[發明專利]一種基于協方差矩陣重構和導向矢量估計的穩健波束形成方法

有效

• 申請號: 201710532149.8
• 申請日: 2017-07-03
• 公開（公告）號: CN107167778B
• 公開（公告）日: 2020-11-17
• 發明（設計）人: 鄭植;鄭彥;孫潔;吳玉婕
• 申請（專利權）人: 電子科技大學
• 主分類號: G01S7/36
• 分類號: G01S7/36
• 代理公司: 電子科技大學專利中心 51203
• 代理人: 周劉英

本發明公開了一種基于協方差矩陣重構和導向矢量估計的穩健波束形成方法。首先對天線接收數據的協方差矩陣進行特征值分解得到噪聲子空間，使用多重信號分類算法估計出干擾信號的到達角及計算導向矢量，再對其使用魯棒Capon波束形成算法進行校正，根據導向矢量的正交性求解出干擾信號的功率，構造出干擾加噪聲協方差矩陣；通過找到與期望信號導向矢量正交的子空間來構造求解期望信號導向矢量的約束條件，根據最大輸出功率解出精確的期望信號導向矢量。本發明對于陣列位置誤差、非互關聯本地散射以及總的幅相誤差所引起的導向矢量誤差和干擾加噪聲協方差矩陣誤差具有很好的穩健性，與現有方式相比，具有更高的輸出信干噪比，有著更好的輸出性能。

技術領域

本發明屬于陣列信號處理領域，主要涉及一種幅相誤差場景下干擾加噪聲協方差矩陣重構和導向矢量估計的穩健波束形成方法。

背景技術

自適應波束形成技術可以使得陣列輸出中目標信號方向盡可能被有效接收和增強，而其他方向上的干擾和噪聲被有效抑制，從而提高陣列的信干噪比。近年來已被廣泛應用于雷達、射電天文學、聲納、醫學成像、麥克風語音陣列處理、地震勘測、認知無線電及無線通信等多個領域。當實際工作環境與理想假設模型存在一定偏差時，比如陣列校準誤差、非互關聯本地散射，以及總體的幅相誤差等，自適應波束形成器將會把期望信號誤認為干擾而加以抑制，產生信號“相消”現象，從而導致波束形成器的性能急劇下降。

針對各種誤差所引起的波束形成器性能下降的問題，近年來出現了很多穩健波束形成算法。如文獻《Du L,Li J,Stoica P.Fully Automatic Computation of DiagonalLoading Levels for Robust Adaptive Beamforming[C]//IEEE InternationalConference on Acoustics,Speech and Signal Processing.IEEE Xplore,2010:2325-2328.》提出了一種對角加載的方法，其通過放縮估計的方式來自動計算對角加載因子，雖然該方法很大程度上提高了波束形成的性能，且在低采樣次數下也可以獲得良好的性能，但是該算法所計算出來的對角加載因子并不是最優的，無法獲得較好的性能。而文獻《NaiS E,Ser W,Yu Z L,et al.Iterative Robust Minimum Variance Beamforming[J].IEEETransactions on Signal Processing,2011,59(4):1601-1611.》提出了一種迭代穩健最小方差波束形成算法，其給假設的導向矢量設置了一個比較小的不確定橢圓集，每次在這個小范圍內尋找最優的導向矢量，將找到的作為假設的導向矢量；然后通過在確定的范圍內多次迭代去尋找到的真實的期望信號導向矢量，該算法本質上屬于對角加載算法，可以通過多次迭代來算出最優加載因子；但是該算法復雜度比較高，計算工作量較大。文獻《JiaW,Jin W,Zhou S,et al.Robust adaptive beamforming based on a new steeringvector estimation algorithm[J].Signal Processing,2013,93(9):2539-2542.》公開了一種基于特征子空間估計的算法，其利用期望信號導向矢量投影在信號子空間的部分大于其他導向矢量投影的部分這一關系來構造凸優化不等式解出真實的期望信號導向矢量，該算法可以有效的對抗各種各樣的誤差因素，可以得到較為準確的期望信號的導向矢量。

然而，以上的這些算法只是對導向矢量進行了校正，所使用的協方差矩陣都是接收數據的協方差矩陣，與理論上所需要的干擾加噪聲協方差矩陣相差甚遠；在高信噪比條件下會有明顯的性能衰減。