[发明专利]一种高效的宽带稳健自适应波束形成方法

说明书

技术领域

本发明涉及雷达、声纳及无线通信技术领域，具体涉及一种高效的宽带稳健自适应波束形成方法。

背景技术

数字波束形成(DBF)是利用数字信号处理技术，对由天线阵列接收到的信号进行加权，通过调整各阵元的权值从而使得信号得以有效的接收。这是由于各阵元的权值组成阵列权矢量，权矢量直接决定了自适应阵列的方向图，即决定了对有用信号的接收效果。对有用信号的有效接收包括两个方面：一是使阵列方向图主瓣(阵列天线增益最大方向)对准期望信号方向；二是使方向图的零点对准干扰信号以进行有效抑制。传统的基于窄带的波束形成算法，当用于宽带信号时，会导致波束的指向、主瓣宽度在不同频点上发生很大的变化，引起偏差。因此，在宽带信号源大量存在的情况下，如何进行宽带波束形成，已经成为无线通信中的一个研究热点。

早起出现的宽带DBF方法是基于非相干信号子空间方法(ISM)，它将宽带信号分解为若干子带，在每一个子带上直接进行窄带处理，即对每一个子带的信号相关矩阵进行窄带波束形成，对所有子带的加权值进行算术平均或几何平均，最后得出宽带信号DBF。通常这类处理算法不能得到满意的结果，主要原因在于计算量大、无法估计相干信号源。

相干信号子空间方法(Coherent Signal Subspace Method，CSM)是一种有效算法，是由Wang和Kaveh首先提出的(Wang，M Kaveh.“Coherent signal-subspace processing for the detecting and estimation of angles of arrival of multiple wideband sources，”IEEE Transactions on ASSP，vol.33，no.4，1985，pp.823-831.)。这类算法的基本思想是把频带内不重叠的频率点上信号空间聚焦到参考频点上，聚焦后得到单一频点的数据协方差矩阵，然后利用窄带技术进行DBF，这种算法可以解决相干信号源问题。在CSM算法之后，提出了许多不同约束准则下的CSM类算法，如TCT(双边相关变换)算法，SST(信号子空间变换)算法，RSS(旋转信号子空间)算法等等。以上这些算法在构造聚焦矩阵时候都需要用到特征值或奇异值分解，运算量为o(M³)，过大的运算量会导致实时处理的困难。此外，这类方法在实现波束形成的时候采用的是经典的Capton波束形成器或最小方差无失真响应(Minimum Variance Distortionless Response，MVDR)波束形成器。这类波束形成器需要预先知道期望信号的方位信息，如果对期望信号的来波方向估计不准，会导致主波束指向一个错误的方向，此时最优权值会把期望信号当做干扰来抑制，从而在真实的来波方向形成零陷，因此在信噪比较高的环境下性能较为恶劣。对角加载技术可以在一定程度上改善波束形成的性能，但是如何准确选取对角加载量仍然是一个技术难题。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供一种基于传播算子和特征空间的宽带稳健自适应波束形成方法。本发明将传播算子(PM)与宽带相干信号子空间方法相结合，推导了基于PM的宽带信号子空间方法，该方法所构造的聚焦矩阵不需要奇异值分解，在获取噪声子空间时也不需要特征值分解，运算量约为o(PM²)。可以看出PM算法的复杂度约为TCT聚焦方法的o(P/M)。因此在阵元数较多的时候，基于传播算子的方法将会大大降低运算量。最后将特征空间自适应波束形成算法思想运用于PM中，实现了宽带稳健自适应波束形成。相比传统方法，本发明对于低快拍、期望信号较强的环境下都体现较好的性能，尤其是在期望信号估计存在一定误差的条件下，改方法具有更强的稳健性。

本发明是通过以下技术方案实现的，方法步骤如下：

1)将阵列接收数据进行FFT变换，得到J个频点上的数据，进而分别得到各频点接收数据的协方差矩阵，选取中心频点f₀作为参考频点；

2)利用传播算子思想，分别将各频点的协方差矩阵R_j和中心频点的协方差矩阵R₀进行矩阵分块，得到各频点的传播算子P_j和中心频点的传播算子P₀；

3)利用P_j和P₀构造各频点的聚焦矩阵T_j，将不同频点的传播算子聚焦到同一参考频点上；

4)得到最终的传播算子估计构造Q和Q₀，即噪声子空间；