CN107979404A - 基于虚拟阵列零陷加宽的自适应波束形成方法 - Google Patents
基于虚拟阵列零陷加宽的自适应波束形成方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提出了一种基于虚拟阵列零陷加宽的自适应波束形成方法，主要解决现有技术中由于接收平台的震动、干扰位置快速变化引起的干扰偏移从而不能被对消的问题。其实现步骤为：1.获取均匀天线阵列的相关参数、来波信号的相关参数；2.利用天线阵列的接收数据，加入离散虚拟干扰，构建天线阵列新的接收数据；3.利用阵列天线的相关参数计算期望信号的方向矢量；4.利用克罗内克积Kronecker生成虚拟接收数据和虚拟导向矢量及期望信号的方向矢量，计算零陷加宽后的自适应波束形成的最优权系数。本发明通过构造四阶累积矩阵弥补了增加离散干扰时天线损失的孔径，加宽了干扰信号的零陷，提升了抗干扰性能，可用于信号处理系统。
Description
技术领域
本发明属于信号处理技术领域，特别涉及一种自适应波束形成方法，可用于信号抗干扰处理系统。
背景技术
自适应波束形成的实质是空域滤波，是根据一定的波束形成准则和算法实时自适应地调整权向量，使得各阵元的接收信号通过加权叠加后，输出信号的质量在所采用的准则下最优使期望信号得到最大的输出功率，零陷对准干扰方向，减小干扰信号的强度,对干扰信号进行抑制,从而提高阵列输出的信干噪比。这里所谓的最优是指在某种准则下的最优，就是令输出信号中干扰和噪声对期望信号的影响最小。自适应滤波中的最佳滤波准则有最小均方误差MMSE准则、最小方差MV、最大信干噪比SINR准则和最小二乘LS准则等。上述准则通过天线可以处理的干扰数量有限，由于接收平台振动或运动、干扰位置快速变化及自适应权值的更新速度相对太慢等种种失配现象的存在，会导致干扰移出零陷位置从而不能被有效地对消，使得抗干扰性能急剧下降。
最小方差无失真响应波束形成MVDR是一种基于最大信干噪比SINR准则的自适应波束形成算法，MVDR算法可以自适应的使阵列输出在期望方向上功率最小同时信干噪比最大。该算法采用了自适应波束形成中常用的采样矩阵求逆SMI算法，该算法具有较快的信干噪比意义下的收敛速度。当估计所用快拍数不足，协方差矩阵特征值相差过大时，矩阵求逆不稳定，SMI的自适应波束旁瓣会升高，影响其抑制噪声的能力，严重时会使波束响应图发生畸变。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术存在的不足，提出一种基于虚拟阵列零陷加宽的自适应波束形成方法，以提高当环境变化时的抗干扰性能。
本发明目的的技术方案是：采用均匀直线阵列为信号的接收模型，加入一个趋近于零的相位角参数，构造新的天线阵列接收数据，利用克罗内克积Kronecker生成虚拟接收数据和虚拟导向矢量，通过计算四阶累积矩阵和期望信号的方向矢量，得到零陷加宽后的自适应自适应波束形成最优权系数，其实现步骤包括如下：
1、一种基于虚拟阵列零陷加宽的自适应波束形成方法，其特征在于，包括：
(1)获取均匀天线阵列的阵元数N和阵元间距d，天线阵列接收数据x(t)，获取期望信号的来波方向θ0，干扰信号个数M，信号频率f和期望信号波长λ；
(2)利用天线阵列的接收数据，根据天线位置排布设置一个趋近于0的相位角参数Δθ，构建天线阵列新的接收数据xx(t)：
(2a)根据天线位置排布设置一个趋近于0的相位角参数Δθ，利用阵列接收数据x(t)，及相位角参数Δθ，构造离散虚拟干扰Δx(t)：
其中，j表示虚数单位；
(2b)利用阵列接收数据x(t)及离散虚拟干扰Δx(t)，构造天线阵列新的接收数据xx(t)：
xx(t)＝x(t)+u×Δx(t)
其中，u是调整零陷宽度的调节因子，取值范围是0～1；
(3)利用步骤(1)获取的阵列天线阵元数N和阵元间距d，计算信号在第i个阵元的时延τi，根据该时延τi，计算期望信号的方向矢量a(θ0)，i＝1,2,...,N；
(4)利用克罗内克积Kronecker生成虚拟接收数据和虚拟导向矢量，得到零陷加宽后的自适应波束形成最优权系数ω：
(4a)利用天线阵列新的接收数据，得到四阶累积矩阵Cxy：
其中
C2＝cum(xx1,xxM,xx,YH),C3＝cum(xxM,xxM,Y,xxH)，C4＝cum(xxM,xxM,Y,YH)，cum表示克罗内克积，*表示复共轭，H表示共轭转置，xx表示天线阵列新的接收数据，xx1表示天线阵列第一根天线新的接收数据，xxM表示天线阵列第M根天线新的接收数据，Y表示没有包含第一根接收天线的接收数据；
(4b)利用四阶累积矩阵Cxy和期望信号的方向矢量a(θ0)，得到零陷加宽后的自适应波束形成最优权系数ω：
其中，θ0表示期望信号的波达方向，a(θ0)表示期望信号的方向矢量，Cxy表示天线接收数据的四阶累积矩阵，Cxy -1表示Cxy的逆矩阵，aH(θ0)表示期望信号方向矢量的共轭。
本发明与现有技术相比，具有如下优点：
1.本发明利用天线阵列的接收数据，在干扰方向周围加入离散虚拟干扰，并重新构建天线阵列的接收数据，凸显干扰特性，使得天线方向图的零陷加宽，解决了现有技术中由于接收平台的震动、干扰位置快速变化引起的干扰偏移从而不能被对消的问题，提高了系统的抗干扰性能。
2.本发明在干扰周围加入离散干扰时，通过构造四阶累积矩阵，弥补了增加离散干扰时天线损失的孔径，且不会增加天线阵列排布的复杂度。
附图说明
图1为本发明的实现流程图。
图2为本发明与传统自适应调零方法的对比曲线图。
具体实施方式
以下结合附图，对本发明作进一步详细说明。
参照图1，本发明的实现步骤包括如下：
步骤1，获取均匀天线阵列的相关参数和来波信号的相关参数。
设置来波信号的相关参数，包括干扰信号个数M，期望信号的来波方向θ0，信号频率f和发射信号波长λ；
根据天线排布情况，获取线性阵列天线的相关参数，包括线阵的阵元个数N和阵元间隔d，天线阵列接收数据x(t)。
步骤2，利用天线阵列的接收数据，加入离散虚拟干扰，构建天线阵列新的接收数据xx(t)。
2a)根据天线位置排布设置一个趋近于0的相位角参数Δθ，利用阵列接收数据x(t)及相位角参数Δθ，构造离散虚拟干扰Δx(t)：
其中，j表示虚数单位，M表示信号源个数，d表示阵元间距，λ表示发射信号波长；
2b)利用阵列接收数据x(t)及虚拟干扰Δx(t)，构造天线阵列新的接收数据xx(t)：
xx(t)＝x(t)+u·Δx(t)，
其中，u是调整零陷宽度的调节因子，取值范围是0～1；
步骤3，根据阵列天线的相关参数，计算期望信号的方向矢量a(θ0)。
3a)利用步骤1获取的阵列天线的相关参数，计算信号源在第i个阵元的时延τi：
其中，c表示光速，θ0表示期望信号的波达方向，d表示阵元间距，i＝1,2,...,N。
3b)利用信号源在第i个阵元的时延τi，计算信号源的方向矢量a(θ0)：
其中，T表示转置，τi表示信号源在第i个阵元的时延，f表示信号频率，j表示虚数单位。
步骤4，利用克罗内克积Kronecker生成虚拟接收数据和虚拟导向矢量，得到零陷加宽后的自适应波束形成最优权系数ω。
4a)利用天线阵列新的接收数据xx(t)，得到四阶累积矩阵Cxy：
其中
C2＝cum(xx1，xxM，xx，YH)，C3＝cum(xxM，xxM，Y，xxH)，C4＝cum(xxM,xxM,Y,YH)，cum表示克罗内克积，*表示复共轭，H表示共轭转置，xx表示天线阵列新的接收数据，xx1表示天线阵列第一根天线新的接收数据，xxM表示天线阵列第M根天线新的接收数据，Y表示没有包含第一根接收天线的接收数据；
4b)利用四阶累积矩阵Cxy和期望信号的方向矢量a(θ0)，得到零陷加宽后的自适应波束形成最优权系数ω：
其中，θ0表示期望信号的波达方向，a(θ0)表示期望信号的方向矢量，Cxy表示天线接收数据的四阶累积矩阵，Cxy -1表示Cxy的逆矩阵，aH(θ0)表示期望信号方向矢量的共轭。
本发明的效果可以通过以下仿真进一步说明：
1.仿真条件：
设置天线阵是4天线均匀线阵，天线间距是80cm；
设置一路期望信号，其中心频率是1561.098MHz，带宽是4.092MHz，方向角是-60°；设置三路干扰信号，其中心频率分别是1561.098MHz，1200MHz，1600MHz，带宽分别是4.092MHz，2MHz，6MHz，三路信号方向角分别是-20°，30°，60°；天线接收到的四路信号不相干；
设置干噪比是50dB，环境中信噪比是-20dB。
2.仿真内容
在4路信号入射到4根天线均匀线阵时，用本发明和传统自适应调零算法对该均匀线阵进行自适应波束形成，结果图2，从图2可见当干扰角度偏移时，本发明能够有效抑制干扰。
Claims (3)
1.一种基于虚拟阵列零陷加宽的自适应波束形成方法，其特征在于，包括：
(1)获取均匀天线阵列的阵元数N和阵元间距d，天线阵列接收数据x(t)，获取期望信号的来波方向θ0，干扰信号个数M，信号频率f和期望信号波长λ；
(2)利用天线阵列的接收数据，根据天线位置排布设置一个趋近于0的相位角参数Δθ，构建天线阵列新的接收数据xx(t)：
(2a)根据天线位置排布设置一个趋近于0的相位角参数Δθ，利用阵列接收数据x(t)，及相位角参数Δθ，构造离散虚拟干扰Δx(t)：
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其中，j表示虚数单位；
(2b)利用阵列接收数据x(t)及离散虚拟干扰Δx(t)，构造天线阵列新的接收数据xx(t)：
xx(t)＝x(t)+u×Δx(t)
其中，u是调整零陷宽度的调节因子，取值范围是0～1；
(3)利用步骤(1)获取的阵列天线阵元数N和阵元间距d，计算信号在第i个阵元的时延τi，根据该时延τi，计算期望信号的方向矢量a(θ0)，i＝1,2,...,N；
(4)利用克罗内克积Kronecker生成虚拟接收数据和虚拟导向矢量，得到零陷加宽后的自适应波束形成最优权系数ω：
(4a)利用天线阵列新的接收数据，得到四阶累积矩阵Cxy：
<mrow>
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其中C2＝cum(xx1,xxM,xx,YH),C3＝cum(xxM,xxM,Y,xxH)，C4＝cum(xxM,xxM,Y,YH)，cum表示克罗内克积，*表示复共轭，H表示共轭转置，xx表示天线阵列新的接收数据，xx1表示天线阵列第一根天线新的接收数据，xxM表示天线阵列第M根天线新的接收数据，Y表示没有包含第一根接收天线的接收数据；
(4b)利用四阶累积矩阵Cxy和期望信号的方向矢量a(θ0)，得到零陷加宽后的自适应波束形成最优权系数ω：
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其中，θ0表示期望信号的波达方向，a(θ0)表示期望信号的方向矢量，Cxy表示天线接收数据的四阶累积矩阵，Cxy -1表示Cxy的逆矩阵，aH(θ0)表示期望信号方向矢量的共轭。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(3)中计算信号源在第i个阵元的时延τi，按如下公式计算：
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其中，c表示光速，θ0表示期望信号的波达方向，d表示阵元间距。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(4b)中计算信号源的方向矢量a(θ0)，计算公式为：
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其中，T表示转置，τi表示信号源在第i个阵元的时延，f表示信号源频率，j表示虚数单位。
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