CN111551892B - 一种稳健自适应波束形成方法及装置 - Google Patents

一种稳健自适应波束形成方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种稳健自适应波束形成方法及装置，属于阵列信号波束形成领域，在计算权矢量的过程中，当期望信号的信噪比很高时，导向矢量或者协方差矩阵误差会导致波束形成器将期望信号当作干扰进行抑制，从而降低波束形成器的性能。本发明首先估计期望信号的波达方向(direction of arrival，DOA)；然后利用期望信号的DOA和阵列流型构造转换矩阵；接下来通过转换矩阵与采样协方差矩阵相乘，可消除期望信号，得到干扰加噪声协方差矩阵；最后利用干扰加噪声协方差矩阵计算波束形成器的权矢量，本发明预先去除了采样信号中的期望信号分量，避免了期望信号自消除现象的发生，提升了波束形成器的性能。

Description

一种稳健自适应波束形成方法及装置
技术领域
本发明属于阵列信号波束形成领域，更具体地，涉及一种适用于均匀直线阵列(uniform linear array，ULA)的期望信号预消除稳健自适应波束形成方法及装置。
背景技术
自适应波束形成器需要导向矢量以及协方差矩阵来计算权矢量。当采样数据包含期望的信号分量时，如果期望信号的信噪比(signal-to-noise ratio，SNR)很高，极小的导向矢量误差或协方差矩阵误差都将导致波束形成器将期望信号抑制为干扰，从而导致波束形成器的性能急剧下降。目前已经提出了几类稳健自适应波束形成器处理这个问题，其中包括干扰加噪声协方差矩阵(interference-plus-noise covariance matrix，INCM)重建技术，这也是目前的研究热点之一。基于INCM重建技术是通过消除采样协方差矩阵的期望信号来估计干扰加噪声协方差矩阵，或使用Capon空间频谱在干扰所在角度区域求和，或估计所有干扰的导向矢量和功率以及噪声功率。基于INCM重建的技术非常具有吸引力，它们可以在很大范围的SNR内实现近乎最佳的性能。然而，缺点之一是它相比传统的波束形成器的计算时间复杂性比较高。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提出了一种新的低计算复杂性关于去除阵列信号的期望信号分量的方法，它可以解决：当采样数据包含期望信号分量时，一旦出现极小的导向矢量误差和协方差矩阵误差时都会导致波束形成器错误地将期望信号分量抑制成干扰使得波束形成器性能大幅下降，而本发明能预先消除采样数据的期望信号分量，从而消除其影响避免出现波束形成器性能下降。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种稳健自适应波束形成方法，包括：
使用采集的阵列信号估计期望信号的波达方向DOA；
利用所述期望信号的DOA和阵列流型构造转换矩阵；
通过所述转换矩阵与采样协方差矩阵相乘，以消除所述期望信号，得到干扰加噪声协方差矩阵；
利用所述干扰加噪声协方差矩阵计算波束形成器的权矢量，进而由所述权矢量得到输出信号。
优选地，所述方法还包括：
均匀线性阵列中各阵元的期望信号、干扰信号及噪声相互独立。
优选地，所述转换矩阵为(M-1)×M维矩阵，且所述转换矩阵为：
Figure BDA0002461797560000021
其中，M表示均匀线性阵列中的阵元总数，
Figure BDA0002461797560000022
λ表示接收信号波长，d表示阵元间距，θ0表示期望信号波达方向。
优选地，由
Figure BDA0002461797560000023
确定所述干扰加噪声协方差矩阵，其中，P表示所述转换矩阵，
Figure BDA0002461797560000024
表示所述采样协方差矩阵，K表示采样总数，x(k)表示所述均匀线性阵列的接收信号。
优选地，由
Figure BDA0002461797560000025
确定所述波束形成器的权矢量，其中，
Figure BDA0002461797560000026
即a0的前M-1行，a0表示期望信号的导向矢量，其中
Figure BDA0002461797560000031
表示不影响波束形成器性能的常数，
Figure BDA0002461797560000032
表示干扰加噪声协方差矩阵。
按照本发明的另一个方面，提供了一种稳健自适应波束形成装置，包括：
阵列信号扩展模块，用于使用采集的阵列信号估计期望信号的波达方向；
干扰加噪声协方差矩阵重构模块，用于利用所述期望信号的DOA和阵列流型构造转换矩阵，并通过所述转换矩阵与采样协方差矩阵相乘，以消除所述期望信号，得到干扰加噪声协方差矩阵；
权矢量输出模块，用于利用所述干扰加噪声协方差矩阵计算波束形成器的权矢量，进而由所述权矢量得到输出信号。
优选地，均匀线性阵列中各阵元的期望信号、干扰信号及噪声相互独立。
优选地，所述转换矩阵为(M-1)×M维矩阵，且所述转换矩阵为：
Figure BDA0002461797560000033
其中，M表示均匀线性阵列中的阵元总数，
Figure BDA0002461797560000034
λ表示接收信号波长，d表示阵元间距，θ0表示期望信号波达方向。
优选地，由
Figure BDA0002461797560000035
确定所述干扰加噪声协方差矩阵，其中，P表示所述转换矩阵，
Figure BDA0002461797560000036
表示所述采样协方差矩阵，K表示采样总数，x(k)表示所述均匀线性阵列的接收信号。
优选地，由
Figure BDA0002461797560000037
确定所述波束形成器的权矢量，其中，
Figure BDA0002461797560000038
即a0的前M-1行，a0表示期望信号的导向矢量，其中
Figure BDA0002461797560000041
表示不影响波束形成器性能的常数，
Figure BDA0002461797560000042
表示干扰加噪声协方差矩阵。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
通过本发明可以解决：当采样数据包含期望信号分量时，一旦出现极小的导向矢量误差和协方差矩阵误差时都会导致波束形成器错误地将期望信号分量抑制成干扰使得波束形成器性能大幅下降，而本发明能预先消除采样数据的期望信号分量，从而消除其影响避免出现波束形成器性能下降。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种由两个协方差矩阵计算出的Capon空间谱；
图2是本发明实施例提供的一种几个波束形成器的输出SINR和输入SNR结果；
图3是本发明实施例提供的一种方法流程示意图；
图4是本发明实施例提供的一种适用于均匀直线阵列的期望信号预消除稳健自适应波束形成装置结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明通过预先去除采样信号中的期望信号分量，避免了期望信号自消除现象的发生，提升了波束形成器的性能。
假设各阵元的期望信号、干扰信号、噪声相互独立，均匀线性阵列阵元总数为M，阵元间距为d，信号波长为λ，θ表示入射到均匀线性阵列上信号的波达方向。一个期望信号和L个干扰信号从不同的方向射向ULA。
设第i个信号的入射角度分别为θi。接收信号用矩阵表示为：
Figure BDA0002461797560000051
其中，K代表采样总数，a0是期望信号的导向矢量，ai是第i个干扰信号的导向矢量；n(t)表示白噪声分量，s0(k)a0和
Figure BDA0002461797560000052
n(k)分别表示期望信号分量和干扰信号分量、噪声部分，x(k)、a和n(k)都是M×1维复数向量。
如图3所示是本发明实施例提供的一种方法流程示意图，包括以下步骤：
S1：使用采集的阵列信号估计期望信号的波达方向(direction of arrival，DOA)；
θ方向的导向矢量可表示为：
Figure BDA0002461797560000053
K个数据的采样协方差矩阵可表示为：
Figure BDA0002461797560000054
对
Figure BDA0002461797560000055
进行特征值分解：
Figure BDA0002461797560000056
其中，US是由较大特征值对应的特征矢量组成的信号子空间；UN是由较小特征值对应的特征矢量组成的噪声子空间。
最后，MUSIC(Multiple Signal Classification)空间谱可表示为：
Figure BDA0002461797560000057
其中空间谱的峰值对应于不同信号的DOA。
S2：利用期望信号的DOA和阵列流型构造一个转换矩阵P；
阵元m在km时刻的接收信号表示为：
Figure BDA0002461797560000061
由(1)得出阵列接收信号向量为:
Figure BDA0002461797560000062
定义(M-1)×M维转换矩阵：
Figure BDA0002461797560000063
其中
Figure BDA0002461797560000064
θ0表示期望信号波达方向。
S3：通过转换矩阵P与采样协方差矩阵
Figure BDA0002461797560000065
相乘，可消除期望信号，得到干扰加噪声协方差矩阵
Figure BDA0002461797560000066
执行阵列信号x(k)的转换：
Figure BDA0002461797560000067
其中，
Figure BDA0002461797560000068
Figure BDA0002461797560000069
即ai的前M-1行且
Figure BDA00024617975600000610
其中，预消除期望信号分量的信号序列Px(k)具有以下特征：(i)期望信号分量已经消除；(ii)各部分干扰分量都保持不变；(iii)没有带来任何新的期望信号分量。
代入公式(2)计算干扰加噪声协方差矩阵
Figure BDA00024617975600000611
获得预估的干扰加噪声协方差矩阵：
Figure BDA00024617975600000612
其中，预消除期望信号分量的信号序列的干扰噪声比INRs与接收信号的角度有关，只要INRs足够大就不影响波束形成器的输出SINR性能。
S4：利用干扰加噪声协方差矩阵
Figure BDA0002461797560000071
计算波束形成器的权矢量，计算得出波束形成器的权矢量为：
Figure BDA0002461797560000072
其中，
Figure BDA0002461797560000073
即a0的前M-1行，
Figure BDA0002461797560000074
表示不影响波束形成器性能的常数。
得出输出信号为：
Figure BDA0002461797560000075
Figure BDA0002461797560000076
是x(k)的前M-1行。
已知有M＝16且阵元间隔为半波长的全方向天线的ULA，假设阵列流型完全已知，忽略耦合效应。期望信号(路径0)和干扰信号(路径1～5)的一些参数于表1列出。
表1：仿真参数
路径0 路径1 路径2 路径3 路径4 路径5
DOA(度) 90.1 52.4 71.6 110.3 131.5 148.7
SNR(分贝)dB -20～40 25 20 30 20 20
在相同阵列接收信号序列下使用两个波束形成器，绘制出接收一定SNR的采样信号时各波束形成器的性能曲线：
OPT:具有准确导向实例矢量的MPDR波束形成器和协方差矩阵w＝αR-1a0。
INCM-DSR:本发明的波束形成器。
仿真的结果：
在图1中，期望信号的SNR固定为25dB，然后是计算
Figure BDA0002461797560000077
和
Figure BDA0002461797560000078
的Capon空间谱。图1结果表明：几乎消除了期望信号分量甚至存在0.1°DOA不匹配；其仿真得到的所有结果都保证预估的
Figure BDA0002461797560000079
有效。
在图2中仿真出输出SINR与输入SNR的性能结果，其结果表明：
本发明方法几乎完全消除了期望信号，提出的波束形成器的SINR性能优于其他基于INCM重构的波束形成器。
本发明装置实施例是实现上述各方法实施例的，具体内容请参加上述各方法实施例。
基于上述方法实施例相同的发明构思，本发明实施例提供一种用于线性阵列下高信噪比信号的期望信号预消除装置。如图4所示，该装置包括阵列信号扩展模块401、干扰加噪声协方差矩阵重构模块402以及权矢量输出模块403；
其中，阵列信号扩展模块401用于接收每一天线的单个采样点阵列信号序列，处理采样信号并估计期望信号DOA；
干扰加噪声协方差矩阵重构模块402用于预消除期望信号分量重构干扰加噪声协方差矩阵；
权矢量输出模块403用于计算波束形成器的权矢量。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种稳健自适应波束形成方法，其特征在于，包括：
使用采集的阵列信号估计期望信号的波达方向DOA；
利用所述期望信号的DOA和阵列流型构造转换矩阵，所述转换矩阵为(M-1)×M维矩阵，且所述转换矩阵为：
Figure FDA0003462647130000011
其中，M表示均匀线性阵列中的阵元总数，
Figure FDA0003462647130000012
λ表示接收信号波长，d表示阵元间距，θ0表示期望信号的波达方向；
通过所述转换矩阵与采样协方差矩阵相乘，以消除所述期望信号，得到干扰加噪声协方差矩阵；
利用所述干扰加噪声协方差矩阵计算波束形成器的权矢量，进而由所述权矢量得到输出信号。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
均匀线性阵列中各阵元的期望信号、干扰信号及噪声相互独立。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，由
Figure FDA0003462647130000013
确定所述干扰加噪声协方差矩阵，其中，P表示所述转换矩阵，
Figure FDA0003462647130000014
表示所述采样协方差矩阵，K表示采样总数，x(k)表示所述均匀线性阵列的接收信号。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，由
Figure FDA0003462647130000015
确定所述波束形成器的权矢量，其中，
Figure FDA0003462647130000016
即a0的前M-1行，a0表示期望信号的导向矢量，其中，
Figure FDA0003462647130000017
表示不影响波束形成器性能的常数，
Figure FDA0003462647130000018
表示干扰加噪声协方差矩阵。
5.一种稳健自适应波束形成装置，其特征在于，包括：
阵列信号扩展模块，用于使用采集的阵列信号估计期望信号的波达方向DOA；
干扰加噪声协方差矩阵重构模块，用于利用所述期望信号的DOA和阵列流型构造转换矩阵，并通过所述转换矩阵与采样协方差矩阵相乘，以消除所述期望信号，得到干扰加噪声协方差矩阵；所述转换矩阵为(M-1)×M维矩阵，且所述转换矩阵为：
Figure FDA0003462647130000021
其中，M表示均匀线性阵列中的阵元总数，
Figure FDA0003462647130000022
λ表示接收信号波长，d表示阵元间距，θ0表示期望信号的波达方向；
权矢量输出模块，用于利用所述干扰加噪声协方差矩阵计算波束形成器的权矢量，进而由所述权矢量得到输出信号。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，均匀线性阵列中各阵元的期望信号、干扰信号及噪声相互独立。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，由
Figure FDA0003462647130000023
确定所述干扰加噪声协方差矩阵，其中，P表示所述转换矩阵，
Figure FDA0003462647130000024
表示所述采样协方差矩阵，K表示采样总数，x(k)表示所述均匀线性阵列的接收信号。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，由
Figure FDA0003462647130000025
确定所述波束形成器的权矢量，其中，
Figure FDA0003462647130000026
即a0的前M-1行，a0表示期望信号的导向矢量，其中，
Figure FDA0003462647130000031
表示不影响波束形成器性能的常数，
Figure FDA0003462647130000032
表示干扰加噪声协方差矩阵。
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