CN107241131B - 一种利用信号非圆特性的波束形成方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于电子信息技术领域中的波束形成方法，特别是一种利用信号非圆特性的波束形成方法。本发明方法首先对接收的非圆信号进行时域采样得到观测矢量；然后，对观测矢量取实部和虚部获得了一个扩展的观测矢量的信号模型；再将搜索空域范围和非圆相位按角度划分网格获得权向量矩阵，并将其与扩展的观测矢量做内积，画出接收信号的三维方向图，该图最大值点对应的方位角和非圆相位即为非圆信号的波达方向和非圆相位的估计值；最后把来波方向估计值与信号的非圆系数结合，构造目标信号加权向量函数，然后求得期望信号方向图。基于信号非圆特性波束形成方法利用非圆特性做选择，滤除干扰信号，从而显著减少干扰对感兴趣信号DOA估计的影响。

Description

一种利用信号非圆特性的波束形成方法
技术领域
本发明属于电子信息技术领域中的波束形成方法，特别是一种利用信号非圆特性的波束形成方法。
背景技术
波束形成利用空间多传感阵列所构成的系统对空间信号进行发射或接收。通过对阵列接收信息的加权处理，使得阵列输出中期望信号的成分尽可能被有效的接收和增强，同时干扰和噪声得到有效抑制。在基于这种原理的现有方法中，典型的有最小方差无畸变(MVDR，Minimum Variance Distortionless Response)波束形成、线性多约束最小方差(LCMV，Linear Constraint Minimum Variance)波束形成算法等。
传统的线性波束形成器一般是基于期望信号、干扰和环境噪声都是平稳的随机过程的简单假设，其概率分布满足复圆对称高斯分布。当波束形成技术应用到一些需要人工调制信号(非圆信号)的领域时，如无线通信领域，传统的基于各个准则的线性波束形成器不再是最优的，因为这些人工调制信号是非平稳的随机过程，其统计特性与传统的线性波束形成器中关于信号的假设不再相同，仅利用传统的最优波束形成器对非平稳过程进行波束形成并不能完全利用观测矢量的全部信息。
对于均匀线阵而言，增加阵元数，能够提高常规波束形成方法的分辨率，但是不能降低旁瓣水平。在不增加阵元数的情况下，若进行非均匀加权处理，虽然可以提高常规波束形成方法的分辨率，但是波束的旁瓣水平会增加，同时会伴随信噪比增益损失。
发明内容
为解决现有技术的不足，本发明提出一种高分辨率的非圆信号波束形成方法。利用空域滤波器对接收的直达波进行时域采样，将信号的扩展序列与非圆相位和空间角度的联合矢量做内积，估计出信号来波方向和信号的非圆相位值，再由联合估计值更新空域滤波器的权向量，进而改变阵列方向图的指向和形状，使阵列的空域滤波器工作在最佳状态，最终滤出期望信号。
本发明的技术方案为：
首先，对接收的非圆信号进行时域采样得到观测矢量；然后，对观测矢量取实部和虚部获得了一个扩展的观测矢量的信号模型；再将搜索空域范围和非圆相位按角度划分网格获得权向量矩阵，并将其与扩展的观测矢量做内积，画出接收信号的二维方向图，该图最大值点对应的方位角和非圆相位即为非圆信号的波达方向和非圆相位的估计值；最后把来波方向估计值与信号的非圆系数结合，构造目标信号加权向量函数，然后求得期望信号方向图。
一种利用信号非圆特性的波束形成方法，具体步骤如下：
S1、接收机分别在每个采样时刻对所接收的信号进行采样，第n个采样时刻的采样序列表示为x(n)＝As(n)+n(n)＝[x1(n) x2(n) … xM(n)]T，其中，n为不为零的自然数，M为阵元数；
S2、对于每个采样时刻，取信号的实部Re(x(n))和虚部Im(x(n))，构成采样向量
Figure GDA0002664194810000021
S3、将扫描的空域按方位角划分成L个网格点，每个网格点对应的角度方向为θ1，θ2，...，θL；
同时，将非圆相位角划分成K个网格点，每个网格点对应的非圆相位角为φ1，φ2，...，φK，对于方位角为θi，相位角为φj的导向矢量可表示为
Figure GDA0002664194810000022
同时，分别取ai，j的实部和虚部构成扩展向量
Figure GDA0002664194810000023
其中，
Figure GDA0002664194810000024
S4、计算
Figure GDA0002664194810000025
并画出ci，j的二维幅度谱，分求出幅度谱极大值点对应的方位角和相位角，也即信号的来波方向和非圆相位：
S5、由非圆信号的非圆相位估计值
Figure GDA0002664194810000026
和来波方向为
Figure GDA0002664194810000027
的信号进行空域滤波，则加权向量为
Figure GDA0002664194810000028
同时对加权向量也按实部和虚部进行扩展
Figure GDA0002664194810000029
S6、确定接收信号的方位角，即，将S2所述
Figure GDA00026641948100000210
向量与S5所述加权向量为
Figure GDA00026641948100000211
做内积，并画出相应的波形图。
本发明的有益效果是：
基于信号非圆特性波束形成方法利用非圆特性做选择，滤除干扰信号，从而显著减少干扰对感兴趣信号DOA估计的影响。并且，对具有不同非圆特性的多个信号同时入射的情况，可通过多个非圆相位的相关运算(均匀加权处理)，实现对入射信号的DOA分组估计，从而估计出感兴趣信号的DOA。
对于均匀线阵而言，增加阵元数，能够提高常规波束形成方法的分辨率，但是不能降低旁瓣水平。在不增加阵元数的情况下，若进行非均匀加权处理，虽然可以提高常规波束形成方法的分辨率，但是波束的旁瓣水平会增加，同时会伴随信噪比增益损失。本专利在不增加阵元数的情况下,通过利用信号的非圆特性进行均匀加权处理，不仅能提高分辨率，还能降低波束的旁瓣水平，并且不会引起信噪比增益损失。
具体实施方式
下面结将结合实施例，对本发明方法进行进一步说明。
本实施方式以8个阵元的均匀线性天线阵列，窄带信号源场景为例。阵元序号分别为1、2、3、4、5、6、7、8，并默认为1阵元为参考阵元，各阵元相对于1阵元的距离分别为0.5米，1.0米，1.5米，2.0米，2.5米，3米，3.5米。设定空间中有两个互不相干的信号源，其入射方向分别为θ1＝7°,θ2＝12°的信是非圆相位分别为φs1＝72°,φs2＝240°的BPSK信号。理想空间白噪声为复高斯白噪声，信噪比为10dB。采样长度为256。
本发明的具体实施方式流程如下：
步骤1.接收机分别在每个采样时刻对所接收的信号进行采样，在n＝1时刻的采样序列可表示为
Figure GDA0002664194810000031
在n＝2,3,...,256时刻对所有接收的信号进行时域采样，得到信号时域序列x(n)；
步骤2.对于每个采样时刻，取信号的实部Re(x(n))和虚部Im(x(n))
构成采样向量
Figure GDA0002664194810000041
如下给出第1，2列和最后两列前8行的值
Figure GDA0002664194810000042
值；
Figure GDA0002664194810000048
步骤3.将扫描的空域按方位角划分成1801个网格点，每个网格点对应的角度方向为θ1,θ2,...,θ1801；同时，将非圆相位角划分成360个网格点，每个网格点对应的非圆相位角为φ1,φ2,...,φ360，对于方位角为θi，相位角为φj的导向矢量可表示为
Figure GDA0002664194810000043
其中
Figure GDA0002664194810000044
其中
Figure GDA0002664194810000045
同时，分别取ai,j的实部和虚部构成扩展向量
Figure GDA0002664194810000046
如下给出第一列a0,0的值
0
-3.1416
-6.2832
-9.4248
-12.5664
-15.7080
-18.8496
-21.9911
步骤4.计算
Figure GDA0002664194810000047
并画出ci,j的二维幅度谱，分求出幅度谱两个极大值点分别对应的方位角
Figure GDA0002664194810000051
和相位角
Figure GDA0002664194810000052
也即信号的来波方向和非圆相位：
步骤5.由非圆信号的非圆相位估计值
Figure GDA0002664194810000053
和来波方向为
Figure GDA0002664194810000054
的信号进行空域滤波，则加权向量为
Figure GDA0002664194810000055
同时对加权向量也按实部和虚部进行扩展
Figure GDA0002664194810000056
下面为
Figure GDA0002664194810000057
的值
Figure GDA0002664194810000058
步骤6.确定接收信号的方位角：将步骤2所述
Figure GDA0002664194810000059
向量与步骤5所述加权向量为
Figure GDA00026641948100000510
做内积，并画出相应的波形图。
仿真实验表明常规均匀波束形成法只有一个主瓣，不能分辨两个入射方向靠的很近的信号，而基于非圆特性的波束形成算法有两个主瓣，其估计值与理论值一致，能清楚的分辨两个信号，且该算法旁瓣水平比于常规均匀波束形成算法低。综上所述，相比于常规均匀波束形成算法，信号非圆特性波束形成算法通过利用信号的非圆特性进行均匀加权处理，不仅能提高分辨率，还能降低波束的旁瓣水平，并且不会引起信噪比增益损失。

Claims (1)

1.一种利用信号非圆特性的波束形成方法，其特征在于，具体步骤如下：
S1、接收机分别在每个采样时刻对所接收的信号进行采样，第n个采样时刻的采样序列表示为x(n)＝[x1(n) x2(n)…xM(n)]T,其中，n为不为零的自然数，M为阵元数；
S2、对于每个采样时刻，取信号的实部Re(x(n))和虚部Im(x(n))，构成采样向量
Figure FDA0002664194800000011
S3、将扫描的空域按方位角划分成L个网格点，每个网格点对应的角度方向为θ1,θ2,...,θL；
同时，将非圆相位角划分成K个网格点，每个网格点对应的非圆相位角为φ1,φ2,...,φK，
对于方位角为θi，相位角为φj的导向矢量可表示为
Figure FDA0002664194800000012
同时，分别取ai,j的实部和虚部构成扩展向量
Figure FDA0002664194800000013
其中，
Figure FDA0002664194800000014
S4、计算接收信号
Figure FDA0002664194800000015
并画出ci,j的二维幅度谱，分求出幅度谱极大值点对应的方位角和相位角，也即信号的来波方向和非圆相位：
S5、由S4得到的非圆信号的非圆相位估计值
Figure FDA0002664194800000016
和来波方向为
Figure FDA0002664194800000017
的信号进行空域滤波，则加权向量为
Figure FDA0002664194800000018
同时对加权向量也按实部和虚部进行扩展
Figure FDA0002664194800000019
S6、确定接收信号的方位角，即，将S2所述
Figure FDA00026641948000000110
向量与S5所述加权向量为
Figure FDA00026641948000000111
做内积，并画出相应的波形图。
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