CN101483280B - 一种稳健波束合成器权值求解方法 - Google Patents

Abstract

一种稳健波束合成器权值求解方法，其步骤为：第一步，通过对阵列接收信号x(t)进行AD采样，估计出协方差矩阵R；第二步，通过协方差矩阵进行波达方向估计，得到期望信号和M个干扰信号的波达方向；第三步，由波达方向得到M+1个子权矢量w₀，...，w_M；第四步，阵列总的权矢量按照公式

得到。这种稳健波束合成器的优势在于不需要通过增加约束条件对阵列误差作复杂校正，从而具有较少运算量的同时，又实现波束合成器的稳健性。

Description

一种稳健波束合成器权值求解方法

技术领域

本发明涉及波束合成领域，具体涉及一种稳健波束合成器权值求解方法。

技术背景

波束合成器在通信、雷达中广泛应用，通过一定的最优化方法，对阵列天线接收信号x(t)进行信号处理，计算出阵列的权矢量w(t)，从而使阵列方向图主瓣对准期望信号，而零陷对准干扰信号，达到抑制干扰，提高系统输出信干噪比的效果。但是，由于阵列位置误差，通道不一致误差，阵元耦合误差的存在，对信号的波达方向估计是存在误差的。误差产生的结果，会使得期望信号不在方向图主瓣范围内，而干扰也不在方向图零陷范围内，这样就使波束合成器失去抑制干扰的功能，不但不能提高输出信干噪比，甚至有可能还减少输出信干噪比。

为了克服误差影响，需要寻找稳健的波束合成器。已有的稳健波束合成器包括投影方法，对角负载方法，贝叶斯方法，凸集优化方法，其目的都是试图把主瓣和零陷宽度加宽，使期望信号不至于超出主瓣范围，干扰信号不至于超出零陷范围。这些方法可以获得很好误差校正效果，但是，由于增加大量约束条件，使得权矢量计算增加了非常大的运算量。

发明内容

本发明的目的，就是在基本波束合成器实现方法基础上，不增加新的约束条件和运算量，仅对零陷进行加宽，从而用较少运算量克服由于阵列各种误差引起的波达方向估计误差，使干扰信号始终位于零陷范围内，实现稳健的波束合成器。

一种稳健波束合成器权值求解方法，其实现步骤为：第一步，对阵列(I)接收信号x(t)进行K次采样，得到K个快拍x(1)，...，x(K)，从而在权值求解单元(II)中构成数据矩阵X＝[x(1)...x(K)]，按照公式

估计得到阵列协方差矩阵R。第二步，在权值求解单元(II)中，通过MUSIC算法利用协方差矩阵R估计出空间期望信号s₀(t)的波达方向θ₀，以及M个干扰信号s₁(t)，...，s_M(t)的波达方向θ₁，...，θ_M。第三步，在权值求解单元(II)中，由期望信号波达方向θ₀得到方向矢量v(θ₀)，从而得到一个子权矢量w₀＝v(θ₀)；由M个干扰波达方向θ₁，...，θ_M得到M个方向矢量v(θ₁)，...，v(θ_M)，从而得到M个子权矢量w₁＝v(θ₁)，...，w_M＝v(θ_M)。第四步，阵列总的权矢量按照公式

得到，并把该权矢量传递给加权求和单元(III)；加权求和单元(III)按照公式y(t)＝w^H(t)×x(t)计算阵列加权输出。

该发明的有益效果是没有采用复杂的约束条件，但零陷宽度得到增加，从而使权值求解非常简单，并实现的波束合成的稳健性效果。

附图说明

图1是稳健波束合成器权值求解框图；

图2是稳健波束合成器结构框图；

图3是均匀线阵阵列接收信号示意图；

图4是稳健波束合成器方向图；

图5是加权求和单元结构图。

具体实施方式

方法实现步骤如图1所示。系统结构如图2所示，波束合成器包括了天线阵(I)，权值求解单元(II)和加权求和单元(III)。

如图3所示，假设天线阵(I)为均匀线阵形式的阵列，阵元间距为载波波长一半，而空间具有一个期望信号s₀(t)，波达方向θ₀，M个干扰信号分别为s₁(t)，...，s_M(t)，波达方向分别为θ₁，...，θ_M，这些信号是远场窄带不相干信号。阵列接收信号矢量可以表示为

其中v(θ_m)为波达方向为θ_m的信号对应的方向矢量。

在权值求解单元(II)中，对接收信号矢量进行AD变换，得到K个连续的采样信号，每个采样信号称为一个快拍，即x(k)，k＝1，...，K。把K个快拍数据矢量构成一个数据矩阵，即X＝[x(1)...x(K)]，按照公式

估计阵列接收信号的协方差矩阵R。对协方差矩阵R进行空间谱估计，计算出相应的期望信号和干扰信号的波达方向。这个空间谱估计可以采用MUSIC算法，步骤为：

第一步，用序列假设(SH)算法，或者赤池信息论准则(AIC)方法，或者最小描述长度(MDL)方法，估计出期望和干扰信号个数M+1。

第二步，对协方差矩阵进行特征分解，取其M+1个较大特征值对应特征矢量e₀，...，e_M，并把这M+1个特征矢量构成一个矩阵F＝[e₀...e_M]。

第三步，定义变量θ，θ取值范围为0°～180°，计算空间谱函数

该函数必然有M+1个谱峰，即局部最大值，而这M+1个谱峰对应的θ，就是θ₀，...，θ_M。

利用MUSIC法估计出θ₀，...，θ_M后，则可以计算阵列权矢量w(t)。基本的波束合成器权矢量按照公式 $w\left(t\right)=\frac{R^{-1}v\left({\mathrm{\θ}}_0\right)}{v^H\left({\mathrm{\θ}}_0\right)R^{-1}v\left({\mathrm{\θ}}_0\right)}$ 计算，但由于阵列各种误差的存在，MUSIC法估计出的波达方向是有误差的，误差可能使得干扰超出方向图零陷范围，所以，基本波束合成器是不具备稳健性的。而本发明的权值求解则在估计出波达方向后，进行如下所示方法计算：

第一步，用的M+1个波达方向，分别计算M+1个方向矢量v(θ₀)，...，v(θ_M)。

第二步，令w₀＝v(θ₀)，...，w_M＝v(θ_M)。

第三步，阵列最终权矢量 $w\left(t\right)=w_0-\underset{m-1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{w}_m.$

图4所示，为8阵元阵列，期望信号位于90°，两个干扰位于60°和120°时本发明稳健波束合成器方向图，图中可以看出零陷宽度较大，可以校正波达方向估计误差的影响，保证干扰不会超出零陷范围。

权值w(t)获得以后，传递给加权求和单元(III)，对阵列接收信号矢量x(t)进行加权，并求和，即完成计算y(t)＝w^H(t)x(t)。阵列的输出为y(t)。加权求和单元(III)如图4所示。

本发明相对于传统波束合成器，具有克服误差的稳健性，同时相对于投影方法，对角负载方法，贝叶斯方法，凸集优化方法的稳健波束合成器，没有约束条件，运算量小的多。

Claims (4)

1.一种稳健波束合成器权值求解方法，其实现步骤为：

第一步，对阵列(I)接收信号x(t)进行K次采样，得到K个快拍x(1)，...，x(K)，从而在权值求解单元(II)中构成数据矩阵X＝[x(1)...x(K)]，按照公式

估计得到阵列协方差矩阵R；

第二步，在权值求解单元(II)中，通过MUSIC算法利用协方差矩阵R估计出空间期望信号s₀(t)的波达方向θ₀，以及M个干扰信号s₁(t)，...，s_M(t)的波达方向θ₁，...，θ_M；

第三步，在权值求解单元(II)中，由期望信号波达方向θ₀得到方向矢量v(θ₀)，从而得到一个子权矢量w₀＝v(θ₀)，由M个干扰波达方向θ₁，...，θ_M得到M个方向矢量v(θ₁)，...，v(θ_M)，从而得到M个子权矢量w₁＝v(θ₁)，...，w_M＝v(θ_M)；

第四步，阵列总的权矢量按照公式得到，并把该权矢

量传递给加权求和单元(III)。

2.根据权利要求1所述稳健波束合成器权值求解方法，其特征在于：阵列(I)的N个阵元间距为接收信号波长的一半，阵列是均匀线阵。

3.根据权利要求1所述稳健波束合成器权值求解方法，其特征在于：加权求和单元(III)按照公式y(t)＝w^H(t)×x(t)计算阵列加权输出y(t)。

4.根据权利要求1所述稳健波束合成器权值求解方法，其特征在于：所述MUSIC算法的实现步骤为：

第一步，用序列假设算法，或者赤池信息论准则方法，或者最小描述长度方法，估计出期望和干扰信号个数M+1；

第二步，对协方差矩阵进行特征分解，取其M+1个较大特征值对应特征矢量e₀，...，e_M，并把这M+1个特征矢量构成一个矩阵F＝[e₀...e_M]；

第三步，定义变量θ，θ取值范围为0°～180°，计算空间谱函数

该函数必然有M+1个谱峰，即局部最大值，而这M+1个谱峰对应的θ，就是θ₀，...，θ_M。

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