[发明专利]半盲的最小方差无失真响应波束形成方法

说明书

所属技术领域

本发明属于接收无线传播信号的传感器阵列信号处理，涉及波束形成器接收的阵列信号处理方法，尤其涉及半盲的最小方差无失真响应波束形成方法。

背景技术

波束形成器广泛应用于无线电监测、无线通信、射电天文等领域，其涉及的阵列信号处理，特别是波束形成的方法是波束形成器的核心，而无线传播信号的精确波达方向估计则是高精度、高分辨的波束形成器的关键。

在接收无线传播信号的阵列信号处理技术广泛应用的今天，高分辨的、精确的波达方向估计在无线定位、目标跟踪、导航和无线信号接收中具有重要的应用价值。估计波达方向的常用方法包括：传统的波束形成方法、线性约束的最小方差波束形成方法、子空间方法、最大似然方法等等。最大似然方法具有最优的波达方向估计性能，但是往往涉及多维非线性优化问题的求解或多维参数搜索，需要很大的计算量，不具有实用性。当阵列的接收向量数量较少时，由于阵列接收向量的协方差矩阵的估计误差较大，线性约束的最小方差波束形成方法和子空间方法都难以得到较准确的波达方向估计。传统的波束形成方法相当于经典的空间傅里叶(Fourier)变换方法，适用于阵列的接收向量只有1个的情况，但是方向的分辨能力受到瑞利限(Rayleigh Limit)的限制，难以分辨方向靠得很近的两个信号。

传统的波束形成方法的方向分辨能力受到瑞利限限制的原因在于相邻波达方向的阵列方向向量之间存在较大的相关性，即相关系数接近1。为估计各个信号的波达方向，传统的波束形成器常采用迭代处理的方式：首先根据阵列接收向量在阵列方向向量上的投影的最大值所在的位置估计一个信号的波达方向，再根据该信号的波达方向和阵列的接收向量确定残差向量，然后用残差向量替代阵列的接收向量，最后重复上述步骤直到重复次数等于信号个数或残差向量的范数足够小。但是，由于传统的波束形成方法只利用阵列的接收向量在阵列方向向量上的投影大小来判断信号的波达方向，而接收向量在某个阵列方向向量上的投影大小不可避免地受到与其存在较大相关性的相邻波达方向上其它信号的影响，导致传统的波束形成器输出的局部最大值的个数并不等于信号个数，而且阵列接收向量在阵列方向向量上投影的最大值所在的位置也并不一定对应某个信号的波达方向。

线性约束的最小方差波束形成方法和子空间方法突破瑞利限限制的原因在于没有直接利用阵列的接收向量在阵列方向向量上的投影大小来判断信号的波达方向，而是利用阵列的接收向量在另一组向量上的投影大小来判断信号的波达方向。由于另一组向量与阵列方向向量之间的相关性在最小方差约束下得到了控制，因此抑制了相邻波达方向上其它信号对接收向量在另一组向量中每个向量上的投影大小的影响。

线性约束的最小方差波束形成器构造另一组向量的方法是求一个线性约束条件下的二次最优化问题的解，而子空间方法构造另一组向量的方法是计算正交的信号子空间或噪声子空间。由于在构造另一组向量时都利用了阵列的接收向量的协方差矩阵，因此与传统的波束形成方法使用与阵列的接收向量无关的阵列方向向量不同，线性约束的最小方差波束形成方法和子空间方法都具有自适应能力，即另一组向量自适应的随着阵列的接收向量的变化而变化。但是，当阵列的接收向量数量较少时，由于难以准确的计算阵列接收向量的协方差矩阵，线性约束的最小方差波束形成方法和子空间方法都难以得到准确的波达方向估计。因此，在阵列的接收向量数量较少的条件下构造新的另一组向量并尽可能降低与阵列方向向量之间的相关性，是在动态变化的应用场合有效提高波束形成器性能的关键。

在动态变化的应用场合，阵列的接收向量数量较少，甚至要求只利用1个阵列接收向量估计无线信号的波达方向。此时如果仍利用基于时间平均的方法计算阵列接收向量的协方差矩阵，将不可避免的出现信号模型误差，导致信号波达方向估计的分辨率和精度下降，难以满足实际应用的需要。因此，有必要发展一种适用于阵列接收向量数量较少情况下的、高精度、高分辨的波束形成方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种适用于阵列接收向量数量较少情况下的、高精度、高分辨的波束形成方法，即在阵列接收向量数量较少情况下无线传播信号波达方向的高分辨率、高精度估计方法。利用这种方法，波达方向的估计精度和分辨率大幅提高。

本发明的目的是这样达到的：