CN111884689B - 一种基于阶梯阵列的波达方向-距离自适应波束形成方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于阶梯阵列的波达方向‑距离自适应波束形成方法，该方法首先设计线性子阵列，把若干相同子阵列排列成阶梯阵型，形成阶梯阵列；接着对指定的信号波达方向，每一子阵列进行方向自适应波束形成，形成对指定波达方向上所有信号的接收；然后将每一子阵看成一个等效阵元，构成等效阵列，每一子阵的输出看成是该等效阵元的接收数据，所有等效阵元的接收数据看成是等效阵列的接收数据；最后将指定波达方向上指定接收距离换算为等效阵列的波达方向，利用等效阵列进行该方向的自适应波束形成，等价于完成指定距离上的自适应波束形成。通过阶梯阵列阵型和二次级联自适应波束形成，实现了对指定波达方向和指定距离上空间信号的最佳接收。

Description

一种基于阶梯阵列的波达方向-距离自适应波束形成方法

技术领域

本发明涉及阵列信号处理领域中波束形成研究领域，尤其涉及一种基于阶梯阵列的波达方向-距离自适应波束形成方法。

背景技术

波束形成是阵列信号处理领域中的一个研究方向，波束形成器是一种空间滤波器。它是根据一定准则对每一个阵元接收到的数据进行加权处理，目的是只保留接收到的数据中的期望信号成分，而对干扰和噪声进行有效抑制。也就是要保证阵列的主瓣要对准期望信号的波达方向，并将零陷对准干扰的波达方向。自适应波束形成器是根据阵列接收数据的信号环境自适应地调节每个阵元的加权系数，保证阵列的主瓣始终对准期望信号的波达方向、零陷始终对准干扰的波达方向，在最大程度上接收期望信号的同时最有效地抑制干扰和噪声。Capon自适应波束形成器从理论上被证明在理想情况下是最优的自适应波束形成器，它保证在无失真接收期望信号的前提下、最小化阵列的输出功率来达到对干扰和噪声进行抑制的目的。最小畸变无失真响应波束形成器是另一种有效的自适应波束形成器。Capon自适应波束形成器和最小畸变无失真响应波束形成器都是通过自适应算法实现的。

然而上述的适应波束形成器均假设在指定的波达方向上只存在一个期望信号，然而在实际情况下，可能有多个信号对自于同一个波达方向的多个不同距离，上述的自适应波束形成方法只能同时接收该波达方向上的所有信号，无法区分出每一个信号。

鉴于以上分析，有必要研究新的波达方向-距离自适应波束形成方法，以实现指定波达方向指定距离上的期望信号的自适应接收。

发明内容

本发明公开了一种基于阶梯阵列的波达方向-距离自适应波束形成方法，该方法首先设计线性子阵列，把若干相同子阵列排列成阶梯阵型，形成阶梯阵列；接着对指定的信号波达方向，每一子阵列进行方向自适应波束形成，形成对指定波达方向上所有信号的接收；然后将每一子阵看成一个等效阵元，构成等效阵列，每一子阵的自适应波束形成输出看成是该等效阵元的接收数据，所有等效阵元的接收数据看成是等效阵列的接收数据；最后将指定接收距离换算为等效阵列的波达方向，利用等效阵列进行该方向的自适应波束形成，等价于完成指定距离上的自适应波束形成。通过阶梯阵列阵型和二次级联自适应波束形成，实现了对指定波达方向和指定距离上空间信号的最佳接收。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种基于阶梯阵列的波达方向-距离自适应波束形成方法，包括如下步骤：

步骤1、设计线性子阵列，把若干相同结构子阵列排列成阶梯结构，形成阶梯阵列；

步骤2、对指定的信号波达方向，每一子阵列进行方向自适应波束形成，形成对指定波达方向上所有信号的接收；

步骤3、将每一子阵看成是一个等效阵元，构成等效阵列，每一子阵的自适应波束形成输出看成是该等效阵元的接收数据，所有等效阵元的接收数据看成是等效阵列的接收数据；

步骤4、将指定波达方向上指定接收距离换算为等效阵列的波达方向，利用等效阵列进行该方向的自适应波束形成，等价于完成指定距离上的自适应波束形成。

进一步地，所述步骤1包括以下步骤：

步骤11、设计线性子阵列，子阵列的阵元数为M，相邻阵元的最小间距为d；可以采用均匀线阵、中心对称线阵和非均匀线阵，子阵列孔径为D_sub；

步骤12、将L个相同结构线性子阵列，按阶梯结构排列，形成阶梯阵列，各个子阵列中心连线与线性子阵列的夹角为ψ。

进一步地，所述步骤2包括以下步骤：

步骤21、各个子阵列接收数据分别为x_l(k),l＝1,2,...,L，计算各个阵列接收数据的协方差矩阵

l＝1,2,...,L；并按下式计算它们的平均值：

步骤22、给定需要接收的期望信号的波达方向θ₀，按子阵列结构生成期望信号的导向矢量a₀，计算出子阵列最佳权矢量

步骤23、对各个子阵列接收数据x_l(k),l＝1,2,...,L，用子阵列最佳权矢量w_sub加权处理，各个子阵列波束形成器的输出信号分别为：

不是来自于波达方向θ₀的其他信号被当成干扰均被零陷滤除或抑制。

进一步地，所述步骤3包括以下步骤：

步骤31、将每一子阵看成一个等效阵元，所有等效阵元组成一个等效的均匀线阵，等效阵列相邻阵元间距为两个相邻子阵列中心距离为d_sub，阶梯阵列的等效孔径为D＝(L-1)d_sub；

步骤32、等效阵元的接收数据分别为：

y_l(k),l＝1,2,...,L，

其中，y(k)＝[y₁(k),y₂(k),...,y_L(k)]^T为等效阵列的接收数据，等效阵列接收数据的协方差矩阵为

进一步地，所述步骤4包括以下步骤：

步骤41、将波达方向θ₀上指定接收距离r₀换算为等效阵列的波达方向

步骤42、对于等效阵列的波达方向

按等效阵列生成期望信号的导向矢量b₀，计算出等效阵列最佳权矢量

步骤43、将最佳权矢量w对等效阵列接收数据y(k)加权，等效阵列波束形成器的输出信号为：

z(k)＝w^Hy(k)，

不是来自于波达方向

的其他信号被当成干扰均被零陷滤除或抑制。经过二次级联自适应波束形成，等价于完成了指定波达方向θ₀、距离r₀上的期望信号的自适应接收。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明针对的是一个波达方向上存在多个信号的空间信号接收问题。

(2)本发明根据上述问题，设计了阶梯阵列阵型。

(3)本发明基于阶梯阵列阵型，采用二次级联的自适应波束形成，首先通过线性子阵列实现对自于波达方向θ₀多有信号的接收，然后将波达方向θ₀上指定接收距离r₀换算为等效阵列的波达方向

通过等效阵列实现对自于波达方向

信号的接收，从而达到了对指定波达方向和指定距离上空间信号的最佳接收。

附图说明

图1为本发明一种基于阶梯阵列的波达方向-距离自适应波束形成方法的流程图；

图2为线性子阵列的示意图；

图3为阶梯阵列的示意图。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本发明。

如图1所示，一种基于阶梯阵列的波达方向-距离自适应波束形成方法，包括如下步骤：

步骤1、设计线性子阵列，把若干相同结构子阵列排列成阶梯结构，形成阶梯阵列；所述步骤1具体包括以下步骤：

步骤11、设计线性子阵列，子阵列的阵元数为M，相邻阵元的最小间距为d；可以采用均匀线阵、中心对称线阵和非均匀线阵，子阵列孔径为D_sub；

步骤12、将L个相同结构线性子阵列，按阶梯结构排列，形成阶梯阵列，各个子阵列中心连线与线性子阵列的夹角为ψ。

步骤2、对指定的信号波达方向，每一子阵列进行方向自适应波束形成，形成对指定波达方向上所有信号的接收；所述步骤2具体包括以下步骤：

步骤21、各个子阵列接收数据分别为x_l(k),l＝1,2,...,L，计算各个阵列接收数据的协方差矩阵

l＝1,2,...,L；并按下式计算它们的平均值：

步骤22、给定需要接收的期望信号的波达方向θ₀，按子阵列结构生成期望信号的导向矢量a₀，计算出子阵列最佳权矢量

步骤23、对各个子阵列接收数据x_l(k),l＝1,2,...,L，用子阵列最佳权矢量w_sub加权处理，各个子阵列波束形成器的输出信号分别为：

不是来自于波达方向θ₀的其他信号被当成干扰均被零陷滤除或抑制。

步骤3、将每一子阵看成是一个等效阵元，构成等效阵列，每一子阵的自适应波束形成输出看成是该等效阵元的接收数据，所有等效阵元的接收数据看成是等效阵列的接收数据；所述步骤3具体包括以下步骤：

步骤31、将每一子阵看成一个等效阵元，所有等效阵元组成一个等效的均匀线阵，等效阵列相邻阵元间距为两个相邻子阵列中心距离为d_sub，阶梯阵列的等效孔径为D＝(L-1)d_sub；

步骤32、等效阵元的接收数据分别为：

y_l(k),l＝1,2,...,L，

其中，y(k)＝[y₁(k),y₂(k),...,y_L(k)]^T为等效阵列的接收数据，等效阵列接收数据的协方差矩阵为

步骤4、将指定接收距离换算为等效阵列的波达方向，利用等效阵列进行该方向的自适应波束形成，等价于完成指定距离上的自适应波束形成。所述步骤4具体包括以下步骤：

步骤41、将波达方向θ₀上指定接收距离r₀换算为等效阵列的波达方向

步骤42、对于等效阵列的波达方向

按等效阵列生成期望信号的导向矢量b₀，计算出等效阵列最佳权矢量

步骤43、将最佳权矢量w对等效阵列接收数据y(k)加权，等效阵列波束形成器的输出信号为：

z(k)＝w^Hy(k)，

不是来自于波达方向

的其他信号被当成干扰均被零陷滤除或抑制。经过二次级联自适应波束形成，等价于完成了指定波达方向θ₀、距离r₀上的期望信号的自适应接收。

对于来自于同一个波达方向的多个信号，以往的自适应波束形成方法是同时接收的。由上述本发明提供的技术方案可以看出，通过设计线性子阵列，把若干相同结构子阵列排列成阶梯阵列，通过子阵列的方向自适应波束形成可以接收到同一个波达方向的多个信号，然后由子阵构成的等效阵列的方向自适应波束形成完成了指定距离上的自适应波束形成。这种基于阶梯阵列阵型和二次自适应波束形成的算法流程，解决了指定波达方向-距离上的期望信号的自适应接收问题。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例可以通过软件实现，也可以借助软件加必要的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，上述实施例的技术方案可以以软件产品的形式体现出来，该软件产品可以存储在一个非易失性存储介质(可以是CD-ROM，U盘，移动硬盘等)中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述的方法。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (1)

1.一种基于阶梯阵列的波达方向-距离自适应波束形成方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1、设计线性子阵列，把若干相同结构子阵列排列成阶梯结构，形成阶梯阵列；

步骤2、对指定的信号波达方向，每一子阵列进行方向自适应波束形成，形成对指定波达方向上所有信号的接收；

步骤3、将每一子阵看成是一个等效阵元，构成等效阵列，每一子阵的自适应波束形成输出看成是该等效阵元的接收数据，所有等效阵元的接收数据看成是等效阵列的接收数据；

步骤4、将指定波达方向上指定接收距离换算为等效阵列的波达方向，利用等效阵列进行该方向的自适应波束形成，等价于完成指定距离上的自适应波束形成；

其中，所述步骤1包括以下步骤：

步骤11、设计线性子阵列，子阵列的阵元数为M，相邻阵元的最小间距为d；可以采用均匀线阵、中心对称线阵和非均匀线阵，子阵列孔径为D_sub；

步骤12、将L个相同结构线性子阵列，按阶梯结构排列，形成阶梯阵列，各个子阵列中心连线与线性子阵列的夹角为ψ；

所述步骤2包括以下步骤：

步骤21、各个子阵列接收数据分别为x_l(k),l＝1,2,...,L，计算各个阵列接收数据的协方差矩阵

并按下式计算它们的平均值：

步骤22、给定需要接收的期望信号的波达方向θ₀，按子阵列结构生成期望信号的导向矢量a₀，计算出子阵列最佳权矢量

步骤23、对各个子阵列接收数据x_l(k),l＝1,2,...,L，用子阵列最佳权矢量w_sub加权处理，各个子阵列波束形成器的输出信号分别为：

不是来自于波达方向θ₀的其他信号被当成干扰均被零陷滤除或抑制；

所述步骤3包括以下步骤：

步骤31、将每一子阵看成一个等效阵元，所有等效阵元组成一个等效的均匀线阵，等效阵列相邻阵元间距为两个相邻子阵列中心距离为d_sub，阶梯阵列的等效孔径为D＝(L-1)d_sub；

步骤32、等效阵元的接收数据分别为：

y_l(k),l＝1,2,...,L，

其中，y(k)＝[y₁(k),y₂(k),...,y_L(k)]^T为等效阵列的接收数据，等效阵列接收数据的协方差矩阵为

所述步骤4包括以下步骤：

步骤41、将波达方向θ₀上指定接收距离r₀换算为等效阵列的波达方向

步骤42、对于等效阵列的波达方向

按等效阵列生成期望信号的导向矢量b₀，计算出等效阵列最佳权矢量

步骤43、将最佳权矢量w对等效阵列接收数据y(k)加权，等效阵列波束形成器的输出信号为：

z(k)＝w^Hy(k)，

不是来自于波达方向

的其他信号被当成干扰均被零陷滤除或抑制，经过二次级联自适应波束形成，等价于完成了指定波达方向θ₀、距离r₀上的期望信号的自适应接收。

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