一種基于協方差矩陣錐化的陣列天線自適應波束形成方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于自適應波束形成【技術領域】，特別涉及一種基于協方差矩陣錐化的陣列天線自適應波束形成方法，其具體步驟為：首先通過陣列天線得到樣本數據，并計算該樣本數據的協方差矩陣，將其作為干擾加噪聲的協方差矩陣的估計值；利用協方差矩陣錐化方法改進協方差矩陣；求解帶有約束的優(yōu)化問題估計期望信號的導向矢量。最后的仿真結果驗證了所提的兩種改進方法的有效性。
【專利說明】一種基于協方差矩陣錐化的陣列天線自適應波束形成方法

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于自適應波束形成【技術領域】，特別涉及一種基于協方差矩陣錐化的陣列 天線自適應波束形成方法。

【背景技術】
[0002] 自適應波束形成作為陣列信號處理的標志之一，在過去的幾十年已經得到了深 入的研究，廣泛應用于雷達、無線通訊、聲納、地震勘探和醫(yī)學成像等多個領域。隨著在工 程實踐中的應用，由于陣列天線不可避免的存在各種誤差，如陣元位置擾動誤差、互耦、陣 元響應誤差、訓練樣本受污染以及訓練樣本數過少等，都會造成期望信號的導向矢量的 估計值與實際值失配，對自適應波束形成性能造成不同程度的影響，使得對自適應波束 形成的穩(wěn)健性的要求也越來越高。因此，對于穩(wěn)健的自適應波束形成（robust adaptive beamforming，RAB)方法的研究顯得日益重要。
[0003] 陣列天線通常采用沿航跡向的均勻線陣，對接收數據沿時間維進行采樣得到樣本 數據，利用得到的樣本數據估計干擾加噪聲的協方差矩陣，然后利用協方差矩陣的估計值 計算期望信號的導向矢量以及輸出的信干噪比（SINR)，其中估計精度和性能損失主要受 樣本數的影響。目前對于小樣本數以及訓練樣本數據中包含期望信號的情況下，能夠有效 的估計期望信號的導向矢量的穩(wěn)健自適應波束形成方法較少，并且這些穩(wěn)健波束形成方法 的輸出性能與理想情況下的輸出性能還有一定的差距。


【發(fā)明內容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于提出一種基于協方差矩陣錐化的陣列天線自適應波束形成方 法，本發(fā)明利用協方差矩陣錐化技術先對樣本數據協方差進行修正，然后估計期望信號的 導向矢量。
[0005] 為實現上述目的，本發(fā)明針對小樣本數以及訓練樣本受污染的情況下得到的樣本 數據協方差矩陣，首先利用協方差矩陣錐化技術對樣本數據的協方差矩陣進行修正，再利 用修正后的樣本數據的協方差矩陣計算期望信號的導向矢量以及輸出的信干噪比，本發(fā)明 采用如下技術方案予以實現。
[0006] -種基于協方差矩陣錐化的陣列天線自適應波束形成方法包括以下步驟：
[0007] 步驟1，利用陣列天線接收來自外部的信號，陣列天線為由M個陣元組成的均勻線 陣，陣列天線的陣元間距表示為d，d= X/2, A表示陣列天線接收信號的波長；陣列天線 在k時刻接收的信號表示為X (k)，陣列天線接收的信號包括期望信號、干擾信號和噪聲；
[0008] 步驟2,得出干擾加噪聲的協方差矩陣的估計值R ;
[0009] 步驟3,利用協方差矩陣錐化方法對干擾加噪聲的協方差矩陣的估計值ft進行改 進，得出干擾加噪聲的協方差矩陣的改進后估計值^^ =焱〇丁，其中，0表示矩陣的 Hadamard積，T是MXM維的的錐化矩陣，矩陣T的第m行第n列的元素TK(ni，n)為 ：

【權利要求】
1. 一種基于協方差矩陣錐化的陣列天線自適應波束形成方法，其特征在于，包括以下 步驟： 步驟1，利用陣列天線接收來自外部的信號，陣列天線為由M個陣元組成的均勻線陣， 陣列天線的陣元間距表示為d，d= X/2, A表示陣列天線接收信號的波長；陣列天線在k 時刻接收的信號表示為X (k)，陣列天線接收的信號包括期望信號、干擾信號和噪聲； 步驟2,得出干擾加噪聲的協方差矩陣的估計值食； 步驟3,利用協方差矩陣錐化方法對干擾加噪聲的協方差矩陣的估計值哀進行改進， 得出干擾加噪聲的協方差矩陣的改進后估計值ftp =：^〇T,其中，0表示矩陣的 Hadamard積，T是MXM維的的錐化矩陣，矩陣T的第m行第n列的元素TK(ni，n)為 ：
其中，111=1，2，...，1，11 = 1，2，...，1;八=131/2，1表示零陷在81110'的寬度，0' 的取值范圍為0°?180° ; 步驟4,用矩陣A表示一個MXM維的半正定矩陣，建立以下關于矩陣A的優(yōu)化模型：
其中，Tr(〇表示矩陣的跡，上標-1表示矩陣的逆，亡= J^d(/9)d"(/9)^，?表示設 定的只包含期望信號的入射角的角度區(qū)域，0 = 5-?，B表示任意信號的入射角的角度 區(qū)域；d(0) = [l，ej2nd/Asin0，…，ej2nd/A(M_1)sin0] H，0表示期望信號的入射角，上標H表示
步驟5,求解步驟4所述的優(yōu)化問題，得出矩陣A的最優(yōu)解A%將矩陣Y按如下公式進 行分解，A# = Y*YH，其中，Y表示MXr維的列滿秩矩陣； 得出陣列天線接收的期望信號的導向矢量的估計值這，如果r = 1，這=Y ;如果r>l，
卜I I的含義為模值； 步驟6,根據步驟5得出的陣列天線接收的期望信號的導向矢量的估計值&，進行陣列 天線自適應波束形成。
2. 如權利要求1所述的一種基于協方差矩陣錐化的陣列天線自適應波束形成方法，其 特征在于，在步驟1中，陣列天線在k時刻接收的信號x(k)表示為： x (k) =s (k) +i (k) +n (k) 其中，k = 1，2,. . .，K，K表示陣列天線接收的信號的巾貞數，s (k)表示陣列天線在k時 刻接收的期望信號，i(k)表示陣列天線在k時刻接收的干擾信號，n(k)表示陣列天線在k 時刻接收的噪聲； 陣列天線在k時刻接收的期望信號s (k)表示為： s (k) =s (k) a, 其中，s (k)表示陣列天線在k時刻接收的期望信號的幅度數據，a表示陣列天線接收的 期望信號的導向矢量， -「1 j2 n d/入 sin 0 --? j2 n d/入（M-1) sin 0 H a L丄，e ，?"，e 」 其中，d為陣列天線的陣元間距，上標H表示矩陣的共軛轉置，M為陣列天線的陣元數。
3. 如權利要求1所述的一種基于協方差矩陣錐化的陣列天線自適應波束形成方法，其 特征在于，在步驟2中，所述干擾加噪聲的協方差矩陣的估計值R為：
其中，K表示陣列天線接收的信號的幀數，x(i)表示陣列天線在i時刻接收的信號，i =1，2,. . .，K,上標H表示矩陣的共軛轉置。
4. 如權利要求1所述的一種基于協方差矩陣錐化的陣列天線自適應波束形成方法，其 特征在于，在步驟5中，如果r>l，則V與矩陣D的所有特征向量的和成正比，矩陣D為：
【文檔編號】G01S7/02GK104360316SQ201410620657
【公開日】2015年2月18日 申請日期:2014年11月6日 優(yōu)先權日:2014年11月6日
【發(fā)明者】朱圣棋, 霍恩來, 胡海洋, 高永嬋, 楊東, 廖桂生, 陶海紅 申請人:西安電子科技大學