CN102983896B - 一种投影虚拟天线波束形成方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及的是一种通讯系统的控制方法，具体地说是一种提高虚拟天线抗干扰性能的方法。本发明包括如下步骤：对到达阵列天线的M个干扰信号方位进行预估计；确定变换区域Θ并进行内插变换，得到变换矩阵；建立干扰子空间；加入干扰空间投影；完成内插虚拟变换并形成波束。本发明可以增强虚拟天线协方差矩阵的信号子空间并抑制小特征矢量的扰动，提高大小特征值强度比，极大的增加波束形成的零陷深度，改善副瓣特性，提高阵列天线的抗干扰性能。

Description

一种投影虚拟天线波束形成方法

技术领域

本发明涉及的是一种通讯系统的控制方法，具体地说是一种提高虚拟天线抗干扰性能的方法。

背景技术

在当今的无线通信环境中，电磁干扰问题日益严重，环境因素限制日益突出，有时实际阵列天线在一些场合中的应用性能会下降甚至失效，因此，如何在保持阵列增益、输出信干噪比、波束宽度等指标的前提下，增加阵列的自由度、扩展阵列孔径已成为未来阵列的发展趋势之一，虚拟天线就是在这种需求下产生的，是目前最先进的阵列天线技术。已有的可产生虚拟阵元的方法，主要可以分为三类：针对高分辨率的波达方向估计提出的高阶累积量法，Friedlander等提出的阵列内插变换法，针对虚拟阵元波束形成的线性预测和最小二乘方法。

高阶累积量法扩展阵列的根本点在于用高阶累积量代替传统算法中的二阶累积量（协方差或者相关矩阵），利用冗余的数据构建虚拟阵元，可有效地产生虚拟阵元，但是高阶累积量的方法运算量很大，对硬件的要求比较高，在一些反应迅速的场合难以保证实时性；线性预测和最小二乘虚拟波束形成方法性能受限于实际阵列的配置和接收信号的相关性；阵列内插法通过在感兴趣的阵列扫描区域内进行插值，将实际阵列转化成预先设定的虚拟阵列，可有效地增加阵元数，突破二阶子空间类算法对入射信号数的限制，并可以实现按需转换阵列形式，以便应用各种优异的算法。另外，在低信噪比情况下，阵列内插虚拟变换方法的性能最好。由于阵列内插法具有如此多的优点，被认为是一种极具潜力的虚拟阵列天线策略。

国防科技大学的苏保伟在其博士论文“阵列数字波束形成技术研究”的第五章“虚拟变换自适应波束形成方法”中，利用阵列内插方法将任意形状阵列转化为虚拟等距均匀线阵，可以应用众多基于ULA阵的优异算法，并可以抑制超自由度的干扰，通过对自适应波束形成的抗干扰性能的仿真，发现虚拟天线对干扰的抑制增益并不高，尤其是当入射的信号数大于实际阵列天线的阵元数时，阵列增益低，相应地输出信干噪比比较低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够提高虚拟天线抗干扰性能的投影虚拟天线波束形成方法。

本发明的目的是这样实现的：

本发明包括如下步骤：

（1）对到达阵列天线的M个干扰信号方位进行预估计；

（2）确定变换区域Θ并进行内插变换，得到变换矩阵：在变换区域内均匀设置L个插值点，确定实际阵列天线和虚拟天线在各个插值点的导向矢量，并得到实际和虚拟阵列流形矩阵A和由公式得到变换矩阵B，其中Θ表示进行内插变换的空间角度区域，即干扰信号的来波方向；A表示变换区域内实际阵列天线的流形矩阵；表示变换区域内虚拟阵列天线的流形矩阵；B表示A矩阵和矩阵的变换关系；

（3）建立干扰子空间：由变换区域的协方差矩阵特征分解得到的大特征值对应的特征向量作为基向量，张成干扰子空间，计算变换区域内的协方差矩阵R_Θ，并对R_Θ进行特征分解， 以R_Θ的M个大特征值对应的特征矢量作为基向量，张成干扰子空间P： $P=\mathrm{span}\{{\stackrel{-}{\mathrm{\υ}}}_{{\mathrm{\θ}}_1},{\stackrel{-}{\mathrm{\υ}}}_{{\mathrm{\θ}}_2},\·\·\·,{\stackrel{-}{\mathrm{\υ}}}_{{\mathrm{\θ}}_M}\},$ 定义投影算子为：其中：R_Θ表示变换区域内接收到信号的协方差矩阵；表示对R_Θ进行谱分解所得到的第k个特征值；表示对R_Θ进行谱分解所得到的第k个特征值所对应的特征向量；T表示与相乘所得到的矩阵，即投影矩阵；

（4）加入干扰空间投影：将得到的变换矩阵B向干扰空间投影，得到修正的变换矩阵 调整虚拟数据协方差矩阵

（5）完成内插虚拟变换并形成波束：在白化色噪声后，依据最小方差无畸变响应准则进行波束赋形，得到虚拟天线输出数据。

本发明的有益效果在于：

1）针对实际阵列天线最大抗干扰信号数量等于阵列天线的自由度，抗干扰信号数量少的问题。本发明可以增加虚拟阵元，抗超自由度的干扰，在抗相同数量的干扰时只需更少的实际阵元数；并通过自适应波束形成，可以使主瓣对准期望信号方向，自适应地抑制空间未知的干扰信号，提升电子设备拥挤平台整体的电磁兼容性。

2）针对普通虚拟变换所形成的波束图中零陷较浅，副瓣偏高的问题，本发明可以增强虚拟天线协方差矩阵的信号子空间并抑制小特征矢量的扰动，提高大小特征值强度比，极大的增加波束形成的零陷深度，改善副瓣特性，提高阵列天线的抗干扰性能。

附图说明

图1是本发明的实现步骤示意图；

图2为自适应波束形成图；

图3为协方差矩阵的特征值图；

图4为阵列输出信干噪比图；

图5为自适应波束形成图；

图6为阵列输出信干噪比图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述：

本发明的方法采用下述仿真进行验证：

仿真条件：实际阵列为4阵元等距均匀线阵，阵元间距为λ，期望信号从0°入射，信噪比SNR＝0dB，2个独立干扰分别位于-60°,40°方向，干燥比INR＝40dB，虚拟天线为8阵元等距均匀线阵，阵元间距λ/2，内插变换区域为[-65°,-55°]∪[35°,45°]，步长为0.1°，快拍数为200，并与实际的8阵元，阵元间距λ/2的ULA阵作对比，考察PVABF算法的性能。

图2是实际阵列天线、虚拟天线波束形成(VABF)方法和投影虚拟天线波束形成(PVABF)方法的自适应波束形成图，可见当来波信号数不超过实际阵列天线的自由度时，四种方法都能够在干扰方向自适应地形成零点，除了4阵元实际阵列主瓣有5°左右的偏移且出现栅瓣，其余方法的主瓣都能够对准期望信号方向。VABF算法的干扰抑制增益在-30dB左右，8阵元实际阵列天线在-60dB左右，PVABF算法干扰抑制增益达到-120dB以上，得到了明显提升，甚至要高于数目相同的实际阵列天线。

图3是实际阵列天线、VABF方法和PVABF方法的特征值曲线，四种方法协方差矩阵特征分解都能够得到两个大的特征值，对应两个干扰信号分量，PVABF算法的大小特征值界限最为明显，这是由于经过子空间投影后使信号子空间得到增强并且抑制了噪声子空间小特征值和对应的特征矢量扰动的缘故。

图4是实际阵列、VABF方法和PVABF方法的输出信干噪比曲线，4阵元实际阵列天线的输出SINR在-13dB左右，VABF算法的输出SINR在-9dB左右，PVABF输出SINR在10dB左右，8阵元实际阵列天线的输出SINR最高，在12dB左右。此时PVABF算法较VABF算法和4阵元实际阵列性能有很大改善，但仍差于数目相同的8阵元实际阵列天线。

可见，虚拟天线波束形成的方法可有效地滤除干扰，PVABF方法由于引入干扰空间投影(ISP)策略，使信号子空间特征值得到增强而变大，同时抑制了噪声子空间小特征值的扰动，提高了大小特征值强度比，保证了高的干扰抑制增益，提升了虚拟天线抗干扰性能。

实际阵列为4阵元等距均匀线阵，阵元间距为λ，期望信号从0°入射，信噪比SNR＝0dB，5个独立干扰分别位于-60°,-40°,30°,50°,70°方向，干燥比INR＝40dB，内插变换为8阵元，间距为λ/2的虚拟等距均匀线阵，并和实际8阵元，间距λ/2的等距均匀线阵作对比，考察虚拟天线的性能。

投影虚拟阵列变换方法的步骤如下：

1.确定变换区域，要求包含所有的干扰信号，变换区域划分为[-65°,-35°]∪[25°,55°]∪[65°,75°]；

2.阵列内插，在变换区域内设置插值点，步长大小决定了变换的精度，步长设为0.1°，得到在各个插值点的实际阵列A和虚拟阵列的导向矢量由公式得到变换矩阵B；

3.构建干扰空间。由虚拟天线在全部干扰方向的导向矢量生成集合空间构建投影矩阵

4.投影变换，将变换矩阵B向干扰空间投影，得到修正的变换矩阵 相应地虚拟协方差矩阵调整为：

5.MVDR波束形成，计算MVDR波束形成最优权值：

仿真得到的波束形成曲线和阵列输出信干噪比曲线如图5和6所示。

Claims (1)

1.一种投影虚拟天线波束形成方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）对到达阵列天线的M个干扰信号方位进行预估计；

（2）确定变换区域Θ并进行内插变换，得到变换矩阵：在变换区域内均匀设置L个插值点，确定实际阵列天线和虚拟天线在各个插值点的导向矢量，并得到实际和虚拟阵列流形矩阵A和由公式得到变换矩阵B，其中Θ表示进行内插变换的空间角度区域，即干扰信号的来波方向；A表示变换区域内实际阵列天线的流形矩阵；表示变换区域内虚拟阵列天线的流形矩阵；B表示A矩阵和矩阵的变换关系；

（3）建立干扰子空间：由变换区域的协方差矩阵特征分解得到的大特征值对应的特征向量作为基向量，张成干扰子空间，计算变换区域内的协方差矩阵R_Θ，并对R_Θ进行特征分解， 以R_Θ的M个大特征值对应的特征矢量作为基向量，张成干扰子空间P： $P=\mathrm{span}\{{\stackrel{-}{\mathrm{\υ}}}_{{\mathrm{\θ}}_1},{\stackrel{-}{\mathrm{\υ}}}_{{\mathrm{\θ}}_2},\·\·\·,{\stackrel{-}{\mathrm{\υ}}}_{{\mathrm{\θ}}_M}\},$ 定义投影算子为：其中：R_Θ表示变换区域内接收到信号的协方差矩阵；表示对RΘ进行谱分解所得到的第k个特征值；表示对R_Θ进行谱分解所得到的第k个特征值所对应的特征向量；T表示与相乘所得到的矩阵，即投影矩阵；

（4）加入干扰空间投影：将得到的变换矩阵B向干扰空间投影，得到修正的变换矩阵 调整虚拟数据协方差矩阵

（5）完成内插虚拟变换并形成波束：在白化色噪声后，依据最小方差无畸变响应准则进行波束赋形，得到虚拟天线输出数据。