專利名稱：一種高效的寬帶穩健自適應波束形成方法
技術領域：
本發明涉及雷達、聲納及無線通信技術領域，具體涉及一種高效的寬帶穩健自適應波束形成方法。
背景技術：
數字波束形成(DBF)是利用數字信號處理技術，對由天線陣列接收到的信號進行加權，通過調整各陣元的權值從而使得信號得以有效的接收。這是由于各陣元的權值組成陣列權矢量，權矢量直接決定了自適應陣列的方向圖，即決定了對有用信號的接收效果。對有用信號的有效接收包括兩個方面一是使陣列方向圖主瓣(陣列天線增益最大方向)對準期望信號方向；二是使方向圖的零點對準干擾信號以進行有效抑制。傳統的基于窄帶的波束形成算法，當用于寬帶信號時，會導致波束的指向、主瓣寬度在不同頻點上發生很大的變化，引起偏差。因此，在寬帶信號源大量存在的情況下，如何進行寬帶波束形成，已經成為 無線通信中的一個研究熱點。早起出現的寬帶DBF方法是基于非相干信號子空間方法(ISM)，它將寬帶信號分解為若干子帶，在每一個子帶上直接進行窄帶處理，即對每一個子帶的信號相關矩陣進行窄帶波束形成，對所有子帶的加權值進行算術平均或幾何平均，最后得出寬帶信號DBF。通常這類處理算法不能得到滿意的結果，主要原因在于計算量大、無法估計相干信號源。相干信號子空間方法(CoherentSignal Subspace Method, CSM)是一種有效算法，是由 Wang 和 Kaveh 首先提出的(Wang, M Kaveh. “Coherent signal-subspaceprocessing for the detecting and estimation of angles of arrival of multiplewideband sources,，，IEEE Transactions on ASSP, vol. 33, no. 4,1985, pp. 823-831.)。這類算法的基本思想是把頻帶內不重疊的頻率點上信號空間聚焦到參考頻點上，聚焦后得到單一頻點的數據協方差矩陣，然后利用窄帶技術進行DBF，這種算法可以解決相干信號源問題。在CSM算法之后，提出了許多不同約束準則下的CSM類算法，如TCT (雙邊相關變換)算法，SST(信號子空間變換)算法，RSS(旋轉信號子空間)算法等等。以上這些算法在構造聚焦矩陣時候都需要用到特征值或奇異值分解，運算量為O (M3)，過大的運算量會導致實時處理的困難。此外，這類方法在實現波束形成的時候采用的是經典的Capton波束形成器或最小方差無失真響應(Minimum Variance Distortionless Response, MVDR)波束形成器。這類波束形成器需要預先知道期望信號的方位信息，如果對期望信號的來波方向估計不準，會導致主波束指向一個錯誤的方向，此時最優權值會把期望信號當做干擾來抑制，從而在真實的來波方向形成零陷，因此在信噪比較高的環境下性能較為惡劣。對角加載技術可以在一定程度上改善波束形成的性能，但是如何準確選取對角加載量仍然是一個技術難題。
發明內容
本發明針對現有技術的不足，提供一種基于傳播算子和特征空間的寬帶穩健自適應波束形成方法。本發明將傳播算子(PM)與寬帶相干信號子空間方法相結合，推導了基于PM的寬帶信號子空間方法，該方法所構造的聚焦矩陣不需要奇異值分解，在獲取噪聲子空間時也不需要特征值分解，運算量約為O (PM2)。可以看出PM算法的復雜度約為TCT聚焦方法的o(P/M)。因此在陣元數較多的時候，基于傳播算子的方法將會大大降低運算量。最后將特征空間自適應波束形成算法思想運用于PM中，實現了寬帶穩健自適應波束形成。相比傳統方法，本發明對于低快拍、期望信號較強的環境下都體現較好的性能，尤其是在期望信號估計存在一定誤差的條件下，改方法具有更強的穩健性。本發明是通過以下技術方案實現的，方法步驟如下I)將陣列接收數據進行FFT變換，得到J個頻點上的數據，進而分別得到各頻點接 收數據的協方差矩陣，選取中心頻點fo作為參考頻點；2)利用傳播算子思想，分別將各頻點的協方差矩陣&和中心頻點的協方差矩陣Rtl進行矩陣分塊，得到各頻點的傳播算子P」和中心頻點的傳播算子P。;3)利用P」和Ptl構造各頻點的聚焦矩陣Ir將不同頻點的傳播算子聚焦到同一參考頻點上；4)得到最終的傳播算子估計&，構造Q和Qci,即噪聲子空間；5)結合特征空間思想，構造寬帶波束形成算法權矢量wPM_BESB，實現穩健的寬帶自適應波束形成。以下對本發明的每個步驟作進一步的詳細說明所述步驟I)，具體實現如下考慮有M個全向陣元的均勻線陣的情況，陣元間距為中心頻率的半波長。P個寬帶遠場信號分別以,MG1(尸<M)入射到該陣列上，附加與源信號獨立的高斯白噪聲。將陣列接收的數據均勻采樣并且分成K個互不重疊的塊，每塊包含N個采樣點。對每一塊進行N點FFT，然后選取J個頻點進行后續處理。定義各離散頻點則第k次快拍(k= 1，...，
N)第j個頻點的陣列接收數據為xJjk = Aj( 9k這里A」(0) = [Bj(S1), , Bj(Sp)]表示(MXP)維的陣列流型矩陣，Sj, k是(PXl)維的信號矢量，nik是(MXl)維的噪聲矢量。選取中心頻點&作為聚焦頻率，則第k次快拍頻點&的陣列接收數據可寫為Xm = A0 ( 0 ) Sd.k+r^k。因此f」和&頻點上陣列接收數據的協方差矩陣為< 1 K
=~^'^lk=\X0,kX0,k所述步驟2)，具體實現如下分別將各頻點陣列協方差矩陣&以及中心頻點陣列協方差矩陣Rtl進行分塊可得Rj = [Gj, Hj] = [Gj, GjPj]R0 = [G0，H0] = [G0，G0P0]
這里的Gj和Gtl都是(MXP)維矩陣，Hj和H。都是MX (M-P)維矩陣。利用傳播算子思想，對協方差矩陣進行分塊得到各頻點的傳播算子
權利要求
1.一種高效的寬帶穩健自適應波束形成方法，其特征在于包括以下步驟 1)將陣列接收數據進行FFT變換，得到J個頻點上的數據，進而分別得到各頻點接收數據的協方差矩陣，選取中心頻點&作為參考頻點； 2)利用傳播算子思想，分別將各頻點的協方差矩陣&和中心頻點的協方差矩陣Rtl進行矩陣分塊，得到各頻點的傳播算子P」和中心頻點的傳播算子Ptl ; 3)利用P」和Ptl構造各頻點的聚焦矩陣Ir將不同頻點的傳播算子聚焦到同一參考頻點上； 4)得到最終的傳播算子估計&，構造Q和Qtl,即噪聲子空間； 5)結合特征空間思想，構造寬帶波束形成算法權矢量wPM-BESB，實現穩健的寬帶自適應波束形成。
2.根據權利要求I所述的一種高效的寬帶穩健自適應波束形成方法，其特征是，所述步驟I),具體實現如下 考慮有M個全向陣元的均勻線陣的情況，陣元間距為中心頻率的半波長。P個寬帶遠場信號分別以
3.根據權利要求2所述的一種高效的寬帶穩健自適應波束形成方法，其特征是，當得到各頻點接收數據之后，選取中心頻點fo作為聚焦頻率，則第k次快拍頻點&的陣列接收數據可寫為Xw = Atl(Q) S(l,k+n(l,k。因此&和&頻點上陣列接收數據的協方差矩陣為
4.根據權利要求I所述的一種高效的的寬帶穩健自適應波束形成方法，其特征是，所述步驟2)，具體實現如下 分別將各頻點陣列協方差矩陣&以及中心頻點陣列協方差矩陣Rtl進行分塊可得
5.根據權利要求4所述的一種高效的的寬帶穩健自適應波束形成方法，其特征是，利用傳播算子思想，對協方差矩陣進行分塊得到各頻點的傳播算子
6.根據權利要求I所述的一種高效的的寬帶穩健自適應波束形成方法，其特征是，所述步驟3),具體實現如下 利用各頻點的傳播算子&和中心頻點的傳播算子Po，定義聚焦矩陣，將不同頻點的傳播算子變換到參考頻點上
7.根據權利要求I所述的一種高效的寬帶穩健自適應波束形成方法，其特征是，所述步驟4)，具體實現如下 利用矩陣理論知識不難得到如下式子
8.根據權利要求7所述的一種高效的寬帶穩健自適應波束形成方法，其特征是，結合傳播算子思想，利用單一頻點的傳播算子的估計^構造MX (M-P)維的矩陣Q，且滿足
9.根據權利要求I所述的一種高效的寬帶穩健自適應波束形成方法，其特征是，所述步驟5),具體實現如下 利用特征空間自適應波束形成算法思想和傳播算子的聚焦理論，得到寬帶特征空間自適應波束形成(PM-BESB)算法權矢量。這里的Rtl指的是參考頻點的協方差矩陣，a( Stl)表示的是期望信號的導向矢量，Qtl是期望信號的DOA。最后利用權矢量實現穩健的寬帶自適應波束形成。
全文摘要
本發明提供了一種高效的寬帶穩健自適應波束形成方法，用于無線通信領域，方法如下將陣列接收數據進行FFT變換，得到不同頻點上的接收數據和各頻點接收數據的協方差矩陣，選取中心頻點作為參考頻點；利用傳播算子思想，分別將各頻點的協方差矩陣和中心頻點的協方差矩陣進行矩陣分塊，得到各頻點的傳播算子和中心頻點的傳播算子；構造聚焦變換矩陣，將不同頻點的傳播算子聚焦到同一參考頻點上；得到最終的傳播算子估計和噪聲子空間；結合特征空間思想，構造寬帶波束形成算法權矢量，實現穩健的寬帶自適應波束形成。與傳統相干信號子空間算法相比，本發明不需要任何奇異值或特征值分解，無需對角加載技術，對于低快拍、期望信號較強的環境下都體現較好的性能，尤其是在期望信號估計存在一定誤差的條件下，改方法具有更強的穩健性，同時降低了復雜度。
文檔編號H04B7/06GK102664666SQ20121010071
公開日2012年9月12日 申請日期2012年4月9日 優先權日2012年4月9日
發明者余鵬程, 楊峰, 楊鵬 申請人:電子科技大學