CN113820728B - 一种不确定集搜索的波束形成干扰抑制方法及装置 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种不确定集搜索的波束形成干扰抑制方法及装置，包括：对各阵元接收到的模拟中频信号进行AD采样，得到数字中频信号；将多路数字中频信号分别进行离散傅里叶变换，得到频域信号；计算样本协方差矩阵，代替对应于各频点的数字中频信号的频域协方差矩阵；将样本协方差矩阵进行特征值分解，构造干扰噪声联合子空间投影矩阵；在不确定集范围内进行搜索，并根据投影矩阵和假定空频二维导向矢量，计算最优的有用信号实际导向矢量；计算空频宽带处理器的最优权值。这样利用空频自适应处理结构，在不确定集范围内估计最优导向矢量，提高算法对导向误差的稳健性，并求取最优权矢量，保证有用信号方向形成主瓣并自适应形成零陷抑制干扰。

Description

一种不确定集搜索的波束形成干扰抑制方法及装置

技术领域

本发明涉及信号处理技术领域，特别是涉及一种不确定集搜索的波束形成干扰抑制方法及装置。

背景技术

目前，高功率密度的窄带和宽带干扰已经成为破坏军用导航系统最主要的因素，阵列天线波束形成技术是提高卫星导航接收机抗干扰能力的主要方法，它在抑制空间干扰时，通过权矢量的更新在干扰信号的到达方向上形成零点，以对消掉空间干扰。

传统的空时域自适应滤波方法得到的自适应权只能使天线接收方向图在干扰信号的到达方向上形成窄的零陷，而且计算自适应权的复杂度高，导致干扰抑制实时性变差。实际应用中，由于天线接收平台的振动或运动、干扰位置的快速变化等原因，干扰的到达角在权值迭代更新期间会随时间而产生变化，为了快速跟踪干扰的变化，权值迭代计算时必须采用较大的步长，而这样通常会导致稳态误差增大，恶化抗干扰能力。

因此，如何解决干扰抑制实时性差和稳态误差大等问题，是本领域技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种不确定集搜索的波束形成干扰抑制方法及装置，可以提高算法对导向误差的稳健性，保证有用信号形成主瓣并自适应形成零陷抑制干扰。其具体方案如下：

一种不确定集搜索的波束形成干扰抑制方法，包括：

对空频二维处理器结构中的各阵元接收到的模拟中频信号进行AD采样，得到数字中频信号；

将多路所述数字中频信号分别进行离散傅里叶变换，把每路所述数字中频信号在频域上划分为多个窄子带，得到频域信号；

计算包含所述频域信号的样本协方差矩阵，并代替对应于各频点的所述数字中频信号的频域协方差矩阵；

将所述样本协方差矩阵进行特征值分解，构造干扰噪声联合子空间投影矩阵；

在空频二维导向矢量不确定集范围内搜索有用信号实际导向矢量，并根据假定空频二维导向矢量和构造的所述干扰噪声联合子空间投影矩阵，计算最优的所述有用信号实际导向矢量；

根据计算出的所述有用信号实际导向矢量，计算空频宽带处理器的最优权值。

优选地，在本发明实施例提供的上述不确定集搜索的波束形成干扰抑制方法中，通过下列公式计算所述样本协方差矩阵：

其中，f_k表示频点，表示所述样本协方差矩阵，L表示快拍数的最大值，M表示阵元总数，x_mk(l)表示第m个阵元采样得到的所述数字中频信号经过离散傅里叶变换后对应频点f_k上的第l个快拍数所对应的所述频域信号。

优选地，在本发明实施例提供的上述不确定集搜索的波束形成干扰抑制方法中，所述样本协方差矩阵进行特征值分解后的公式为：

其中，J表示干扰个数，J个特征值{λ₁,λ₂,...,λ_J}对应的特征矢量{e₁,e₂,...,e_J}构成干扰子空间，特征值{λ_s}对应的特征矢量{e_s}构成有用信号子空间，M-J-1个特征值{λ_J+2,λ_J+3,...,λ_M}对应的特征矢量{e_J+2,e_J+3,...,e_M}构成噪声子空间。

优选地，在本发明实施例提供的上述不确定集搜索的波束形成干扰抑制方法中，所述干扰噪声联合子空间投影矩阵表示为：

H_k＝{e₁,...,e_J,e_J+2,...,e_M}{e₁,...,e_J,e_J+2,...,e_M}^H

其中，{e₁,...,e_J,e_J+2,...,e_M}表示干扰噪声联合子空间，H_k表示所述干扰噪声联合子空间投影矩阵。

优选地，在本发明实施例提供的上述不确定集搜索的波束形成干扰抑制方法中，所述干扰噪声联合子空间与所述有用信号实际导向矢量正交。

优选地，在本发明实施例提供的上述不确定集搜索的波束形成干扰抑制方法中，通过下列公式计算各卫星信号对应各频点的假定空频二维导向矢量：

其中，θ_n表示初始已知角度信息，a(θ_n,f_k)表示所述假定空频二维导向矢量，d表示阵元间距，c表示光速常数。

优选地，在本发明实施例提供的上述不确定集搜索的波束形成干扰抑制方法中，计算最优的所述有用信号实际导向矢量，具体包括：

根据投影算子性质和拉格朗日乘子法，确定最优的所述有用信号实际导向矢量的计算公式。

优选地，在本发明实施例提供的上述不确定集搜索的波束形成干扰抑制方法中，通过下列公式计算最优的所述有用信号实际导向矢量：

其中，表示所述有用信号实际导向矢量，λ表示加载量常数，I表示单位阵。

优选地，在本发明实施例提供的上述不确定集搜索的波束形成干扰抑制方法中，通过下列公式计算空频宽带处理器的最优权值：

其中，w(f_k)表示所述空频宽带处理器的最优权值，表示第k个频点的协方差矩阵。

本发明实施例还提供了一种不确定集搜索的波束形成干扰抑制装置，包括：

中频信号采样模块，用于对空频二维处理器结构中的各阵元接收到的模拟中频信号进行AD采样，得到数字中频信号；

傅里叶变换模块，用于将多路所述数字中频信号分别进行离散傅里叶变换，把每路所述数字中频信号在频域上划分为多个窄子带，得到频域信号；

协方差矩阵计算模块，用于计算包含所述频域信号的样本协方差矩阵，并代替对应于各频点的所述数字中频信号的频域协方差矩阵；

特征值分解模块，用于将所述样本协方差矩阵进行特征值分解，构造干扰噪声联合子空间投影矩阵；

最优导向矢量计算模块，用于在空频二维导向矢量不确定集范围内搜索有用信号实际导向矢量，并根据假定空频二维导向矢量和构造的所述干扰噪声联合子空间投影矩阵，计算最优的所述有用信号实际导向矢量；

最优权值计算模块，用于根据计算出的所述有用信号实际导向矢量，计算空频宽带处理器的最优权值。

从上述技术方案可以看出，本发明所提供的一种不确定集搜索的波束形成干扰抑制方法及装置，包括：对空频二维处理器结构中的各阵元接收到的模拟中频信号进行AD采样，得到数字中频信号；将多路数字中频信号分别进行离散傅里叶变换，把每路数字中频信号在频域上划分为多个窄子带，得到频域信号；计算包含频域信号的样本协方差矩阵，并代替对应于各频点的数字中频信号的频域协方差矩阵；将样本协方差矩阵进行特征值分解，构造干扰噪声联合子空间投影矩阵；在空频二维导向矢量不确定集范围内搜索有用信号实际导向矢量，并根据假定空频二维导向矢量和构造的干扰噪声联合子空间投影矩阵，计算最优的有用信号实际导向矢量；根据计算出的有用信号实际导向矢量，计算空频宽带处理器的最优权值。

本发明利用空频自适应处理结构，在不确定集范围内估计最优导向矢量，提高算法对导向误差的稳健性，并求取最优权矢量，保证有用信号方向形成主瓣并自适应形成零陷抑制干扰，提升输出信干噪比。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或相关技术中的技术方案，下面将对实施例或相关技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的不确定集搜索的波束形成干扰抑制方法的流程图；

图2为本发明实施例提供的空频二维处理器结构的示意图；

图3为本发明实施例提供的不确定集搜索的波束形成干扰抑制装置的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供一种不确定集搜索的波束形成干扰抑制方法，如图1所示，包括以下步骤：

S101、对空频二维处理器结构中的各阵元接收到的模拟中频信号进行AD采样，得到数字中频信号；

具体地，如图2所示，用M个阵元的空频二维处理器结构，即接收天线阵列共有M个阵元，M路输入信号经过射频电路处理后得到M路模拟中频信号，M路模拟中频信号经过AD采样得到M路数字中频信号x₁(n),...x_M(n)，该M路数字中频信号作为采样数据；

S102、将多路数字中频信号分别进行离散傅里叶变换，把每路数字中频信号在频域上划分为多个窄子带，得到频域信号；

具体地，如图2所示，将M路数字中频信号分别进行K点离散傅里叶变换，把每路数字中频信号在频域上划分为K个窄子带，得到频域信号x_mk(l)，表示第m个阵元采样数据经过傅里叶(FFT)之后对应频点f_k上的第l个快拍数；

S103、计算包含频域信号的样本协方差矩阵，并代替对应于各频点的数字中频信号的频域协方差矩阵；

具体地，在空频二维滤波器中，x_mk(l)为第m个阵元接收的频点f_k上的频域信号，设R(f_k)为频点f_k上接收信号协方差矩阵，在实际应用中，R(f_k)通常由样本协方差矩阵代替，对应于频点f_k的采样数据的频域协方差矩阵；

S104、将样本协方差矩阵进行特征值分解，构造干扰噪声联合子空间投影矩阵；

S105、在空频二维导向矢量不确定集范围内搜索有用信号实际导向矢量，并根据假定空频二维导向矢量和构造的干扰噪声联合子空间投影矩阵，计算最优的有用信号实际导向矢量；

S106、根据计算出的有用信号实际导向矢量，计算空频宽带处理器的最优权值。

在本发明实施例提供的上述不确定集搜索的波束形成干扰抑制方法中，利用空频自适应处理结构，在不确定集范围内估计最优导向矢量，提高算法对导向误差的稳健性，并求取最优权矢量，保证有用信号方向形成主瓣并自适应形成零陷抑制干扰，提升输出信干噪比。

在具体实施时，在本发明实施例提供的上述不确定集搜索的波束形成干扰抑制方法中，在步骤S103中，通过下列公式计算样本协方差矩阵(如下M×M维的矩阵)：

其中，f_k表示频点，表示样本协方差矩阵，L表示快拍数的最大值，M表示阵元总数，x_mk(l)表示第m个阵元采样得到的数字中频信号经过离散傅里叶变换后对应频点f_k上的第l个快拍数所对应的频域信号。

在具体实施时，在本发明实施例提供的上述不确定集搜索的波束形成干扰抑制方法中，在步骤S104中，假设外界环境存在J个干扰，样本协方差矩阵进行特征值分解后的公式为：

其中，J表示干扰个数，J个较大特征值{λ₁,λ₂,...,λ_J}对应的特征矢量{e₁,e₂,...,e_J}构成干扰子空间，特征值{λ_s}对应的特征矢量{e_s}构成有用信号子空间，其余M-J-1个较小特征值{λ_J+2,λ_J+3,...,λ_M}对应的特征矢量{e_J+2,e_J+3,...,e_M}构成噪声子空间。

进一步地，在具体实施时，在本发明实施例提供的上述不确定集搜索的波束形成干扰抑制方法中，在步骤S104中，干扰噪声联合子空间投影矩阵表示为：

H_k＝{e₁,...,e_J,e_J+2,...,e_M}{e₁,...,e_J,e_J+2,...,e_M}^H

其中，{e₁,...,e_J,e_J+2,...,e_M}表示干扰噪声联合子空间，H_k表示干扰噪声联合子空间投影矩阵。

在具体实施时，在本发明实施例提供的上述不确定集搜索的波束形成干扰抑制方法中，由于有用信号子空间与干扰噪声联合子空间相互正交，则干扰噪声联合子空间与有用信号实际导向矢量正交，即

在具体实施时，在本发明实施例提供的上述不确定集搜索的波束形成干扰抑制方法中，在执行步骤S105之前，根据初始已知角度信息，通过下列公式计算第n个卫星信号对应频点f_k的假定空频二维导向矢量：

其中，θ_n表示初始已知角度信息，a(θ_n,f_k)表示假定空频二维导向矢量，d表示阵元间距，c表示光速常数。

在具体实施时，在本发明实施例提供的上述不确定集搜索的波束形成干扰抑制方法中，在步骤S105中，计算最优的有用信号实际导向矢量，具体可以包括：根据投影算子性质和拉格朗日(Lagrange)乘子法，确定最优的有用信号实际导向矢量的计算公式。

具体地，根据投影算子性质，则最优化方程可表示为

该方程可以通过Lagrange乘子方法求解最优解

解得，

其中，表示有用信号实际导向矢量，λ表示加载量常数，I表示单位阵。

也就是说，通过最终解得的公式可计算最优的有用信号实际导向矢量。

在具体实施时，在本发明实施例提供的上述不确定集搜索的波束形成干扰抑制方法中，在步骤S106中，用搜索得到的有用信号实际导向矢量替代假定导向矢量a(θ_n,f_k)，通过下列公式计算空频宽带处理器的最优权值：

其中，w(f_k)表示空频宽带处理器的最优权值，表示第k个频点的协方差矩阵。

基于同一发明构思，本发明实施例还提供了一种不确定集搜索的波束形成干扰抑制装置，由于该装置解决问题的原理与前述一种不确定集搜索的波束形成干扰抑制方法相似，因此该装置的实施可以参见不确定集搜索的波束形成干扰抑制方法的实施，重复之处不再赘述。

在具体实施时，本发明实施例提供的不确定集搜索的波束形成干扰抑制装置，如图3所示，具体包括：

中频信号采样模块11，用于对空频二维处理器结构中的各阵元接收到的模拟中频信号进行AD采样，得到数字中频信号；

傅里叶变换模块12，用于将多路数字中频信号分别进行离散傅里叶变换，把每路数字中频信号在频域上划分为多个窄子带，得到频域信号；

协方差矩阵计算模块13，用于计算包含频域信号的样本协方差矩阵，并代替对应于各频点的数字中频信号的频域协方差矩阵；

特征值分解模块14，用于将样本协方差矩阵进行特征值分解，构造干扰噪声联合子空间投影矩阵；

最优导向矢量计算模块15，用于在空频二维导向矢量不确定集范围内搜索有用信号实际导向矢量，并根据假定空频二维导向矢量和构造的干扰噪声联合子空间投影矩阵，计算最优的有用信号实际导向矢量；

最优权值计算模块16，用于根据计算出的有用信号实际导向矢量，计算空频宽带处理器的最优权值。

在本发明实施例提供的上述不确定集搜索的波束形成干扰抑制装置中，可以通过上述六个模块的相互作用，利用空频自适应处理结构，在不确定集范围内估计最优导向矢量，提高算法对导向误差的稳健性，并求取最优权矢量，保证有用信号方向形成主瓣并自适应形成零陷抑制干扰，提升输出信干噪比。

关于上述各个模块更加具体的工作过程可以参考前述实施例公开的相应内容，在此不再进行赘述。

专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的模块及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本申请的范围。

结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。

本发明实施例提供的一种不确定集搜索的波束形成干扰抑制方法及装置，包括：对空频二维处理器结构中的各阵元接收到的模拟中频信号进行AD采样，得到数字中频信号；将多路数字中频信号分别进行离散傅里叶变换，把每路数字中频信号在频域上划分为多个窄子带，得到频域信号；计算包含频域信号的样本协方差矩阵，并代替对应于各频点的数字中频信号的频域协方差矩阵；将样本协方差矩阵进行特征值分解，构造干扰噪声联合子空间投影矩阵；在空频二维导向矢量不确定集范围内搜索有用信号实际导向矢量，并根据假定空频二维导向矢量和构造的干扰噪声联合子空间投影矩阵，计算最优的有用信号实际导向矢量；根据计算出的有用信号实际导向矢量，计算空频宽带处理器的最优权值。本发明利用空频自适应处理结构，在不确定集范围内估计最优导向矢量，提高算法对导向误差的稳健性，并求取最优权矢量，保证有用信号方向形成主瓣并自适应形成零陷抑制干扰，提升输出信干噪比。

最后，还需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上对本发明所提供的不确定集搜索的波束形成干扰抑制方法及装置进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (4)

1.一种不确定集搜索的波束形成干扰抑制方法，其特征在于，包括：

对空频二维处理器结构中的各阵元接收到的模拟中频信号进行AD采样，得到数字中频信号；

将多路所述数字中频信号分别进行离散傅里叶变换，把每路所述数字中频信号在频域上划分为多个窄子带，得到频域信号x_mk(l)；所述频域信号x_mk(l)表示第m个阵元采样得到的所述数字中频信号经过离散傅里叶变换后对应频点f_k上的第l个快拍数；

通过下列公式计算包含所述频域信号x_mk(l)的样本协方差矩阵，并代替对应于各频点的所述数字中频信号的频域协方差矩阵：

其中，表示所述样本协方差矩阵，L表示快拍数的最大值；

将所述样本协方差矩阵进行特征值分解，构造干扰噪声联合子空间投影矩阵；假设外界环境存在J个干扰，所述样本协方差矩阵进行特征值分解后的公式为：

其中，J表示干扰个数，J个特征值{λ₁,λ₂,...,λ_J}对应的特征矢量{e₁,e₂,...,e_J}构成干扰子空间，特征值{λ_s}对应的特征矢量{e_s}构成有用信号子空间，其余M-J-1个特征值{λ_J+2,λ_J+3,...,λ_M}对应的特征矢量{e_J+2,e_J+3,...,e_M}构成噪声子空间；

所述干扰噪声联合子空间投影矩阵表示为：

H_k＝{e₁,...,e_J,e_J+2,...,e_M}{e₁,...,e_J,e_J+2,...,e_M}^H

其中，{e₁,...,e_J,e_J+2,...,e_M}表示干扰噪声联合子空间；

在空频二维导向矢量不确定集范围内搜索有用信号实际导向矢量，并根据假定空频二维导向矢量和构造的所述干扰噪声联合子空间投影矩阵，通过下列公式计算最优的所述有用信号实际导向矢量：

其中，表示所述有用信号实际导向矢量，θ_n表示初始已知角度信息，f_k表示频点，H_k表示所述干扰噪声联合子空间投影矩阵，λ表示加载量常数，I表示单位阵，a(θ_n,f_k)表示所述假定空频二维导向矢量，d表示阵元间距，c表示光速常数，M表示阵元总数；所述干扰噪声联合子空间与所述有用信号实际导向矢量正交，/>

根据计算出的所述有用信号实际导向矢量，计算空频宽带处理器的最优权值。

2.根据权利要求1所述的不确定集搜索的波束形成干扰抑制方法，其特征在于，计算最优的所述有用信号实际导向矢量，具体包括：

根据投影算子性质和拉格朗日乘子法，确定最优的所述有用信号实际导向矢量的计算公式。

3.根据权利要求2所述的不确定集搜索的波束形成干扰抑制方法，其特征在于，通过下列公式计算空频宽带处理器的最优权值：

其中，w(f_k)表示所述空频宽带处理器的最优权值，表示第k个频点的协方差矩阵。

4.一种不确定集搜索的波束形成干扰抑制装置，其特征在于，包括：

中频信号采样模块，用于对空频二维处理器结构中的各阵元接收到的模拟中频信号进行AD采样，得到数字中频信号；

傅里叶变换模块，用于将多路所述数字中频信号分别进行离散傅里叶变换，把每路所述数字中频信号在频域上划分为多个窄子带，得到频域信号x_mk(l)；所述频域信号x_mk(l)表示第m个阵元采样得到的所述数字中频信号经过离散傅里叶变换后对应频点f_k上的第l个快拍数；

协方差矩阵计算模块，用于通过下列公式计算包含所述频域信号x_mk(l)的样本协方差矩阵，并代替对应于各频点的所述数字中频信号的频域协方差矩阵：

其中，表示所述样本协方差矩阵，L表示快拍数的最大值；

特征值分解模块，用于将所述样本协方差矩阵进行特征值分解，构造干扰噪声联合子空间投影矩阵；假设外界环境存在J个干扰，所述样本协方差矩阵进行特征值分解后的公式为：

其中，J表示干扰个数，J个特征值{λ₁,λ₂,...,λ_J}对应的特征矢量{e₁,e₂,...,e_J}构成干扰子空间，特征值{λ_s}对应的特征矢量{e_s}构成有用信号子空间，其余M-J-1个特征值{λ_J+2,λ_J+3,...,λ_M}对应的特征矢量{e_J+2,e_J+3,...,e_M}构成噪声子空间；

所述干扰噪声联合子空间投影矩阵表示为：

H_k＝{e₁,...,e_J,e_J+2,...,e_M}{e₁,...,e_J,e_J+2,...,e_M}^H

其中，{e₁,...,e_J,e_J+2,...,e_M}表示干扰噪声联合子空间；

最优导向矢量计算模块，用于在空频二维导向矢量不确定集范围内搜索有用信号实际导向矢量，并根据假定空频二维导向矢量和构造的所述干扰噪声联合子空间投影矩阵，通过下列公式计算最优的所述有用信号实际导向矢量：

其中，表示所述有用信号实际导向矢量，θ_n表示初始已知角度信息，f_k表示频点，H_k表示所述干扰噪声联合子空间投影矩阵，λ表示加载量常数，I表示单位阵，a(θ_n,f_k)表示所述假定空频二维导向矢量，d表示阵元间距，c表示光速常数，M表示阵元总数；所述干扰噪声联合子空间与所述有用信号实际导向矢量正交，/>

最优权值计算模块，用于根据计算出的所述有用信号实际导向矢量，计算空频宽带处理器的最优权值。