CN114142900B - 一种基于lcmv准则的多通道自适应波束形成方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于LCMV准则的多通道自适应波束形成方法，适用于雷达通信旁瓣抗干扰应用，属于阵列信号处理领域。和传统的波束形成算法相比，本发明根据根据雷达实际的阵面结构和工程需求对阵面进行子阵划分，生成多通道信号模型，并利用LCMV准则进行自适应波束形成，并且本发明方案的实时性高，在多通道情况下相比于传统的波束形成算法有较快的运行速度。
Description
技术领域
本发明涉及电通信技术技术领域，具体涉及一种基于LCMV准则的多通道自适应波束形成方法。
背景技术
自适应波束形成技术是阵列信号处理的重要分支，其广泛应用于航天领域中的导航、飞行器测控和精确制导等的旁瓣抗干扰中，近年来已经成为新一代航天、雷达和通信领域的关键技术之一。自适应波束形成技术能够通过调整接收通道权系数有效地实现干扰抑制等功能，在航天、雷达、无线通信、声纳、地震勘测等系统中得到了广泛的应用。传统的自适应波束形成主要基于全面阵进行数据处理，由于雷达阵面阵元个数巨大，实时计算量大，传统的波束形成算法无法满足工程需求。
现有技术中，Zhang X J,Xie H,Feng D Z,et al.Fast and Robust AdaptiveBeamforming Algorithms for Large-Scale Arrays with Small Samples[J].SignalProcessing,2021.该文献中提出了两种快速且鲁棒的自适应波束形成算法，这两种方法参考线性核方法，将权向量表示为训练样本和信号导向向量的线性组合。但是这两种方法在实际工程中实现困难，不易进行实际的批量操作。
郭业才,陈晨,胡国乐.基于协方差矩阵重构的稳健波束形成算法[J].实验室研究与探索,2020,039(003):1-5.该文献通过对期望信号和干扰的大致来波方向范围进行积分以估计出导向矢量,然后利用主模式抑制去除信号间多余的相干性,并重构出最终的协方差矩阵.此算法虽然可以在稳健性上有所提升，但是在实际工程中计算速度慢，用时较长，不适用于大型阵面的结构。
李鹏,夏翔,俞传富,等.基于导向矢量估计的鲁棒波束形成[J].雷达科学与技术,2020,018(001):21-26,33.该文献提出了一种基于加权空间平滑与导向矢量估计相结合的鲁棒波束形成算法，但是这种方法对于含有较多阵元的阵面来说并不适用。
发明内容
本发明是为了解决自适应波束的形成问题，通过子阵划分方式将阵面分成多个小子阵，形成多通道，并利用LCMV准则进行自适应波束形成，提供了一种在实际工程环境下能够在多通道进行自适应波束形成的方法，相比传统的波束形成算法更具稳健性也更加快速，满足了多通道情况下进行快速波束形成的需求，具有理论和工程上的研究意义。
本发明提供一种基于LCMV准则的多通道自适应波束形成方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1、根据天线阵面结构将天线阵面划分为k个子阵，形成k个通道；
S2、根据泰勒加权公式和天线阵面结构生成子阵转换矩阵T；
S3、采集仅含干扰信号回波数据P，根据子阵转换矩阵T得到子阵划分后仅含干扰信号回波数据I；
S4、根据回波数据I得到协方差矩阵R；
S5、采集既包含干扰信号又包含目标信号回波数据S，根据子阵转换矩阵T得到子阵划分后既包含干扰信号又包含目标信号回波数据X；
S6、从回波数据X中提取波束形成期望方向的导向矢量a；
S7、根据协方差矩阵R、导向矢量a和LCMV准则求得权重w；
S8、将权重w与子阵划分后既包含干扰信号又包含目标信号回波数据X相乘，得到自适应波束Y。
本发明所述的一种基于LCMV准则的多通道自适应波束形成方法，作为优选方式，步骤S1中，k为8。
本发明所述的一种基于LCMV准则的多通道自适应波束形成方法，作为优选方式，步骤S2包括以下内容：
S21、得到子阵形成矩阵：子阵形成矩阵T0为：
其中，Tx为x方向的子阵形成矩阵，Tz为z方向的子阵形成矩阵，为Kronecker积；
S22、获得期望信号的导向矢量Φ0和加权矩阵wT：采用泰勒加权公式得到导向矢量Φ0：
S23、生成子阵转换矩阵：子阵转换矩阵T为：
T＝Φ0wTT0，
其中，wT为加权矩阵。
本发明所述的一种基于LCMV准则的多通道自适应波束形成方法，作为优选方式，步骤S22中，对子阵形成矩阵T0的阵元进行加权，为沿着x轴方向的阵元幅度加权，/>为沿着z轴方向的阵元幅度加权，则加权矩阵wT表示为：
本发明所述的一种基于LCMV准则的多通道自适应波束形成方法，作为优选方式，步骤S22中，采用泰勒加权公式的为：
其中，θ0为期望信号的俯仰角，为期望信号的方位角。
本发明所述的一种基于LCMV准则的多通道自适应波束形成方法，作为优选方式，步骤S3中，仅含干扰信号回波数据I为：
I＝P·T。
本发明所述的一种基于LCMV准则的多通道自适应波束形成方法，作为优选方式，步骤S4中，协方差矩阵R为：R＝I·IH。
本发明所述的一种基于LCMV准则的多通道自适应波束形成方法，作为优选方式，步骤S5中，子阵划分后既包含干扰信号又包含目标信号回波数据X为：
X＝S·T。
本发明所述的一种基于LCMV准则的多通道自适应波束形成方法，作为优选方式，步骤S7中，LCMV准则为：
本发明所述的一种基于LCMV准则的多通道自适应波束形成方法，作为优选方式，步骤S8中，自适应波束Y为：Y＝WH·X。
本发明具有以下优点：
(1)本发明采用子阵划分的技术，将全面阵划分为8个多通道，更加符合实际工程上的应用。
(2)本发明方案的实时性高，相比于传统的波束形成算法而言，本发明应用了LCMV准则，使自适应波束形成方法更加快速，可以在旁瓣对干扰很好地进行抑制。
附图说明
图1为一种基于LCMV准则的多通道自适应波束形成方法流程图；
图2为一种基于LCMV准则的多通道自适应波束形成方法步骤S2流程图。
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。
实施例1
如图1所示，一种基于LCMV准则的多通道自适应波束形成方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1、根据天线阵面结构将天线阵面划分为8个子阵，形成8个通道；
S2、根据泰勒加权公式和天线阵面结构生成子阵转换矩阵T；
S21、得到子阵形成矩阵：子阵形成矩阵T0为：
其中，Tx为x方向的子阵形成矩阵，Tz为z方向的子阵形成矩阵，为Kronecker积；
S22、获得期望信号的导向矢量Φ0和加权矩阵wT：采用泰勒加权公式得到导向矢量Φ0：
对子阵形成矩阵T0的阵元进行加权，假设为沿着x轴方向的阵元幅度加权，为沿着z轴方向的阵元幅度加权，则加权矩阵wT表示为：
采用泰勒加权公式的为：
其中，θ0为期望信号的俯仰角，为期望信号的方位角；
S23、生成子阵转换矩阵：子阵转换矩阵T为：
T＝Φ0wTT0，
其中，wT为加权矩阵；
S3、采集仅含干扰信号回波数据P，根据子阵转换矩阵T得到子阵划分后仅含干扰信号回波数据I，I＝P·T；
S4、根据回波数据I得到协方差矩阵R，R＝I·IH；
S5、采集既包含干扰信号又包含目标信号回波数据S，根据子阵转换矩阵T得到子阵划分后既包含干扰信号又包含目标信号回波数据X，X＝S·T；
S6、从回波数据X中提取波束形成期望方向的导向矢量a；
S7、根据协方差矩阵R、导向矢量a和LCMV准则求得权重w，LCMV准则为：
S8、将权重w与子阵划分后既包含干扰信号又包含目标信号回波数据X相乘，得到自适应波束Y，Y＝WH·X。
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揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种基于LCMV准则的多通道自适应波束形成方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1、根据天线阵面结构将天线阵面划分为k个子阵，形成k个通道；
S2、根据泰勒加权公式和所述天线阵面结构生成子阵转换矩阵T；
S21、得到子阵形成矩阵：子阵形成矩阵T0为：
其中，Tx为x方向的子阵形成矩阵，Tz为z方向的子阵形成矩阵，为Kronecker积；
S22、获得期望信号的导向矢量Φ0和加权矩阵wT：采用泰勒加权公式得到导向矢量Φ0：
其中，Nx为x轴方向阵列的点数；
对所述子阵形成矩阵T0的阵元进行加权，为沿着x轴方向的阵元幅度加权，/>为沿着z轴方向的阵元幅度加权，则加权矩阵wT表示为：
其中，Nz为Z轴方向阵列的点数；
采用泰勒加权公式的为：
其中，θ0为期望信号的俯仰角，为期望信号的方位角；
S23、生成子阵转换矩阵：子阵转换矩阵T为：
T＝Φ0wTT0，
其中，wT为加权矩阵；
S3、采集仅含干扰信号回波数据P，根据所述子阵转换矩阵T得到子阵划分后仅含干扰信号回波数据I；
S4、根据所述回波数据I得到协方差矩阵R；
S5、采集既包含干扰信号又包含目标信号回波数据S，根据所述子阵转换矩阵T得到子阵划分后既包含干扰信号又包含目标信号回波数据X；
S6、从所述回波数据X中提取波束形成期望方向的导向矢量a；
S7、根据所述协方差矩阵R、所述导向矢量a和LCMV准则求得权重w；
S8、将所述权重w与所述子阵划分后既包含干扰信号又包含目标信号回波数据X相乘，得到自适应波束Y。
2.根据权利要求1所述的一种基于LCMV准则的多通道自适应波束形成方法，其特征在于：步骤S1中，k为8。
3.根据权利要求1所述的一种基于LCMV准则的多通道自适应波束形成方法，其特征在于：步骤S3中，所述仅含干扰信号回波数据I为：
I＝P·T。
4.根据权利要求1所述的一种基于LCMV准则的多通道自适应波束形成方法，其特征在于：步骤S4中，所述协方差矩阵R为：
R＝I·IH。
5.根据权利要求1所述的一种基于LCMV准则的多通道自适应波束形成方法，其特征在于：步骤S5中，所述子阵划分后既包含干扰信号又包含目标信号回波数据X为：
X＝S·T。
6.根据权利要求1所述的一种基于LCMV准则的多通道自适应波束形成方法，其特征在于：步骤S7中，所述LCMV准则为：
7.根据权利要求1所述的一种基于LCMV准则的多通道自适应波束形成方法，其特征在于：步骤S8中，自适应波束Y为：
Y＝WH·X。
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| CN109490850A (zh) * | 2018-10-19 | 2019-03-19 | 西安电子科技大学 | 主瓣干扰下宽带阵列自适应波束形成方法 |
| CN112505628A (zh) * | 2020-10-29 | 2021-03-16 | 北京遥测技术研究所 | 一种基于图卷积神经网络的自适应波束形成方法 |
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| An improved algorithm for radar adaptive beamforming based on machine learning;Moyu Bai, etc.;《Journal of Physics: Conference Series》;全文 * |
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