基于旁瓣對(duì)消的穩(wěn)健波束形成方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于自適應(yīng)陣列信號(hào)處理領(lǐng)域的波束形成技術(shù)，具體是涉及一種基于旁瓣 對(duì)消的穩(wěn)健波束形成方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 旁瓣對(duì)消技術(shù)（sidelobe cancellation)很早就應(yīng)用到了數(shù)字波束形成領(lǐng)域。通 過自適應(yīng)地調(diào)整陣列各通道的復(fù)加權(quán)系數(shù)，不僅保證了主瓣輸出響應(yīng)，而且最大限度地抑 制了來自各旁瓣方向的非相關(guān)強(qiáng)干擾。
[0003] 與自適應(yīng)波束置零算法相比，旁瓣對(duì)消算法具有相當(dāng)大的優(yōu)勢(shì)，旁瓣對(duì)消算法是 在自適應(yīng)置零的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，并于1997年出現(xiàn)在IEEE標(biāo)準(zhǔn)中。旁瓣對(duì)消算法是在 陣列中選定一部分陣元或者在陣列的周圍添加若干個(gè)陣元作為輔助陣元，通過在數(shù)字域?qū)?輔助通道陣元接收到的信號(hào)進(jìn)行幅度和相位加權(quán)，以形成對(duì)消信號(hào)。由于旁瓣對(duì)消算法只 對(duì)輔助陣元進(jìn)行幅度和相位加權(quán)，所以當(dāng)陣列為大陣列時(shí)，它的優(yōu)勢(shì)更加明顯。
[0004] 旁瓣對(duì)消系統(tǒng)由高增益的主天線（main antenna，波束寬度較窄，通常使用具有高 方向性的天線）和低增益輔助天線（auxiliary antenna)陣列構(gòu)成。通過自適應(yīng)調(diào)整各輔 助通道的權(quán)系數(shù)，在不影響期望信號(hào)接收的情況下，盡可能的抑制從主通道旁瓣進(jìn)入的干 擾信號(hào)。其系統(tǒng)如圖1所示，陣元個(gè)數(shù)為M+N，其中M和N分別為主陣列和輔助陣列包含的 陣元個(gè)數(shù)；主陣列接收信號(hào)向量為x m(n)，wmS主通道（main channel)的權(quán)向量，一般來說 固定為期望信號(hào)導(dǎo)向矢量，主通道輸出Sym(n);輔助陣接收信號(hào)向量為\(1〇，《 3為自適應(yīng) 權(quán)向量，自適應(yīng)濾波器輸出Sya(n) ;Ba為輔助通道（auxiliary channel)阻塞矩陣，用于阻 止主瓣方向的信號(hào)進(jìn)入輔助通道；e(n)是對(duì)消后的輸出。
[0005] 設(shè)期望信號(hào)S(n)在主通道的導(dǎo)向矢量為a，各干擾信號(hào)在主通道的導(dǎo)向矢量為 ai(l = 1、2…L)，期望信號(hào)在輔助通道中的導(dǎo)向矢量為^，各干擾信號(hào)在輔助通道中的導(dǎo)向 矢量為afl(l = 1、2…L)，主通道接收到的噪聲為v(n)，輔助通道接收的噪聲信號(hào)為vf(n)。
[0006] 則主通道接收到的信號(hào)Xm(n)是：
[0008] 輔助通道接收到的信號(hào)xa(n)是：
[0010] 令主輔通道的干擾和噪聲分量分別為

，則主陣列和輔助陣列的接收信號(hào)可以分別表示為
[0011] xm (n) = as (n) +z (n) (3)
[0012] xa(n) = afs(n)+za(n) (4)
[0013] 在n時(shí)刻，xm (n)和xa (n)經(jīng)權(quán)向量^和w 3加權(quán)后的輸出為
[0016] 旁瓣對(duì)消的原理就是使輔助通道輸出ya(n)盡量只包含干擾和噪聲，然后用主通 道輸出y m(n)去減輔助通道輸出ya(n)，從而得到盡可能大的期望信號(hào)響應(yīng)輸出，達(dá)到抑制 干擾的效果。為使y a(n)中不包含期望信號(hào)s(n)的信息，以避免對(duì)主瓣的期望響應(yīng)輸出產(chǎn) 生不必要的抵消作用，接收信號(hào)需要通過輔助通道的期望信號(hào)阻塞網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計(jì)阻塞矩陣B a， 令阻塞矩陣與輔助通道的期望信號(hào)導(dǎo)向矢量正交，即：
[0017] Baaf= 0 (7)
[0018] 以線陣為例，主通道由M個(gè)陣元組成，輔助通道由N個(gè)陣元組成，陣元間距為d，期 望信號(hào)在輔助通道中的導(dǎo)向矢量為：
[0020] 一般的旁瓣對(duì)消算法中，假定期望信號(hào)來波方向9 ^是已知的，這里A是信號(hào)的 波長(zhǎng)，因此，期望信號(hào)的導(dǎo)向矢量也是已知的。根據(jù)期望信號(hào)導(dǎo)向矢量的形式，一種常用的 阻塞矩陣為：
[0022] 此時(shí)系統(tǒng)的輸出為：
[0024] 其中為主通道的期望信號(hào)輸出成分，⑷為主通道的噪聲加干擾輸 出成分，旁瓣對(duì)消算法的原理是讓輔助通道的輸出盡量接近主通道的干擾加噪聲輸出，然 后用主通道輸出與輔助通道輸出對(duì)消，從而得到盡可能大的期望信號(hào)響應(yīng)輸出，也就是讓 ⑻盡可能小，為了盡量抑制輸出e (n)中的干擾和噪聲，應(yīng)選擇^使e (n) 的平均功率最小，即最小化
[0026]令札=E (x a (n) xm(n)H)，R2= E (x a (n) xa (n)H)，R3= E (x m(n) xm (n)H)，對(duì) J (wa)關(guān)于 ?3求梯度有：
[0028]令W(w'a) = 0求得最優(yōu)加權(quán)系數(shù)wa。：
[0030] 從公式（13)可以看出，輔助通道的最優(yōu)權(quán)向量wa。與阻塞矩陣B，主通道權(quán)向量 w m(即期望信號(hào)導(dǎo)向矢量a)有關(guān)。前面我們提到，在一般的旁瓣對(duì)消算法中，假定期望信號(hào) 來波方向是已知的，而阻塞矩陣B a和期望信號(hào)導(dǎo)向矢量a都是由0 J角定的。在實(shí)際 應(yīng)用中，我們所得到的其實(shí)是不準(zhǔn)確的，那么在輔助通道最優(yōu)權(quán)值的計(jì)算中帶入由9 ^ 得到的阻塞矩陣比和期望信號(hào)導(dǎo)向矢量a就會(huì)產(chǎn)生問題。即有
[0031] Baaf乒0 (14)
[0032] 此時(shí)，干擾對(duì)消后的輸出為
[0034] 從該式可以看出，一是主通道由于加權(quán)向量沒有對(duì)準(zhǔn)期望信號(hào)的來波方向，因此 期望信號(hào)相較于沒有失配時(shí)有所下降；二是利用失配的來波方向構(gòu)造的阻塞矩陣不能將輔 助通道中期望信號(hào)完全阻塞，以致主輔通道對(duì)消后期望信號(hào)也會(huì)在一定程度上被對(duì)消。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0035]
【背景技術(shù)】中提到，在傳統(tǒng)的旁瓣對(duì)消算法中，期望信號(hào)的來波方向0 ^是假定已知 的，但是在實(shí)際應(yīng)用中這個(gè)角度其實(shí)是不準(zhǔn)確的，當(dāng)期望信號(hào)來波方向0。存在失配時(shí)，采 用常規(guī)旁瓣對(duì)消技術(shù)進(jìn)行干擾抑制會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)問題：一個(gè)是主通道由于加權(quán)向量沒有對(duì)準(zhǔn) 期望信號(hào)的來波方向使得主通道輸出中的期望信號(hào)增益相較于沒有失配時(shí)有所下降，另一 個(gè)是利用失配的來波方向構(gòu)造的阻塞矩陣不能將輔助通道中期望信號(hào)完全阻塞，以致主輔 助通道對(duì)消后期望信號(hào)也會(huì)在一定程度上被對(duì)消。這兩者共同作用的結(jié)果會(huì)使得輸出的期 望信號(hào)增益被大大的消減了。針對(duì)這一現(xiàn)象，本發(fā)明提出了一種基于旁瓣對(duì)消的穩(wěn)健波束 形成方法，利用已知期望信號(hào)來波方向所在區(qū)域來構(gòu)造阻塞矩陣，并通過重新估計(jì)期望信 號(hào)導(dǎo)向矢量來獲得更精確的主、輔助通道加權(quán)，從而使旁瓣對(duì)消的波束形成器具備針對(duì)來 波方向失配的穩(wěn)健性的方法。
[0036] 盡管已知的期望信號(hào)來波方向0。不準(zhǔn)確，但是我們卻可以準(zhǔn)確地知道 實(shí)際期望信號(hào)來波方向是存在于一個(gè)空域區(qū)間的，這個(gè)空域區(qū)間可以表示為? = [0Q-A 0，0JA 0]，這里A 0是角度的誤差量，本發(fā)明正是基于這個(gè)條件提出的。通過 旋轉(zhuǎn)子空間投影的原理，估計(jì)期望信號(hào)導(dǎo)向矢量以及構(gòu)造阻塞矩陣。
[0037] 本發(fā)明解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案包括以下步驟：
[0038] a.利用旋轉(zhuǎn)子空間的Capon波束形成算法思路：在已知的來波方向空間范圍內(nèi)積 分，針對(duì)主通道和輔助通道，分別構(gòu)造正定矩陣％和Q a，并對(duì)矩陣進(jìn)行特征分解，取主特征 值對(duì)應(yīng)的特征向量構(gòu)造矩陣^和U a;
[0039] b.利用矩陣比構(gòu)造與輔助通道中期望信號(hào)導(dǎo)向矢量a交的阻塞矩陣Ba;
[0040]c.利用新構(gòu)造的阻塞矩