[發(fā)明專利]適用于任意陣型的穩(wěn)健寬帶導(dǎo)向最小方差波束形成方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201410246917.X
• 申請(qǐng)日: 2014-06-05
• 公開（公告）號(hào): CN104035064B
• 公開（公告）日: 2017-07-11
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 時(shí)潔;楊德森;時(shí)勝國(guó);洪連進(jìn);方爾正;莫世奇;胡博;朱中銳;李思純;張攬?jiān)?/a>;李松
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 哈爾濱工程大學(xué)
• 主分類號(hào): G01S3/80
• 分類號(hào): G01S3/80
• 代理公司: 暫無(wú)信息
• 代理人: 暫無(wú)信息

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及的是一種穩(wěn)健寬帶自適應(yīng)波束形成方法。

背景技術(shù)

在統(tǒng)計(jì)時(shí)間信號(hào)處理領(lǐng)域，使無(wú)偏估計(jì)量的方差最小的估計(jì)器稱為最小方差估計(jì)器，利用最小方差估計(jì)器進(jìn)行參數(shù)估計(jì)的方法一般稱為最小方差法(Minimum Variance Method：MVM)，也稱為標(biāo)準(zhǔn)Capon(Standard Capon Beamforming：SCB)或最小方差信號(hào)無(wú)畸變響應(yīng)法(Minimum Variance Distortionless Response：MVDR)，該方法在陣列信號(hào)處理中得到廣泛應(yīng)用，可在保持來(lái)波方向信號(hào)能量不變的前提下，使波束內(nèi)其他方向的能量最小化，具有可同時(shí)獲得較高的分辨力以及較強(qiáng)噪聲干擾抑制的能力。

寬帶陣列信號(hào)處理方法可分為相干處理和非相干處理，其中寬帶導(dǎo)向最小方差波束形成(STMV：steered minimum variance beamforming)屬于相干處理范疇，對(duì)于相干聲源具有較強(qiáng)的適應(yīng)能力，但在存在陣型失配或小快拍數(shù)的條件下不可避免出現(xiàn)明顯的性能下降(陳陽(yáng)，趙安邦等，瞬時(shí)頻率方差加權(quán)導(dǎo)向最小方差波束形成檢測(cè)器，哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，32(6)：730-735)。由于寬帶陣列信號(hào)處理是以窄帶處理方法為基礎(chǔ)的，因此可以利用現(xiàn)有的窄帶穩(wěn)健波束形成方法來(lái)提高寬帶自適應(yīng)波束形成的穩(wěn)健性。

目前，改進(jìn)自適應(yīng)波束形成穩(wěn)健性的方法很多，典型算法包括：線性約束最小方差波束形成，基于對(duì)角加載的波束形成，以及基于特征子空間的波束形成等。基于最差性能優(yōu)化的穩(wěn)健波束形成(Worst-Case Performance Optimization Robust Beamforming：WCRB)是近幾年提出的穩(wěn)健自適應(yīng)波束形成算法(Vorobyov S A，Gershman A B，Luo Z Q.Robust Adaptive Beamforming Using Worst-Case Performance Optimization：A Solution to the Signal Mismatch Problem.IEEE Transactions on Signal Processing，2003，51(2)：313-324)，但該方法對(duì)于寬帶導(dǎo)向最小方差波束形成的適應(yīng)性和穩(wěn)健性改進(jìn)能力仍未有研究結(jié)果。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種可明顯提高寬帶自適應(yīng)波束形成的穩(wěn)健性的適用于任意陣型的穩(wěn)健寬帶導(dǎo)向最小方差波束形成方法。

本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的：

(a)將任意陣型陣列的接收數(shù)據(jù)x，進(jìn)行子頻帶分解，生成寬帶頻域信號(hào)矩陣X_j(f_k)；

(b)生成各個(gè)子頻帶上聲壓互譜矩陣R(f_k)；

(c)在感興趣的空間范圍(Θ,Ψ)內(nèi)，設(shè)置合適的步長(zhǎng)，實(shí)施空間方位角和俯仰角聯(lián)合掃描，對(duì)其中任意一個(gè)掃描角度在子頻帶f_k上構(gòu)造導(dǎo)向矢量并生成相應(yīng)的導(dǎo)向聚焦變換矩陣

(d)對(duì)(b)和(c)經(jīng)導(dǎo)向聚焦變換后，得到f_k上的協(xié)方差矩陣

(e)將總共K個(gè)頻帶的進(jìn)行累加后得到寬帶聚焦協(xié)方差矩陣

(f)對(duì)進(jìn)行Cholesky分解，得到分解因子

(g)對(duì)單位矢量1_N施加最差性能優(yōu)化約束條件；

(h)將優(yōu)化問(wèn)題轉(zhuǎn)化為實(shí)值形式，進(jìn)而轉(zhuǎn)化成二階錐規(guī)劃問(wèn)題進(jìn)行求解，得到最優(yōu)權(quán)矢量

(i)將代入目標(biāo)函數(shù)中，得在優(yōu)化后的陣列平均輸出功率；

(j)重復(fù)(c)至(i)的步驟直至完成全部的空間角度掃描，繪制穩(wěn)健寬帶導(dǎo)向最小方差波束形成空間譜圖，通過(guò)空間譜的譜峰位置確定聲源來(lái)波方向。

本發(fā)明利用最差性能優(yōu)化問(wèn)題對(duì)寬帶導(dǎo)向最小方差波束形成進(jìn)行穩(wěn)健性優(yōu)化。該方法一方面可利用子頻帶的導(dǎo)向聚焦變換，對(duì)任意陣型接收到的相干聲源信號(hào)具有適用性；另一方面，利用最差性能優(yōu)化方法，對(duì)經(jīng)導(dǎo)向聚焦變換后的單位矢量施加約束優(yōu)化條件，可明顯提高寬帶自適應(yīng)波束形成的穩(wěn)健性。

本發(fā)明的有益效果是：1)不局限于一般的均勻陣列形式，對(duì)普遍的任意陣型形式均有效；2)對(duì)相干聲源信號(hào)具有適用性，且不需要任何奇異值或特征值分解，明顯降低了運(yùn)算復(fù)雜度；3)與傳統(tǒng)方法相比，利用對(duì)導(dǎo)向聚焦變換后的單位矢量實(shí)施最差性能優(yōu)化約束條件，可有效提高寬帶自適性波束形成的穩(wěn)健性，可在不損失空間分辨率的同時(shí)獲得較大的背景干擾抑制能力。

附圖說(shuō)明

圖1任意陣型陣列示意圖。