基于斜投影濾波的雷達自適應波束形成方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于雷達技術領域，特別涉及一種基于斜投影濾波的雷達自適應波束形成 方法，可用于在主瓣干擾和旁瓣干擾同時存在的情況下抑制主瓣干擾和旁瓣干擾。
【背景技術】
[0002] 在復雜信號環境中不僅存在期望信號，而且還存在大量的干擾信號，當干擾信號 強于期望信號時，陣列的輸出中期望信號會被干擾信號掩蓋。要降低干擾信號的影響，最好 的方法是使陣列天線方向圖的零點位置始終指向干擾信號方向，同時保證主瓣對準期望信 號方向。由于干擾信號方向和期望信號方向都是未知的，要求陣列天線方向圖自適應地滿 足上述要求。具有這種自適應能力的波束形成技術稱之為自適應波束形成。
[0003] 自適應波束形成的基本思想是根據不同的最優化準則，通過自適應算法，對陣列 中各陣元的輸出進行加權求和，從而使得陣列的主波束指向期望信號方向，同時，在干擾信 號方向形成零點，即通過空域濾波來抑制干擾信號。現有的最優化準則有最小均方誤差準 貝1J、最大信噪比準則和線性約束最小方差準則等。
[0004] 傳統的自適應波束形成主要用于對旁瓣干擾進行抑制。然而干擾也可能從主瓣進 入，比如自衛式干擾。當空間中存在主瓣干擾時，自適應波束形成得到的天線方向圖會存在 兩個缺陷：一是旁瓣電平升高，二是主波束嚴重變形。為了克服上述缺陷，已有學者分別提 出以下幾種解決方法：
[0005] 李榮峰等人在現代雷達期刊的2002年第24卷第3期的第50頁到53頁，提出了 一種基于特征空間正交投影預處理的自適應波束形成方法（EMP算法），該方法首先利用接 收到的干擾數據得到干擾的協方差矩陣，通過特征分解，得到主瓣干擾的信號子空間，并通 過正交投影預處理對主瓣干擾進行抑制，然后對正交投影預處理后得到的輸出信號進行常 規的自適應波束形成，得到最終的自適應天線方向圖；該方法能夠解決當空間中存在主瓣 干擾時旁瓣電平升高和主波束變形的問題，但是缺點是當主瓣干擾方向和期望信號方向較 接近時，主波束的指向仍然會發生偏移，而且當空間中存在多個主瓣干擾時，該方法的空域 濾波的性能將會嚴重下降；
[0006] 蘇寶偉等人在系統工程與電子技術期刊的2005年第27卷第11期的第1830頁到 第1832頁，提出了一種依據阻塞矩陣預處理的自適應波束形成方法，該方法通過估計主瓣 干擾的方向，設計阻塞矩陣來抑制主瓣干擾，然后再進行常規的自適應波束形成得到自適 應天線方向圖；該方法能夠解決旁瓣電平升高和主波束變形的問題，但是缺點是需要精確 估計主瓣干擾的方向；
[0007] Yang 等人在 IEEE Antennas Wireless Propagation Letters 期刊的 2〇13 年第 12卷的第433頁到第436頁中提出了一種基于大型輔助陣列的自適應波束形成方法；該方 法通過設置一個大孔徑的輔助陣列，以旁瓣對消的方式形成自適應天線方向圖；該方法的 缺點是要求的輔助陣列孔徑過大，在實際中應用成本過高。
【發明內容】
[0008] 為克服上述已有技術的不足，本發明的目的在于提出一種基于斜投影濾波的雷達 自適應波束形成方法，該方法能夠解決旁瓣電平升高和主波束變形的問題，而且不需要估 計主瓣干擾的方向；當存在多個主瓣干擾時，該方法仍能保持很好的天線方向圖保形性能 和濾波輸出性能，并且能夠在低快拍數的情況下保持穩健的濾波輸出性能。
[0009] 實現本發明目的的技術思路是：首先，設定陣列由N個陣元組成，將該N個陣元接 收的信號的協方差矩陣進行特征值分解，得到干擾的信號子空間；然后，構建干擾判斷準 貝1J，在干擾的信號子空間中確定主瓣干擾的信號子空間；接著，根據斜投影理論對N個陣元 接收的信號進行主瓣干擾抑制，得到斜投影濾波處理后的信號，并對斜投影濾波處理后的 信號的協方差矩陣進行修正，得到修正后的協方差矩陣；最后，對N個陣元接收的信號進行 常規的自適應波束形成，得到自適應波束形成后的信號。
[0010] -種基于斜投影濾波的雷達自適應波束形成方法，其特征在于，包括以下步驟：
[0011] 步驟1，設定陣列由N個陣元組成，N個陣元接收的信號為X (t)，該信號中包含干 擾和噪聲，所述干擾包含主瓣干擾和旁瓣干擾；構建N個陣元接收的信號X (t)的協方差矩 陣Rxx;對N個陣元接收的信號X (t)的協方差矩陣R Ji行特征值分解，得到干擾的信號子 空間Uj和噪聲的信號子空間Un，其中，t表不時間變量；
[0012] 步驟2,構建干擾判斷準則，并依據該干擾判斷準則在干擾的信號子空間U1中確定 主瓣干擾的信號子空間E ni和旁瓣干擾的信號子空間E p;
[0013] 步驟3,根據斜投影理論，構建斜投影算子B對N個陣元接收的信號X (t)進行斜投 影濾波處理，得到斜投影濾波處理后的信號y (t)，并構建斜投影濾波處理后的信號y (t)的 協方差矩陣Ryy，從而實現對空間中的主瓣干擾的抑制；
[0014] 步驟4,對斜投影濾波處理后的信號y (t)的協方差矩陣Ryy中的噪聲進行修正，得 到修正后的斜方差矩陣R ;
[0015] 步驟5,根據修正后的協方差矩陣R，對N個陣元接收的信號X (t)進行常規的自適 應波束形成，得到自適應波束形成后的信號z (t)，從而實現在期望信號方向形成主波束，并 實現對空間中的旁瓣干擾的抑制。
[0016] 本發明與現有技術相比具有以下優點：
[0017] (1)現有的自適應波束形成方法需要估計主瓣干擾的方向，而且在空間中存在多 個主瓣干擾的情況下，自適應波束形成的性能并不理想，輸出信干噪比較低，而且主波束指 向存在一定偏移。本發明方法不需要估計主瓣干擾的方向，且主波束的指向不會偏移，旁瓣 電平也不會升高。
[0018] (2)現有的自適應波束形成方法在快拍數較少的情況下，濾波輸出的信噪比較低。 而本發明方法在快拍數較少的情況下仍能保持較高的信噪比輸出。
【附圖說明】
[0019] 下面結合【附圖說明】和【具體實施方式】對本發明作進一步詳細說明。
[0020] 圖1是本發明的流程圖；
[0021] 圖2是本發明與其他兩種方法形成的自適應天線方向圖；
[0022] 圖3是本發明與其他兩種自適應波束形成算法的濾波輸出性能比較圖；
[0023] 圖4是本發明與其他兩種自適應波束形成算法的濾波輸出前后的信號對比圖。
【具體實施方式】
[0024] 參照圖1，本發明的基于斜投影濾波的雷達自適應波束形成方法，包括以下具體步 驟：
[0025] 步驟1，設定陣列由N個陣元組成，N個陣元接收的信號為X⑴，該信號中包含干 擾和噪聲，所述干擾包含主瓣干擾和旁瓣干擾；構建N個陣元接收的信號X (t)的協方差矩 陣Rxx;對N個陣元接收的信號X (t)的協方差矩陣R Ji行特征值分解，得到干擾的信號子 空間Uj和噪聲的信號子空間Un，其中，t表不時間變量。
[0026] 步驟1的具體子步驟為：
[0027] I. 1設定陣列由N個陣元組成；設定空間中存在M個主瓣干擾和P個旁瓣干擾，M+P <N;其中，第m個主瓣干擾的信號為sn(t)，第m個主瓣干擾的入射角度為θη，1彡 m彡M; 第P個旁瓣干擾的信號為sp (t)，第p個旁瓣干擾的入射角度為Θ p，1 < p < P ;設定上述主 瓣干擾以及旁瓣干擾之間獨立不相關，則將N個陣元接收的信號X (t)表示為：
[0028]
[0029] 其中，n(t)為陣列的噪聲，設定陣列中各陣元的噪聲為相互獨立的高斯白噪聲，方 差為<，且與干擾不相關；a(0 J為第m個主瓣干擾的導向矢量，a(0p)為第p個旁瓣干 擾的導向矢量，a( Θ J和a( θ p)的表達式分別為：
[0030] a( Θ J = [1，exp(j2 π d sin( Θ J/λ)，…，exp(j2 π d(N_l)sin( Θ m)/A)]T
[0031] a( Θ p) = [1，exp (j2 π d sin ( Θ p) / λ )，…，exp (j2 π d(N_l) sin ( Θ p) / λ ) ]T
[0032] 其中，λ為N個陣元接收的信號的x(t)的波長，d為陣元間距，上標T表示轉置；
[0033] 1. 2構建N個陣元接收的信號X (t)的協方差矩陣Rxx:
[0034]
[0035] 其中，&為干擾的協方差矩陣，I為NXN維的單位陣，E[ ·]表示求矩陣期望，上 標H表示共輒轉置；
[0036] 1. 3對N個陣元接收的信號X (t)的協方差矩陣Rxx進行特征值分解：
[0037]
[0038] 其中，λ為Rxx的第i個特征值，V $ Rxx的第i個特征值λ i對應的特征向量， 1彡i彡N;在步驟I. 1中設定空間中存在M個主瓣干擾和P個旁瓣干擾，即空間中存在 M+P個干擾源，設定Rxx的N個特征值滿足λ > λ 2彡…彡λ Μ+ρ>> λ M+p+產…~λ N，且 Λν ? 丨，選擇其中前M+P個特征值λ ρ λ 2, . . .，λ M+p對應的特征向量v p v2, . . .，vM+p張成 干擾的信號子空間Up U1= [v i，v2, . . .，vM+p]，人;表示干擾的對角矩陣，Λ J= diag[ λ p λ2，· · ·，λΜ+Ρ];選擇Rxx的第M+P+l至IjN個特征值λ M+p+1，· · ·，λΝ對應的特征向量Vm+p+1，· · ·， vN張成噪聲的信號子空間Un，Un= [vM+P+1，vM+P+2, .