[發明專利]互耦條件下穩健自適應波束形成方法

有效

• 申請號: 201710017183.1
• 申請日: 2017-01-10
• 公開（公告）號: CN106877918B
• 公開（公告）日: 2020-06-16
• 發明（設計）人: 謝菊蘭;楊雪;干鵬;羅紫惠;李會勇
• 申請（專利權）人: 電子科技大學
• 主分類號: H04B7/08
• 分類號: H04B7/08
• 代理公司: 電子科技大學專利中心 51203
• 代理人: 周劉英

本發明針對現有穩健波束形成方法中，因互耦條件下的導向矢量失配而直接或間接地導致波束形成算法性能下降的技術問題，公開了一種互耦條件下穩健自適應波束形成方法。本發明不用已知互耦信息，只是基于陣列互耦結構的特殊性就可以重構干擾加噪聲協方差矩陣和期望信號協方差矩陣，并且通過對重構的協方差矩陣采用最大化信噪比準則來求得最終權向量而不需要對期望信號導向矢量進行估計。在期望信號功率較強或較弱時都保持非常好的性能，且可以快速的收斂。

技術領域

本發明涉及自適應陣列信號處理領域的波束形成技術，具體是涉及在未知互耦信息時的一種均勻線陣存在互耦時的穩健波束形成方法。

背景技術

現有的絕大部分穩健波束形成方法基本針對的是期望信號入射角失配這種情況，而不是導向矢量失配這種問題。這些常規的波束形成方法在對陣列導向矢量建模時，通常假設各陣元相對于其他陣元獨立工作，即在陣元間無互耦的前提下進行的。然而實際應用中，當陣元間距離較近時，陣元間的互耦效應就不可忽略。陣元互耦存在時，由于各陣元入射開路電壓的二次反射，陣元的輸出電壓變為各陣元開路電壓以相應互耦系數為權系數的線性疊加，會帶來導向矢量的誤差，從而導致大多數穩健自適應波束形成算法性能惡化。

考慮一個N維遠場窄帶信號，假設期望信號入射角度為θ₀,K個來自不同方向的獨立干擾信號，其入射角度分別為θ_k,k＝1,2,…,K。理想情況下n時刻的接收信號x(n)為：x(n)＝A(θ)s(n)+e(n),n＝1,2,…,N，其中A(θ)＝[a(θ₀),a(θ₁),…,a(θ_K)]為大小為M×(K+1)的陣列導向矢量矩陣，s(n)＝[s₀(n),s₁(n),…,s_K(n)]^T,n＝1,2,…,N為n時刻信號的復包絡；e(n),n＝0,1,2,…,N是零均值，方差為的噪聲向量。并且期望信號的導向矢量為a(θ₀)，期望信號的復包絡為s₀(n)。且假設期望信號、干擾與噪聲之間均相互獨立。

為了求得用于波束形成的權矢量，一種解決思路是最小化如下的代價函數J(w)。J(w)的具體定義為：J(w)＝E{|w^Hx(n)-s₀(n)|²}，E{·}表示求取期望值操作。而J(w)可進一步計算為：

其中R_x＝E{x(n)x^H(n)}是接收信號的協方差矩陣，為期望信號的功率。為了最小化J(w),令J(w)對w求梯度，并令梯度▽J(w)＝0，可求得最終解為：

由于相關矩陣R_x總是是非負定的，因此大于等于0。為了最小化J(w)，只有當為零，才能得到最小值。因此可以求得期望信號功率的估計為：代入可得：

在實際應用中，由于真實的協方差矩陣R_x很難得到，因此常用樣本協方差矩陣代替：對應的權矢量表示為：

上式求解的權向量即通常采用的采樣協方差矩陣求逆(SMI,StimulateCovariance Matrix Inversing)算法的解(具體見文獻:Convergence Rate in AdaptiveRader,LE Brennan,JD Mallett,IS Reed；IEEE Transon on AES,1973,Page(s):14-19)。其中有限快拍數的影響使得對的解并不是最優的。