CN111585632A - 一种基于干扰抑制模型优化的宽带自适应波束形成方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及了一种基于干扰抑制模型优化的宽带自适应波束形成方法，属于阵列信号自适应处理技术领域。本发明具体涉及当干扰或者杂波的位置通过其它方法已经获得时，可以对应形成宽零陷和低旁瓣有效进行宽带干扰抑制。该方法通过将接收信号分为若干个子带分别进行子带波束形成，采用正交子空间投影从而插入零陷并结合恒定束宽波束形成方法，可以有效地实现旁瓣、零陷深度、宽度可以独立灵活控制的宽带恒定束宽波束形成效果，从而有效地实现对宽带信号的自适应干扰抑制。

Description

一种基于干扰抑制模型优化的宽带自适应波束形成方法
技术领域
本发明涉及阵列信号自适应处理技术领域中一种基于干扰抑制模型优化的宽带自适应波束形成方法。
背景技术
现有的大多干扰技术仅在干扰方向上形成窄零陷，但是实际工程应用中，干扰源和接收阵列位置并非固定，很容易导致权值收敛速度不及时使得干扰源方向从天线方向图的零陷位置移出，干扰信号得不到有效地抑制；现有的零陷展宽算法需要滤除期望信号从而构造干扰加噪声矩阵，运算量比较大，实现较为复杂，形成多个零陷时展宽的宽度不能进行独立地设计；当存在杂波以及射频干扰时，此时低旁瓣更为关键，现有的恒定束宽技术不能实现旁瓣精度1dB的调节。
当干扰或者杂波的位置通过其它方法已经获得时,为了稳定实现干扰或杂波的有效抑制，本发明采用正交子空间投影形成零陷的方法并结合恒定束宽波束形成，可实现低旁瓣且宽零陷的宽带恒定束宽波束形成,恒定束宽波束的零陷宽度、深度及旁瓣电平可灵活独立调节，能够实现旁瓣电平精度为1dB的调节，从而实现对宽带信号的自适应干扰抑制。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于为宽带信号干扰抑制提供一种新方法。
本发明所要解决的技术问题是由以下技术方案实现的：
一种基于干扰抑制模型优化的宽带自适应波束形成方法，包括以下步骤：
(1)各阵元接收信号通过离散傅利叶变换转换到频域，分为K个窄子带，用fk表示第k个子带的中心频率；
(2)选取参考频率，设计出具有产生零陷功能的参考期望方向图；
(3)根据参考期望方向图利用基于干扰抑制模型优化的宽带自适应波束形成方法求解各个窄子带的加权值并进行子带波束形成；
(4)通过离散傅利叶反变换，把各个子带波束转换成时域宽带输出。
其中，步骤(2)具体包括以下步骤：
(201)确定加窗函数、期望的零陷区域ΘNULL以及主特征值个数；
(202)确定参考频点fr，得到静态方向图加权值w1＝a⊙h，其中h为加窗函数，a为参考频点fr和期望方向θ0的导向矢量；
(203)求取零陷区域的积分矩阵
Figure BDA0002472651150000021
其中ΘNULL表示期望的零陷区域，anull(θ)表示期望的零陷区域内在参考频点fr上的导向矢量；
(204)对步骤(203)得到的积分矩阵进行特征值分解，得到特征矢量V1；
(205)根据步骤(201)中的主特征值个数和步骤(204)中得到的特征矢量得到主特征矢量Vm；
(206)根据步骤(202)中的静态方向图加权值和步骤(205)中得到的主特征矢量计算零陷设计权值:
Figure BDA0002472651150000022
其中I是单位阵；
(207)根据步骤(206)中计算得到的零陷设计权值,求解主瓣区域期望方向图和零陷区域期望方向图。
其中，步骤(3)中求解各个窄子带的加权值，具体包括以下步骤：
(301)根据参考期望方向图确定主瓣区域Θm、旁瓣区域Θs、旁瓣期望值ε2和期望零陷区域波束响应均方误差期望值ε3，建立多约束优化问题模型，如下：
Figure BDA0002472651150000031
其中ε1表示主瓣约束误差，p(fk,θm),pd(fr,θm),pd(fk,θs),p(fk,θnull)，pd(fk,θnull)分别表示主瓣区域内宽带扫描方向图，主瓣区域参考频率期望方向图，旁瓣区域宽带扫描方向图，零陷区域宽带扫描方向图，零陷区域参考频率期望方向图；
(302)利用约束优化工具包求解步骤(301)的优化问题，得到各个窄子带的加权值。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
1、旁瓣电平灵活可控，具体可以实现精度为1dB的调节；
2、零陷区域的宽度和深度可独立调节，可实现多个干扰方向的抑制，不同的干扰区域之间也可独立调节；
3、可对抗载体平台抖动等。
附图说明
图1是本发明的整体流程图。
图2是本发明的分子带波束形成框图。
图3是预设一个凹口时，测试对比未插入零陷和插入零陷的参考方向图；
图4是预设三个凹口时恒定束宽凹口深度调节仿真分析，其中图(a)是凹口深度1的恒定束宽方向图。图(b)是凹口深度2的恒定束宽方向图。图(c)是凹口深度3的恒定束宽方向图。
图5是预设两个凹口时恒定束宽凹口宽度调节仿真分析，其中图(a)是凹口宽度1的恒定束宽方向图。图(b)是凹口宽度2的恒定束宽方向图。
图6是恒定束宽凹口旁瓣电平调节仿真分析，其中图(a)是旁瓣电平约束为-30dB的恒定束宽方向图。图(b)是旁瓣电平约束为-31dB的恒定束宽方向图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步解释说明。
参照图1，采用插入零陷，通过构造零陷区域的相关矩阵，求解正交子空间投影从而形成零陷；采用恒定束宽方法使得各子带的波束主瓣一致的同时约束旁瓣电平值以及零陷区域响应均方误差值，通过约束优化工具解决多约束优化问题从而求解各子带恒定束宽的加权值。本发明工作过程主要包括：将各阵元接收信号通过离散傅利叶变换转换到频域，分为若干个窄子带。然后设计出具有产生零陷功能的参考期望方向图，再用恒定束宽方法将不同频率的波束图在主瓣宽度内保持恒定一致，通过解决多约束优化问题求解各子带的加权值，并进行子带波束形成，最后通过傅利叶反变换把各个子带波束输出转换成时域宽带输出。
一种基于干扰抑制模型优化的宽带自适应波束形成方法，如图1所示，具体包括以下步骤：
(1)各阵元接收信号通过离散傅利叶变换转换到频域，分为K个窄子带，用fk表示第k个子带的中心频率；如图2所示，本发明的分子带波束形成框图，其中N是阵列的阵元个数，K为子带的个数，θ为信号的入射角度；
(2)选取参考频率，设计出具有产生零陷功能的参考期望方向图；具体包括以下步骤：
(201)确定加窗函数，一般选取为切比雪夫窗、汉明窗等；确定期望的零陷区域ΘNULL以及主特征值个数；
(202)确定参考频率fr，得到静态方向图加权值w1＝a⊙h，其中h为加窗函数，a为参考频点fr和期望方向θ0的导向矢量(以线性阵列为例，则
Figure BDA0002472651150000051
d为阵元间距，c为光速)；
(203)求取零陷区域的积分矩阵
Figure BDA0002472651150000052
其中ΘNULL表示的是期望的零陷区域，anull(θ)表示零陷区域内在参考频点fr上的导向矢量；
(204)对步骤(203)得到的积分矩阵进行特征值分解,得到特征矢量V1；
(205)根据步骤(201)中的主特征值个数和步骤(204)中得到的特征矢量得到主特征矢量Vm；
(206)根据步骤(202)中的静态权值和步骤(205)中得到的主特征矢量计算零陷设计权值:
Figure BDA0002472651150000061
其中I是单位阵；
(207)根据步骤(206)中计算得到的零陷设计权值,求解主瓣区域期望方向图和零陷区域期望方向图。
(3)基于干扰抑制模型优化的宽带自适应波束形成方法求解各子带的加权值并进行子带波束形成；
其中，步骤(3)中求解各子带的加权值，具体包括以下步骤：
(301)根据求解的期望方向图、主瓣区域期望方向图以及零陷区域期望方向图确定主瓣区域Θm、旁瓣区域Θs、旁瓣期望值ε2和期望零陷区域波束响应均方误差期望值ε3，建立多约束优化问题模型，如下：
Figure BDA0002472651150000062
其中ε1表示主瓣约束误差，p(fk,θm),pd(fr,θm),pd(fk,θs),p(fk,θnull)，pd(fk,θnull)分别表示主瓣区域内宽带扫描方向图，主瓣区域参考频率期望方向图，旁瓣区域宽带扫描方向图，零陷区域宽带扫描方向图，零陷区域参考频率期望方向图。
(302)利用约束优化工具包求解此优化问题，约束优化工具包包括CVX等；
(303)得到各子带的加权值。
(4)通过离散傅利叶反变换，把各个子带波束输出转换成时域宽带输出。
如图3所示，为预设一个凹口时，测试对比未插入零陷和插入零陷的参考方向图；
仿真条件：阵元数N＝32,参考频率为1GHz，凹口区域为：Θ＝[30°,35°]，加30dB的切比雪夫窗，选取特征值个数为10。
如图4所示，为预设三个凹口时恒定束宽凹口深度调节仿真分析，其中图(a)是凹口深度1的恒定束宽方向图。图(b)是凹口深度2的恒定束宽方向图。图(c)是凹口深度3的恒定束宽方向图。
仿真条件：阵元数N＝32,参考频率为1GHz，带宽B＝200MHz,子带个数为21，波束旁瓣约束值ε2＝-30dB，凹口区域为：Θ2＝[-35°,-30°]∪[30°,35°]∪[60°,65°]，主特征值个数为20，零陷区域波束响应均方误差分别为(a)ε3＝10-3、(b)ε3＝10-5和(c)ε3＝10-6。
如图5所示，为预设两个凹口时恒定束宽凹口宽度调节仿真分析，其中图(a)是凹口宽度1的恒定束宽方向图。图(b)是凹口宽度2的恒定束宽方向图。
仿真条件：阵元数N＝32,参考频率为1GHz，带宽B＝200MHz,子带个数为21,波束旁瓣约束值ε2＝-30dB，零陷区域波束响应均方误差为ε3＝10-4，主特征值个数为20，凹口区域分别为：
(a)Θ2＝[-35°,-30°]∪[30°,35°]∪[60°,65°]
(b)Θ2＝[-40°,-30°]∪[30°,40°]∪[60°,70°]。
如图6所示，为恒定束宽凹口旁瓣电平调节仿真分析，其中图(a)是旁瓣电平约束为-30dB的恒定束宽方向图。图(b)是旁瓣电平约束为-31dB的恒定束宽方向图。
仿真条件：阵元数N＝32,参考频率为1GHz，带宽B＝200MHz,子带个数为21,零陷区域波束响应均方误差为ε3＝10-6，凹口区域为：Θ＝[30°,35°]，主特征值个数为10，波束旁瓣约束值分别为(a)ε2＝-30dB和(b)ε2＝-31dB。

Claims (3)

1.一种基于干扰抑制模型优化的宽带自适应波束形成方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)各阵元接收信号通过离散傅利叶变换转换到频域，分为K个窄子带，用fk表示第k个子带的中心频率；
(2)选取参考频率，设计出具有产生零陷功能的参考期望方向图；
(3)根据参考期望方向图利用基于干扰抑制模型优化的宽带自适应波束形成方法求解各个窄子带的加权值并进行子带波束形成；
(4)通过离散傅利叶反变换，把各个子带波束转换成时域宽带输出。
2.根据权利要求1所述的一种基于干扰抑制模型优化的宽带自适应波束形成方法，其特征在于：步骤(2)具体包括以下步骤：
(201)确定加窗函数、期望的零陷区域ΘNULL以及主特征值个数；
(202)确定参考频点fr，得到静态方向图加权值w1＝a⊙h，其中h为加窗函数，a为参考频点fr和期望方向θ0的导向矢量；
(203)求取零陷区域的积分矩阵
Figure FDA0002472651140000011
其中ΘNULL表示期望的零陷区域，anull(θ)表示期望的零陷区域内在参考频点fr上的导向矢量；
(204)对步骤(203)得到的积分矩阵进行特征值分解，得到特征矢量V1；
(205)根据步骤(201)中的主特征值个数和步骤(204)中得到的特征矢量得到主特征矢量Vm；
(206)根据步骤(202)中的静态方向图加权值和步骤(205)中得到的主特征矢量计算零陷设计权值:
Figure FDA0002472651140000021
其中I是单位阵；
(207)根据步骤(206)中计算得到的零陷设计权值,求解主瓣区域期望方向图和零陷区域期望方向图。
3.根据权利要求1所述的一种基于干扰抑制模型优化的宽带自适应波束形成方法，其特征在于：步骤(3)中求解各个窄子带的加权值，具体包括以下步骤：
(301)根据参考期望方向图确定主瓣区域Θm、旁瓣区域Θs、旁瓣期望值ε2和期望零陷区域波束响应均方误差期望值ε3，建立多约束优化问题模型，如下：
Figure FDA0002472651140000022
其中ε1表示主瓣约束误差，p(fk,θm),pd(fr,θm),pd(fk,θs),p(fk,θnull)，pd(fk,θnull)分别表示主瓣区域内宽带扫描方向图，主瓣区域参考频率期望方向图，旁瓣区域宽带扫描方向图，零陷区域宽带扫描方向图，零陷区域参考频率期望方向图；
(302)利用约束优化工具包求解步骤(301)的优化问题，得到各个窄子带的加权值。
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