[發明專利]脈沖和高斯噪聲下穩健的自適應波束形成算法

有效

• 申請號: 201810112239.6
• 申請日: 2018-02-05
• 公開（公告）號: CN108416105B
• 公開（公告）日: 2019-10-29
• 發明（設計）人: 邱天爽;金芳曉;李景春;李蓉;唱亮
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50;H04B7/06;H04B7/08
• 代理公司: 大連理工大學專利中心 21200
• 代理人: 李曉亮;潘迅

本發明屬于陣列天線技術領域，提供一種脈沖和高斯噪聲環境下穩健的自適應波束形成算法，是在高斯和脈沖的兩種噪聲以及同頻干擾的復雜環境下，考慮循環頻率誤差的實際情況，提出一種穩健的自適應循環波束形成算法，步驟包括：在已知期待信號有估計誤差的循環誤差頻率的情況下，計算每個采樣點的輸出和參考信號；基于最大相關熵準則，估計導向矢量；利用輸出信號的相關熵的相關函數，估計期待信號精確的循環頻率，從而實現穩健的波束形成。本發明將循環相關熵理論應用到波束形成研究當中，利用最大相關熵準則構建導向向量和循環頻率的求取公式；具體算法根據實際需求提出，具有抗噪性能高，計算復雜度低，所需快拍數少，波形形成魯棒性強等特點。

技術領域

本發明屬于陣列天線技術領域，涉及到均勻線陣下循環平穩信號穩健的自適應波束形成方法，特別涉及到脈沖和高斯復雜噪聲環境下，存在循環頻率誤差條件下的循環平穩信號穩健的自適應波束形成方法。

背景技術

波束形成是陣列信號處理領域的一個重要問題，在雷達、聲吶、通信、醫學診斷、地震勘探、射電天文等多種領域均有著極其廣泛和重要的應用。傳統的自適應波束形成方法需要預先知道期望信號和干擾源的方向，且其性能受信源方向的精度影響較大。然而，在許多實際應用中，信號的真實波達方向很難得到精確估計，例如移動通信和天線陣列無法進行準確校準，在此情況下即使期望信號或陣列流形的方向角存在很小的誤差，也會導致估計性能下降。而且，傳統算法多假設背景噪聲服從高斯分布。但是受到自然環境或人工環境的影響，噪聲可能呈現脈沖特性，此時利用Alpha穩定分布對噪聲進行描述更加合適。由于Alpha穩定分布不存在有限二階矩，傳統算法性能嚴重退化甚至失效。

同時，在信號的波束形成問題的研究中，以往大多數算法僅利用陣列接收信號的空間特性，很少考慮到信號的時域統計特性。在無線通信領域存在一類常見的非平穩信號——循環平穩信號，研究表明，利用這類信號在時域特有的循環平穩特性能提高信號波達方向的估計性能。為此，涌現出大量循環自適應波束形成的相關算法。然而，大多數算法都需要準確獲得循環平穩信號的循環頻率，當存在循環頻率誤差時，算法的估計性能會明顯下降，也就是說算法對循環周期誤差缺乏魯棒性。為此，本發明提出一種適用于高斯和脈沖兩種噪聲環境下的循環自適應波束形成算法，該算法可以在存在循環頻率估計誤差，且在不知期望信號以及到達角等先驗信息的情況下，得到穩健的自適應波束形成。

發明內容

針對現有循環波束形成技術中脈沖噪聲、循環頻率誤差以及同頻干擾等因素對波束形成性能的影響，本發明提出脈沖和高斯噪聲下穩健的自適應波束形成算法。該算法利用期望信號在特定循環頻率下的相關熵的循環相關函數，較好的抑制了在此循環頻率下不具有循環特性的干擾信號以及噪聲。基于此特性，本發明將最大相關熵準則作為代價函數，計算循環自適應陣列波束形成的導向權矢量。進一步，利用在無循環頻率誤差情況下輸出信號的相關熵的相關函數為最大值的性質，推導出循環頻率的迭代公式，進而得到精確的循環頻率估計值。

綜上，本發明的核心是利用最大相關熵準則和相關熵的相關函數分別構建導向矢量以及循環頻率的迭代公式，從而實現在存在循環頻率誤差的情況下的穩健的波束形成。要完成這一核心目標，需要解決問題如下：

(1)脈沖噪聲和同頻干擾存在的復雜通訊環境下，穩健的自適應循環波束形成；

(2)存在循環頻率誤差下的穩健的自適應循環波束形成算法研究；

(3)降低計算復雜度，提高算法的實時性。

為了達到上述目的，解決上述問題，本發明的技術方案為：

一種脈沖和高斯噪聲下穩健的自適應波束形成算法，其算法總流程圖見圖1，具體包括如下步驟：

第一步，在已知具有估計誤差的循環頻率的情況下，計算每個采樣點的輸出信號和參考信號。

第二步，基于最大相關熵準則，估計導向矢量。