基于協(xié)方差矩陣歸一化的子陣級(jí)正交投影波束形成方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及陣列信號(hào)處理技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于協(xié)方差矩陣歸一化的子陣 級(jí)正交投影波束形成方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 陣列信號(hào)處理是信號(hào)處理領(lǐng)域的一個(gè)重要分支，它在雷達(dá)、聲納、通信、導(dǎo)航、地震 監(jiān)測(cè)、語(yǔ)音信號(hào)處理以及生物醫(yī)學(xué)工程等得到了廣泛的應(yīng)用。自適應(yīng)波束形成是陣列信號(hào) 處理中的一項(xiàng)重要研宄內(nèi)容，其實(shí)質(zhì)就是通過(guò)對(duì)各陣元自適應(yīng)加權(quán)，進(jìn)行空域?yàn)V波，從而達(dá) 到增強(qiáng)期望信號(hào)、抑制干擾信號(hào)和減弱噪聲信號(hào)的目的。最小方差無(wú)失真響應(yīng)（MVDR)是一 種比較常用的算法，它通過(guò)在期望信號(hào)方向約束陣列增益為1，且使陣列輸出功率最小，從 而達(dá)到抑制干擾的目的。協(xié)方差矩陣求逆（SMI)算法是實(shí)現(xiàn)MVDR算法的一種常用的方法， 但在較低快拍時(shí)，此算法的輸出SINR(信干噪比）和自適應(yīng)方向圖的收斂速度較慢。
[0003] 在實(shí)際應(yīng)用中，綜合考慮硬件條件和環(huán)境因素，計(jì)算自適應(yīng)權(quán)值采用的采樣快拍 數(shù)較少。為了在低快拍情況下，解決SMI算法帶來(lái)的問(wèn)題，正交投影（0P)算法得到了廣泛的 應(yīng)用，其實(shí)質(zhì)是將靜態(tài)權(quán)矢量投影到干擾子空間的正交補(bǔ)空間（即噪聲子空間）上，進(jìn)而得 到自適應(yīng)權(quán)矢量。此算法中，小特征值對(duì)應(yīng)的特征向量并沒(méi)有參與自適應(yīng)權(quán)矢量的計(jì)算，所 以在低快拍條件下，此算法可使輸出SINR和自適應(yīng)方向圖快速收斂到最優(yōu)值。但是當(dāng)0P算 法應(yīng)用到子陣級(jí)時(shí)，子陣的不均勻劃分會(huì)造成各子陣噪聲輸出功率不相等，進(jìn)而會(huì)影響MDL 準(zhǔn)則估計(jì)的準(zhǔn)確性，從而導(dǎo)致估計(jì)的干擾子空間不準(zhǔn)確，造成自適應(yīng)方向圖主瓣變形且旁 瓣升高，輸出SINR嚴(yán)重下降。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 有鑒于此，本發(fā)明提供了一種基于協(xié)方差矩陣歸一化的子陣級(jí)正交投影波束形成 方法，能夠有效地抑制干擾，并能使自適應(yīng)方向圖的主瓣保形和旁瓣降低，且能獲得較高的 輸出SINR和較快的收斂速度。
[0005] 本發(fā)明的基于協(xié)方差矩陣歸一化的子陣級(jí)正交投影波束形成方法，包括如下步 驟：
[0006] 步驟1，對(duì)子陣級(jí)接收信號(hào)進(jìn)行歸一化處理，計(jì)算歸一化后的干擾加噪聲協(xié)方差矩 陣
，其中，Rin_sub為子陣級(jí)的協(xié)方差矩陣；T ^為歸一化矩 陣
；其中，L為子陣個(gè)數(shù)，
Wi為第i個(gè)陣元的加權(quán)系數(shù)，U = &+&+…--Jh+LQ=隊(duì)+&+…-… -?^，隊(duì)為第i (0彡i彡L-1)個(gè)子陣包含的陣元數(shù)，J i為第i (0彡i彡L-2)個(gè)子陣的和第 i+1個(gè)子陣的重疊陣元數(shù)；（?）H表示復(fù)共軛轉(zhuǎn)置；
[0007]步驟2,利用MDL準(zhǔn)則估計(jì)干擾子空間：
[0008] 步驟2. 1，對(duì)歸一化后的干擾加噪聲協(xié)方差矩陣1?__進(jìn)行特征值分解，獲得特征 值及其對(duì)應(yīng)的特征向量，并將特征值進(jìn)行由大到小的排列；
[0009] 步驟2.2,利用MDL準(zhǔn)則估計(jì)出干擾信號(hào)源的個(gè)數(shù)為P，則步驟2. 1中特征矢量的 前P個(gè)列向量組成干擾子空間；
[0010] 步驟3,利用步驟2估計(jì)出的干擾子空間，采用正交投影自適應(yīng)波束形成方法，求 解出自適應(yīng)權(quán)矢量；
[0011] 步驟4,利用步驟3獲得的自適應(yīng)權(quán)矢量，對(duì)接收的回波數(shù)據(jù)進(jìn)行加權(quán)處理，獲得 自適應(yīng)波束。
[0012] 有益效果：
[0013] 本發(fā)明解決了在子陣劃分不均勻且較低采樣快拍的情況下，傳統(tǒng)的子陣級(jí)正交投 影算法估計(jì)的干擾子空間不準(zhǔn)確，造成干擾不能被有效抑制，以及自適應(yīng)方向圖的主瓣變 形、旁瓣升高的問(wèn)題，能夠有效地完成子陣級(jí)自適應(yīng)波束形成，在干擾方向自適應(yīng)的形成零 陷，且在有效抑制干擾的同時(shí)使得自適應(yīng)方向圖的主瓣保形和旁瓣降低，本發(fā)明在自適應(yīng) 波束形成處理之后有較高的輸出信干噪比，且輸出信干噪比有較快的收斂速度。
【附圖說(shuō)明】
[0014] 圖1為本發(fā)明流程圖。
[0015] 圖2為本發(fā)明方法和改進(jìn)前方法自適應(yīng)方向圖對(duì)比圖（快拍數(shù)為2倍子陣個(gè)數(shù) 時(shí)）。
[0016] 圖3為本發(fā)明方法和改進(jìn)前方法自適應(yīng)方向圖對(duì)比圖（快拍數(shù)為10倍子陣個(gè)數(shù) 時(shí)）。
[0017] 圖4為本發(fā)明方法與改進(jìn)前方法輸出SINR隨快拍數(shù)變化曲線(xiàn)對(duì)比圖。
[0018] 圖5為本發(fā)明方法與改進(jìn)前方法輸出SINR隨波束指向變化曲線(xiàn)對(duì)比圖。
【具體實(shí)施方式】
[0019] 下面結(jié)合附圖并舉實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述。
[0020] 本發(fā)明提供了一種基于協(xié)方差矩陣歸一化的子陣級(jí)正交投影波束形成方法，首 先對(duì)子陣級(jí)接收信號(hào)進(jìn)行歸一化處理，并計(jì)算出相應(yīng)的歸一化采樣協(xié)方差矩陣；然后利用MDL準(zhǔn)則估計(jì)出干擾信號(hào)源個(gè)數(shù)，進(jìn)而得到干擾子空間；最后將靜態(tài)權(quán)矢量投影到干擾子 空間的正交補(bǔ)空間而得到自適應(yīng)權(quán)矢量。在子陣劃分不均勻且較低采樣快拍的情況下，本 發(fā)明能夠有效地抑制干擾，并能使自適應(yīng)方向圖的主瓣保形和旁瓣降低，且能獲得較高的 輸出SINR和較快的收斂速度。本發(fā)明的流程如圖1所示，具體步驟如下：
[0021] 步驟一、構(gòu)造歸一化的子陣級(jí)協(xié)方差矩陣
[0022] ①信號(hào)模型的建立
[0023] 假設(shè)一個(gè)窄帶線(xiàn)陣，共N個(gè)陣元，陣元為各向同性，P個(gè)干擾信號(hào)，干擾信號(hào)均為遠(yuǎn) 場(chǎng)窄帶信號(hào)，假設(shè)各陣元噪聲是相互獨(dú)立、功率相等的空時(shí)白噪聲并且干擾信號(hào)和噪聲互 不相關(guān)。則陣列接收到的信號(hào)模型可表示為
[0024] Xin(t) =AS(t)+N(t) (1)
[0025] 式中，A = [a( 9 a( 9 2)，…a( 9 P)]為陣列流型矩陣，a( 0 D (i = 1，2,…P)為 干擾信號(hào)的導(dǎo)向矢量，設(shè)第n個(gè)陣元與參考點(diǎn)的間距為dn(n = 0, 1，2,…，N-l)，通常以第0 個(gè)陣元為參考點(diǎn)，此時(shí)dQ=o,人為波長(zhǎng)，則a(w=[1，/# sin(V#sin\.../f'ViSinY, 0力 =1，2,…P)為干擾信號(hào)的入射角度，[*]T為矩陣轉(zhuǎn)置，S(t) = [SjthSdth-Spa)]1， Sjt) (i = 1，2，...P)為第i個(gè)干擾信號(hào)的復(fù)包絡(luò)，N(t) = 為背景 白噪聲。
[0026] 從而得到陣列協(xié)方差矩陣為
[0027] Rin= E{X in(t)XinH(t)} (2)
[0028] 式中，E{ ? }表示數(shù)學(xué)期望，（?）H表示復(fù)共軛轉(zhuǎn)置。
[0029] 實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)最大似然估計(jì)準(zhǔn)則，由有限快拍數(shù)據(jù)Xin(ti)來(lái)估計(jì)陣列協(xié)方差 矩陣，得
[0031] 式中，Xin(ti)為i(i = 1，2, ...，K)時(shí)亥IJ陣列的采樣值，K為采樣快拍數(shù)。
[0032] 在子陣級(jí)處理時(shí)，將陣列劃分為L(zhǎng)個(gè)子陣，且（L彡P(guān)+1)，可以是非重疊子陣或重疊 子陣，子陣轉(zhuǎn)換矩陣可表示為
[0033] T = <i> 0WT0 (4)
[0034] 其中
表示移相器的作用，設(shè)波束指向與期望信號(hào)方向相同；1 =虹&8〇〇11=(|，1，...| 1，其中\(zhòng)為第 n個(gè)陣元的加權(quán)系數(shù)，用于抑制方向圖的旁瓣電平；I；為NXL的子陣形成矩陣，在其第1(1 =0, 1，…，L-1)