一種線性約束虛擬天線波束形成方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于自適應(yīng)陣列天線的控制領(lǐng)域，尤其涉及抗干擾能力強的一種線性約束 虛擬天線波束形成方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著電子信息技術(shù)的發(fā)展，電磁環(huán)境越來越復(fù)雜，電磁干擾越來越多，也越來越嚴 重，尤其是在某些電子戰(zhàn)的場合，需要抑制的干擾數(shù)量很多，這就需要增加天線單元的數(shù) 量，但在很多應(yīng)用環(huán)境中，受實際因素限制，天線陣列尺寸不可能做的很大。因此，人們希望 可以減少有限空間內(nèi)的天線數(shù)量、降低天線陣列的基陣尺寸的同時，又能抗數(shù)目眾多的干 擾。虛擬陣列天線技術(shù)就是在這種情況下產(chǎn)生的，F(xiàn)riedlander提出的虛擬陣列變換技術(shù) 主要研究如何增加陣列天線的自由度，以便抑制數(shù)目眾多的干擾，或者用更少的天線單元 來處理相同數(shù)目的干擾。
[0003] 內(nèi)插變換虛擬天線技術(shù)通過在感興趣的區(qū)域插值實現(xiàn)實際陣列與虛擬陣列之間 的變換，目前的研究主要集中在虛擬陣列在波達方向（D0A)估計方面，在自適應(yīng)波束形成 中的應(yīng)用研究相對較少。蘇保偉在文獻（SuBaowei.Robustadaptivebeamformingvia arraytransformation[C]. 2005IEEEAP-SInternationalSymposiumonAntennasand Propagation.Washington,DC,USA,July2005, 1B:331_334)中分析了內(nèi)插變換區(qū)域的選 取對虛擬陣列波束形成性能的影響，研究表明若變換區(qū)域選擇過大，會造成波束形成性能 急劇下降。有時雖然能形成零點，但同時會引起主瓣漂移和旁瓣變形。張學敬等人在文獻 (張學敬，楊志偉，廖桂生.半球共形陣列的兩種虛擬變換方式性能對比[J].西安電子科 技大學學報，2014,41 (3) : 33-40)中比較了將半球形陣列分別內(nèi)插變換為虛擬均勻平面陣 列和虛擬十字陣列后波束形成的性能。但以上文獻均沒有給出提高虛擬陣列波束形成抗 干擾性會泛的方法。文南犬（WenxingLi,YipengLi,ffenhuaYu.Onadaptivebeamforming forcoherentinterferencesuppressionviavirtualantennaarray[J].Progressin ElectromagneticsResearch-PIER，2012,125:165-184)中研究了利用干擾子空間投影的 方法來提高虛擬陣列抑制相干干擾的性能，但該方法需要準確知道每個干擾的來波方向， 這在實際應(yīng)用中很難做到。
[0004] 常規(guī)虛擬陣列波束雖然可以增加陣列自由度，但由于存在變換誤差，所形成的波 束，零陷深度較淺，輸出信干噪比（SINR)較低，尤其在抑制超實際陣列自由度干擾時，副瓣 電平升高，甚至出現(xiàn)零陷偏移，陣列輸出性能不能滿足系統(tǒng)需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是提供一種能夠提高虛擬天線波束形成抗干擾性能的，線性約束虛 擬天線波束形成方法。
[0006] -種線性約束虛擬天線波束形成方法，包括以下幾個步驟：
[0007] 步驟一：對到達陣列天線的M個干擾的方位進行預(yù)估計；
[0008] 步驟二：根據(jù)上步與估計結(jié)果確定內(nèi)插變換區(qū)域?，
[0009] 在變換區(qū)域內(nèi)均勻劃分出L個插值點，確定實際陣列和虛擬陣列在各個插 值點的導(dǎo)向矢量，并得到實際陣列流形矩陣A和虛擬陣列流形矩陣4,得到變換矩陣
[0010] 步驟三：利用變換矩陣B，將實際陣列的協(xié)方差矩陣變換為虛擬陣列的協(xié)方差矩 昨：ft= 〃，再對矩陣哀進行空間平滑處理，得到一個新的虛擬陣列的協(xié)方差矩陣f:
[0011] 其中：
[0012] B:表示實際陣列與虛擬陣列的變換矩陣；
[0013] 食:表示實際陣列的協(xié)方差矩陣；
[0014] R:表示虛擬陣列的協(xié)方差矩陣；
[0015] J:表示一個轉(zhuǎn)換矩陣：
[0016] 步驟四：在內(nèi)插變換區(qū)域內(nèi)?，構(gòu)建虛擬陣列的導(dǎo)向矢量相關(guān)矩陣Q，
對Q進行特征分解，得到：
?變換 區(qū)域內(nèi)有M個干擾，提取Q中M個大特征值對應(yīng)的特征向量$4, ％/???' ，構(gòu)造矩陣 步驟五：虛擬陣列的期望信號導(dǎo)向矢量為，得到基于線性約束 的虛擬陣列波束形成準則為：
[0017]
[0018] 其中：U=網(wǎng)竓),V] ,f= [1，0, ???，0]'f是一個（M+1)XI維的矩陣，
[0019] :表示虛擬陣列的陣元個數(shù)；
[0020] :表示對Q進行特征分解所得到的第k個特征值；
[0021] % :表示對Q進行特征分解所得到的第k個特征值所對應(yīng)的特征向量；
[0022] w:表不最優(yōu)加權(quán)矢量；
[0023] 步驟六：利用Lagrange乘積法，求得最優(yōu)加權(quán)矢量W=食-進行 波束形成，得到虛擬陣列輸出數(shù)據(jù)。
[0024] 本發(fā)明一種線性約束虛擬天線波束形成方法，還可以包括
[0025] 1、本方法不但適用于單用戶虛擬天線波束形成，也適用于多用戶虛擬天線波束形 成。
[0026] 2、本方法不但適用于單波束虛擬天線波束形成，也適用于多波束虛擬天線波束形 成。
[0027] 有益效果：
[0028] 針對實際陣列天線應(yīng)用中，當干擾數(shù)量較多，超出實際陣列自由度時，實際陣列無 法抑制超自由度干擾的情況，本發(fā)明通過虛擬變換，增加陣列天線的自由度，可以較好的抑 制超自由度干擾；而且在干擾數(shù)量一定時，同現(xiàn)有智能天線或自適應(yīng)天線相比，需要更少的 實際陣元數(shù)，并通過自適應(yīng)波束形成，可以使主瓣對準期望信號方向，在空間的干擾方向自 適應(yīng)的形成零陷，有效的抑制干擾和噪聲，對提高自適應(yīng)陣列天線的輸出性能和改善擁擠 平臺整體的電磁兼容性有著重要意義。
[0029] 針對普通虛擬變換所形成的波束圖中零陷較淺，輸出SINR較低的問題，本發(fā)明利 用空間平滑技術(shù)對虛擬陣列協(xié)方差矩陣進行前后向平滑處理，再構(gòu)造內(nèi)插變換區(qū)域?qū)蚴?量的相關(guān)矩陣，提取相關(guān)矩陣中較大特征值對應(yīng)的特征向量，并對該特征向量施加線性置 零約束，能夠極大加深波束的零陷深度，降低副瓣電平，提高輸出SINR，提高了虛擬陣列波 束形成抗干擾的性能。
[0030] 針對這一問題，提出線性約束的虛擬陣列波束形成方法，該方法利用空間平滑技 術(shù)對虛擬陣列協(xié)方差矩陣進行前后向平滑處理，再構(gòu)造內(nèi)插變換區(qū)域?qū)蚴噶康南嚓P(guān)矩 陣，提取相關(guān)矩陣中較大特征值對應(yīng)的特征向量，對該特征向量施加線性置零約束。該方法 同常規(guī)內(nèi)插虛擬陣列波束形成方法相比，不需要增加任何先驗信息。仿真實驗表明，該方法 能夠極大加深虛擬陣列所形成波束的零陷深度，降低副瓣電平，提高輸出SINR。在干擾來波 個數(shù)超出陣列自由度時，也能夠準確的在干擾位置形成深零陷，有效抑制超陣列自由度干 擾，提高了虛擬天線陣列的穩(wěn)健性。
【附圖說明】
[0031] 圖1是本發(fā)明的實現(xiàn)步驟示意圖；
[0032] 圖2為自適應(yīng)波束形成圖；
[0033] 圖3為陣列輸出信干噪比圖；
[0034] 圖4為自適應(yīng)波束形成圖；
[0035] 圖5為陣列輸出信干噪比圖。
【具體實施方式】
[0036] 下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步詳細說明。
[0037] -種線性約束虛擬天線波束形成方法，包括如下步驟：
[0038] (1)對到達陣列天線的M個干擾的大致方位進行預(yù)估計；
[0039] (2)確定內(nèi)插變換區(qū)域?，根據(jù)實際陣列與虛擬陣列的流形關(guān)系，進行內(nèi)插變換， 得到變換矩陣：在變換區(qū)域內(nèi)均勻劃分出L個插值點，確定實際陣列和虛擬陣列在各個插 值點的導(dǎo)向矢量，并得到實際和虛擬陣列流形矩陣A和5 ,由公式得到變換 矩陣B;
[0040] (3)利用變換矩陣B，將實際陣列的協(xié)方差矩陣變換為虛擬陣列的協(xié)方差矩陣： R=B&B" ,#對矩陣S進行空間平滑處理，得到一個新的虛擬陣列的協(xié)方差矩陣|
[0041]其中：
[0042] ? :表示進行內(nèi)插變換的空間角度區(qū)域，即干擾信號的來波方向；
[0043] A:表示變換區(qū)域內(nèi)實際陣列天線的流形矩陣；
[0044] 1:表示變換區(qū)域內(nèi)虛擬陣列天線的流形矩陣；
[0045] B:表示實際天線陣列與虛擬天線陣列的變換矩陣；
[0046] R:表示實際陣列的協(xié)方差矩陣；
[0047] 1:表示虛擬陣列的協(xié)方差矩陣；
[0048] J:表示一個轉(zhuǎn)換矩陣，
[0049] (4)在內(nèi)插變換區(qū)域內(nèi)?，構(gòu)建虛擬天線陣列的導(dǎo)向矢量相關(guān)矩陣Q，
對Q進行特征分解，得到：
，若變 換區(qū)域內(nèi)有M個干擾，提取Q中M個大特征值對應(yīng)的特征向量％，％2,…，％M ;構(gòu)造矩陣
[0050](5)設(shè)虛擬陣列的期望信號導(dǎo)向矢量為蚵％)，得到基于線性約束的虛擬陣列波束 形成準則為：
[0051]
[0052]其中：U=[S(%)，:V]，f=[1，0,…，0]H，f是一個（M+l)X1維的矩陣。
[0053] #:表示虛擬天線陣列的陣元個數(shù)；
[0054] :表示對Q進行特征分解所得到的第k個特征值；
[0055] 巧:：表示對Q進行特征分解所得到的第k個特征值所對應(yīng)的特征向量；
[0056]w:表不最優(yōu)加權(quán)矢量；
[0057](6)利用Lagrange乘積法，求得最優(yōu)加權(quán)矢量W= ：!-咕^!〃：！-iuj/f，進行波束 形成，得到虛擬陣列輸出數(shù)據(jù)。
[0058] 參照圖1，本發(fā)明的具體實施步驟如下：
[0059] 步驟1 :首先對感興趣的觀察區(qū)域進行劃分，假設(shè)干擾落在區(qū)域?內(nèi)，將區(qū)域? 均勻劃分為：
[0060] 0 = [ 0 1; 01+A0, 0J+2A0,-, 0r-A0, 0r] (1)
[0061] 其中，0 :，吣為0的左右邊界，A0為插值步長。
[0062] 在此區(qū)域內(nèi)，實際陣列天線的流形矩陣為：
[0063]A= [aPlaPi+AehappA0)，…，a(0r-A0)，a(0r)] (2)
[0064] 其中，a( 0J為實際陣列天線在0 :方向的導(dǎo)向矢量。
[0065] 設(shè)同一區(qū)域內(nèi)虛擬陣列天線的陣列流形矩陣為1,，則有：
[0066]
C3)
[0067] 其中，a(6〇為虛擬陣列天線在0i方向的導(dǎo)向矢量。
[0068]