專利名稱：一種投影虛擬天線波束形成方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種通訊系統(tǒng)的控制方法，具體地說是一種提高虛擬天線抗干擾性能的方法。
背景技術(shù)：
在當(dāng)今的無線通信環(huán)境中，電磁干擾問題日益嚴(yán)重，環(huán)境因素限制日益突出，有時(shí)實(shí)際陣列天線在一些場合中的應(yīng)用性能會(huì)下降甚至失效，因此，如何在保持陣列增益、輸出信干噪比、波束寬度等指標(biāo)的前提下，增加陣列的自由度、擴(kuò)展陣列孔徑已成為未來陣列的發(fā)展趨勢之一，虛擬天線就是在這種需求下產(chǎn)生的，是目前最先進(jìn)的陣列天線技術(shù)。已有的可產(chǎn)生虛擬陣元的方法，主要可以分為三類針對高分辨率的波達(dá)方向估計(jì)提出的高階累積量法，F(xiàn)riedlander等提出的陣列內(nèi)插變換法，針對虛擬陣元波束形成的線性預(yù)測和最小二乘方法。
高階累積量法擴(kuò)展陣列的根本點(diǎn)在于用高階累積量代替?zhèn)鹘y(tǒng)算法中的二階累積量(協(xié)方差或者相關(guān)矩陣)，利用冗余的數(shù)據(jù)構(gòu)建虛擬陣元，可有效地產(chǎn)生虛擬陣元，但是高階累積量的方法運(yùn)算量很大，對硬件的要求比較高，在一些反應(yīng)迅速的場合難以保證實(shí)時(shí)性；線性預(yù)測和最小二乘虛擬波束形成方法性能受限于實(shí)際陣列的配置和接收信號的相關(guān)性；陣列內(nèi)插法通過在感興趣的陣列掃描區(qū)域內(nèi)進(jìn)行插值，將實(shí)際陣列轉(zhuǎn)化成預(yù)先設(shè)定的虛擬陣列，可有效地增加陣元數(shù)，突破二階子空間類算法對入射信號數(shù)的限制，并可以實(shí)現(xiàn)按需轉(zhuǎn)換陣列形式，以便應(yīng)用各種優(yōu)異的算法。另外，在低信噪比情況下，陣列內(nèi)插虛擬變換方法的性能最好。由于陣列內(nèi)插法具有如此多的優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是一種極具潛力的虛擬陣列天線策略。
國防科技大學(xué)的蘇保偉在其博士論文“陣列數(shù)字波束形成技術(shù)研究”的第五章“虛擬變換自適應(yīng)波束形成方法”中，利用陣列內(nèi)插方法將任意形狀陣列轉(zhuǎn)化為虛擬等距均勻線陣，可以應(yīng)用眾多基于ULA陣的優(yōu)異算法，并可以抑制超自由度的干擾，通過對自適應(yīng)波束形成的抗干擾性能的仿真，發(fā)現(xiàn)虛擬天線對干擾的抑制增益并不高，尤其是當(dāng)入射的信號數(shù)大于實(shí)際陣列天線的陣元數(shù)時(shí)，陣列增益低，相應(yīng)地輸出信干噪比比較低。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種能夠提高虛擬天線抗干擾性能的投影虛擬天線波束形成方法。
本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的
本發(fā)明包括如下步驟
(I)對到達(dá)陣列天線的M個(gè)干擾信號方位進(jìn)行預(yù)估計(jì)；
(2)確定變換區(qū)域Θ并進(jìn)行內(nèi)插變換，得到變換矩陣在變換區(qū)域內(nèi)均勻設(shè)置L個(gè)插值點(diǎn)，確定實(shí)際陣列天線和虛擬天線在各個(gè)插值點(diǎn)的導(dǎo)向矢量，并得到實(shí)際和虛擬陣列流形矩陣A和A,由公式B = AAw(AA )-]得到變換矩陣B，其中Θ表示進(jìn)行內(nèi)插變換的空間3角度區(qū)域，即干擾信號的來波方向；A表示變換區(qū)域內(nèi)實(shí)際陣列天線的流形矩陣；S表示變換區(qū)域內(nèi)虛擬陣列天線的流形矩陣；B表示A矩陣和S矩陣的變換關(guān)系；
(3)建立干擾子空間由變換區(qū)域的協(xié)方差矩陣特征分解得到的大特征值對應(yīng)的特征向量作為基向量，張成干擾子空間，計(jì)算變換區(qū)域內(nèi)的協(xié)方差矩陣R0，并對R0進(jìn)行特征分解，R02 >2 >...>2以R0的M個(gè)大特征值對應(yīng)的特征矢量作為基向ifc=!θι ~ ~ θτ，量，張成干擾子空間P :p = SDan|^石...Tj I定義投影算子為= Dft，其中RM表P I 5 eIj 5 0M)'t=1示變換區(qū)域內(nèi)接收到信號的協(xié)方差矩陣表示對R0進(jìn)行譜分解所得到的第k個(gè)特征值； 表示對R0進(jìn)行譜分解所得到的第k個(gè)特征值所對應(yīng)的特征向量；T表示 與相乘所得到的矩陣，即投影矩陣；
(4)加入干擾空間投影將得到的變換矩陣B向干擾空間投影，得到修正的變換矩陣B ,B = TB ,調(diào)整虛擬數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣= BRB^ ;
( 5 )完成內(nèi)插虛擬變換并形成波束在白化色噪聲后，依據(jù)最小方差無畸變響應(yīng)準(zhǔn)則進(jìn)行波束賦形，得到虛擬天線輸出數(shù)據(jù)。
本發(fā)明的有益效果在于
I)針對實(shí)際陣列天線最大抗干擾信號數(shù)量等于陣列天線的自由度，抗干擾信號數(shù)量少的問題。本發(fā)明可以增加虛擬陣元，抗超自由度的干擾，在抗相同數(shù)量的干擾時(shí)只需更少的實(shí)際陣元數(shù)；并通過自適應(yīng)波束形成，可以使主瓣對準(zhǔn)期望信號方向，自適應(yīng)地抑制空間未知的干擾信號，提升電子設(shè)備擁擠平臺整體的電磁兼容性。
2)針對普通虛擬變換所形成的波束圖中零陷較淺，副瓣偏高的問題，本發(fā)明可以增強(qiáng)虛擬天線協(xié)方差矩陣的信號子空間并抑制小特征矢量的擾動(dòng)，提高大小特征值強(qiáng)度比，極大的增加波束形成的零陷深度，改善副瓣特性，提高陣列天線的抗干擾性能。


圖I是本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)步驟示意圖2為自適應(yīng)波束形成圖3為協(xié)方差矩陣的特征值圖4為陣列輸出信干噪比圖5為自適應(yīng)波束形成圖6為陣列輸出信干噪比圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步描述
本發(fā)明的方法采用下述仿真進(jìn)行驗(yàn)證
仿真條件實(shí)際陣列為4陣元等距均勻線陣，陣元間距為λ，期望信號從0°入射，信噪比SNR = OdB, 2個(gè)獨(dú)立干擾分別位于-60° ,40°方向，干燥比INR = 40dB，虛擬天線為8陣元等距均勻線陣，陣元間距λ/2，內(nèi)插變換區(qū)域?yàn)閇-65°，-55° ] U [35° ,45° ]，步長為0.1°，快拍數(shù)為200，并與實(shí)際的8陣元，陣元間距λ/2的ULA陣作對比，考察PVABF算法的性能。
圖2是實(shí)際陣列天線、虛擬天線波束形成(VABF)方法和投影虛擬天線波束形成 (PVABF)方法的自適應(yīng)波束形成圖，可見當(dāng)來波信號數(shù)不超過實(shí)際陣列天線的自由度時(shí)， 四種方法都能夠在干擾方向自適應(yīng)地形成零點(diǎn)，除了 4陣元實(shí)際陣列主瓣有5°左右的偏移且出現(xiàn)柵瓣，其余方法的主瓣都能夠?qū)?zhǔn)期望信號方向。VABF算法的干擾抑制增益在-30dB左右，8陣元實(shí)際陣列天線在-60dB左右，PVABF算法干擾抑制增益達(dá)到-120dB以上，得到了明顯提升，甚至要高于數(shù)目相同的實(shí)際陣列天線。
圖3是實(shí)際陣列天線、VABF方法和PVABF方法的特征值曲線，四種方法協(xié)方差矩陣特征分解都能夠得到兩個(gè)大的特征值，對應(yīng)兩個(gè)干擾信號分量，PVABF算法的大小特征值界限最為明顯，這是由于經(jīng)過子空間投影后使信號子空間得到增強(qiáng)并且抑制了噪聲子空間小特征值和對應(yīng)的特征矢量擾動(dòng)的緣故。
圖4是實(shí)際陣列、VABF方法和PVABF方法的輸出信干噪比曲線，4陣元實(shí)際陣列天線的輸出SINR在-13dB左右，VABF算法的輸出SINR在_9dB左右，PVABF輸出SINR在IOdB 左右，8陣元實(shí)際陣列天線的輸出SINR最高，在12dB左右。此時(shí)PVABF算法較VABF算法和 4陣元實(shí)際陣列性能有很大改善，但仍差于數(shù)目相同的8陣元實(shí)際陣列天線。
可見，虛擬天線波束形成的方法可有效地濾除干擾，PVABF方法由于引入干擾空間投影(ISP)策略，使信號子空間特征值得到增強(qiáng)而變大，同時(shí)抑制了噪聲子空間小特征值的擾動(dòng)，提高了大小特征值強(qiáng)度比，保證了高的干擾抑制增益，提升了虛擬天線抗干擾性倉泛。
實(shí)際陣列為4陣元等距均勻線陣，陣元間距為λ，期望信號從0°入射，信噪比SNR =OdB，5個(gè)獨(dú)立干擾分別位于-60°，-40° ,30°，50°，70°方向，干燥比INR = 40dB， 內(nèi)插變換為8陣元，間距為λ /2的虛擬等距均勻線陣，并和實(shí)際8陣元，間距λ /2的等距均勻線陣作對比，考察虛擬天線的性能。
投影虛擬陣列變換方法的步驟如下
I.確定變換區(qū)域，要求包含所有的干擾信號，變換區(qū)域劃分為[-65°，-35° ] U [ 25。，55。] U [65° ,75。];
2.陣列內(nèi)插，在變換區(qū)域內(nèi)設(shè)置插值點(diǎn)，步長大小決定了變換的精度，步長設(shè)為 O. 1°，得到在各個(gè)插值點(diǎn)的實(shí)際陣列A和虛擬陣列的導(dǎo)向矢量X，由公式B = AAfi(AA吖1得到變換矩陣B ；
3.構(gòu)建干擾空間。由虛擬天線在全部干擾方向的導(dǎo)向矢量生成集合空間 {瓦(-60 )J(-40 )J(30'XW(5(T)J(70 )j ,構(gòu)建投影矩陣
τ _ , a(—60 )a" (-60 )十 a(_40 )a " (_40:) +[a(303) η(30°) + a(50 ) Η(50") +1(70。) Η(70°)y
4.投影變換，將變換矩陣B向干擾空間投影，得到修正的變換矩陣；§Β = ΤΒ,相應(yīng)地虛擬協(xié)方差矩陣調(diào)整為= ；
5. MVDR波束形成，計(jì)算MVDR波束形成最優(yōu)權(quán)值
Wopi = aR-'alO ) 'a = [5"(0 )R !a(0 )] !。
仿真得到的波束形成曲線和陣列輸出信干噪比曲線如圖5和6所示。
權(quán)利要求
1.一種投影虛擬天線波束形成方法，其特征在于，包括如下步驟 (1)對到達(dá)陣列天線的M個(gè)干擾信號方位進(jìn)行預(yù)估計(jì)； (2)確定變換區(qū)域 并進(jìn)行內(nèi)插變換，得到變換矩陣在變換區(qū)域內(nèi)均勻設(shè)置L個(gè)插值點(diǎn)，確定實(shí)際陣列天線和虛擬天線在各個(gè)插值點(diǎn)的導(dǎo)向矢量，并得到實(shí)際和虛擬陣列流形矩陣A和X，由公式B = AAff(AA吖j得到變換矩陣B，其中 表示進(jìn)行內(nèi)插變換的空間角度區(qū)域，即干擾信號的來波方向；A表示變換區(qū)域內(nèi)實(shí)際陣列天線的流形矩陣；瓦表示變換區(qū)域內(nèi)虛擬陣列天線的流形矩陣；B表示A矩陣和X矩陣的變換關(guān)系； (3)建立干擾子空間由變換區(qū)域的協(xié)方差矩陣特征分解得到的大特征值對應(yīng)的特征向量作為基向量，張成干擾子空間，計(jì)算變換區(qū)域內(nèi)的協(xié)方差矩陣R0，并對R0進(jìn)行特征分
全文摘要
本發(fā)明涉及的是一種通訊系統(tǒng)的控制方法，具體地說是一種提高虛擬天線抗干擾性能的方法。本發(fā)明包括如下步驟對到達(dá)陣列天線的M個(gè)干擾信號方位進(jìn)行預(yù)估計(jì)；確定變換區(qū)域Θ并進(jìn)行內(nèi)插變換，得到變換矩陣；建立干擾子空間；加入干擾空間投影；完成內(nèi)插虛擬變換并形成波束。本發(fā)明可以增強(qiáng)虛擬天線協(xié)方差矩陣的信號子空間并抑制小特征矢量的擾動(dòng)，提高大小特征值強(qiáng)度比，極大的增加波束形成的零陷深度，改善副瓣特性，提高陣列天線的抗干擾性能。
文檔編號H04B7/08GK102983896SQ201210464929
公開日2013年3月20日 申請日期2012年11月16日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月16日
發(fā)明者李文興, 李弋鵬, 李思 申請人:哈爾濱工程大學(xué)