn)&的陣列接收數(shù)據(jù)可寫為Xw = Atl(Q) S(l,k+n(l,k。因此&和&頻點(diǎn)上陣列接收數(shù)據(jù)的協(xié)方差矩陣為
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種高效的的寬帶穩(wěn)健自適應(yīng)波束形成方法，其特征是，所述步驟2)，具體實(shí)現(xiàn)如下 分別將各頻點(diǎn)陣列協(xié)方差矩陣&以及中心頻點(diǎn)陣列協(xié)方差矩陣Rtl進(jìn)行分塊可得
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種高效的的寬帶穩(wěn)健自適應(yīng)波束形成方法，其特征是，利用傳播算子思想，對(duì)協(xié)方差矩陣進(jìn)行分塊得到各頻點(diǎn)的傳播算子
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種高效的的寬帶穩(wěn)健自適應(yīng)波束形成方法，其特征是，所述步驟3),具體實(shí)現(xiàn)如下 利用各頻點(diǎn)的傳播算子&和中心頻點(diǎn)的傳播算子Po，定義聚焦矩陣，將不同頻點(diǎn)的傳播算子變換到參考頻點(diǎn)上
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種高效的寬帶穩(wěn)健自適應(yīng)波束形成方法，其特征是，所述步驟4)，具體實(shí)現(xiàn)如下 利用矩陣?yán)碚撝R(shí)不難得到如下式子
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種高效的寬帶穩(wěn)健自適應(yīng)波束形成方法，其特征是，結(jié)合傳播算子思想，利用單一頻點(diǎn)的傳播算子的估計(jì)^構(gòu)造MX (M-P)維的矩陣Q，且滿足
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種高效的寬帶穩(wěn)健自適應(yīng)波束形成方法，其特征是，所述步驟5),具體實(shí)現(xiàn)如下 利用特征空間自適應(yīng)波束形成算法思想和傳播算子的聚焦理論，得到寬帶特征空間自適應(yīng)波束形成(PM-BESB)算法權(quán)矢量。這里的Rtl指的是參考頻點(diǎn)的協(xié)方差矩陣，a( Stl)表示的是期望信號(hào)的導(dǎo)向矢量，Qtl是期望信號(hào)的DOA。最后利用權(quán)矢量實(shí)現(xiàn)穩(wěn)健的寬帶自適應(yīng)波束形成。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種高效的寬帶穩(wěn)健自適應(yīng)波束形成方法，用于無(wú)線通信領(lǐng)域，方法如下將陣列接收數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT變換，得到不同頻點(diǎn)上的接收數(shù)據(jù)和各頻點(diǎn)接收數(shù)據(jù)的協(xié)方差矩陣，選取中心頻點(diǎn)作為參考頻點(diǎn)；利用傳播算子思想，分別將各頻點(diǎn)的協(xié)方差矩陣和中心頻點(diǎn)的協(xié)方差矩陣進(jìn)行矩陣分塊，得到各頻點(diǎn)的傳播算子和中心頻點(diǎn)的傳播算子；構(gòu)造聚焦變換矩陣，將不同頻點(diǎn)的傳播算子聚焦到同一參考頻點(diǎn)上；得到最終的傳播算子估計(jì)和噪聲子空間；結(jié)合特征空間思想，構(gòu)造寬帶波束形成算法權(quán)矢量，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)健的寬帶自適應(yīng)波束形成。與傳統(tǒng)相干信號(hào)子空間算法相比，本發(fā)明不需要任何奇異值或特征值分解，無(wú)需對(duì)角加載技術(shù)，對(duì)于低快拍、期望信號(hào)較強(qiáng)的環(huán)境下都體現(xiàn)較好的性能，尤其是在期望信號(hào)估計(jì)存在一定誤差的條件下，改方法具有更強(qiáng)的穩(wěn)健性，同時(shí)降低了復(fù)雜度。
文檔編號(hào)H04B7/06GK102664666SQ20121010071
公開(kāi)日2012年9月12日 申請(qǐng)日期2012年4月9日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月9日
發(fā)明者余鵬程, 楊峰, 楊鵬 申請(qǐng)人:電子科技大學(xué)