[发明专利]一种基于协方差矩阵重构的自适应波束形成方法

说明书

本发明公开了一种基于协方差矩阵重构的自适应波束形成方法，思路为：建立M个阵元的均匀直线阵列接收Q个不同方向信号的数学模型，其中包含1个待检测期望信号和Q‑1个干扰信号；进而得到样本矩阵的干扰加噪声采样协方差矩阵对进行特征值分解，分别得到进行特征值分解后由大到小排序的M个特征值，和M个特征值对应的M个特征向量，以及的噪声功率估计值；依次计算Q‑1个干扰信号入射角度估计值和Q‑1个干扰信号入射角度估计值的Q‑1个干扰信号导向矢量的估计值；进而得到不含入射方向为θ₀的待检测期望信号分量的优化干扰加噪声采样协方差矩阵；最后计算基于协方差矩阵重构的自适应处理器权矢量。

技术领域

本发明属于阵列信号处理领域，特别涉及一种基于协方差矩阵重构的自适应波束形成方法，适用于通信系统等阵列天线接收信号中含有期望信号的信号处理系统中自适应波束形成器的设计。

背景技术

阵列信号处理在通信、雷达、声纳、电子对抗、医疗成像、射电天文等领域具有广泛的应用，波束形成技术是阵列信号处理的一个重要分支。随着相控阵天线在雷达以及通信系统中的普及，波束形成技术与方法也有着飞速的发展与改进。原始的波束形成技术通过对不同的阵列传感器施加不同的馈电相位使得阵列天线接收的复信号输出相位为同一个方向，使得阵列输出增益在该方向达到最大，这也是相控阵天线的基本工作原理。

传统的波束形成方法虽然可以在需要的方向上形成高的增益，但是不具有抑制干扰信号的功能；在20世纪60年代，Capon提出的最小方差无失真响应(MVDR)波束形成器推导出通过理论上的干扰加噪声协方差矩阵计算阵列自适应权值的方法，从而在保证期望方向上的信号的增益的情况下在干扰方向上形成响应零陷，理论上可以有效抑制干扰信号；之后出现的使用接收信号采样协方差矩阵代替理论上的干扰加噪声协方差矩阵的采样矩阵求逆(SMI)波束形成器能够根据阵列天线的接收信号自适应地抑制干扰，是经典的自适应波束形成器。

当前的波束形成方法的研究主要集中于接收信号采样协方差矩阵含有期望信号分量的情况，在考虑实际工程中的阵列幅相误差、信号观测误差以及阵列校准误差时，采样协方差矩阵中的期望信号分量的存在使得求解的自适应权值会对期望信号产生相消响应，从而导致自适应波束形成器性能的显著下降；针对该问题，2003年Vorobyov提出了基于椭圆不确定集优化方程的最差性能最优化方法，在一定程度上削减了采样协方差矩阵中期望信号分量对于自适应波束形成器性能的影响，然而该方法的性能受先验参数的影响，并且在高信噪比的信号环境下性能较差。2012年，Gu等人提出了基于曲线积分的干扰加噪声协方差矩阵重构的方法，该方法虽然能够较好地消除采样协方差矩阵中的期望信号分量，但是对于干扰信号的角度估计不够准确，并且大区域的积分运算造成较大的时间计算复杂度，使得该方法在实际工程中的应用范围有限。

发明内容

针对上述现有技术存在的不足，本发明的目的在于提出一种基于协方差矩阵重构的自适应波束形成方法，该种基于协方差矩阵重构的自适应波束形成方法通过重构干扰加噪声协方差矩阵，消除用于计算自适应波束形成器权矢量的采样协方差矩阵中的期望信号分量，从而提高自适应波束形成器的性能。

本发明的主要思路为：通过接收信号的采样数据形成采样协方差矩阵，通过MUSIC空间谱估计方法估计入射干扰信号的入射方向，通过Capon空间谱估计方法估计入射干扰信号的入射功率，通过对采样协方差矩阵的特征分解估计噪声的功率，得到重构的不含期望信号分量的干扰加噪声协方差矩阵，最终用重构后的干扰加噪声协方差矩阵计算自适应波束形成器的自适应权矢量，得到的输出信号不仅能够在干扰方向形成低的响应，达到干扰抑制的目的，还能够保证期望信号方向形成高的响应，以及保证期望信号的检测效果。

为了实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案予以实现。

一种基于协方差矩阵重构的自适应波束形成方法，包括以下步骤：