[發(fā)明專(zhuān)利]一種零范數(shù)約束的自適應(yīng)稀疏陣列波束形成方法

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201810522125.9
• 申請(qǐng)日: 2018-05-28
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN109004970A
• 公開(kāi)（公告）日: 2018-12-14
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李迎松;石萬(wàn)錄;西尼吉維奇耶夫基尼;馬爾達(dá)喬夫費(fèi)拉基米爾伊萬(wàn)諾奇
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 哈爾濱工程大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): H04B7/08
• 分類(lèi)號(hào): H04B7/08
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本發(fā)明提供了一種零范數(shù)約束的自適應(yīng)稀疏陣列波束形成方法，屬于自適應(yīng)天線控制領(lǐng)域。本發(fā)明根據(jù)陣列陣元接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行來(lái)波方向估計(jì)，得到目標(biāo)的信號(hào)方位，利用干擾信號(hào)方位與期望信號(hào)方位得到導(dǎo)向矩陣，采用導(dǎo)向矩陣和零范數(shù)對(duì)加權(quán)系數(shù)向量進(jìn)行約束，導(dǎo)出目標(biāo)函數(shù)。應(yīng)用數(shù)學(xué)方法將帶有約束的最小化優(yōu)化問(wèn)題轉(zhuǎn)換為無(wú)約束下的極值問(wèn)題，得到極值問(wèn)題表達(dá)式。采用陡梯度下降方法進(jìn)行求解，得到稀疏后的加權(quán)系數(shù)向量，并利用稀疏后的加權(quán)系數(shù)向量實(shí)現(xiàn)波束形成，得到天線陣列輸出數(shù)據(jù)。本方法能夠在保證期望信號(hào)的增益、抑制干擾信號(hào)的情況下，減少波束形成所需天線陣的陣元數(shù)量，減少波束形成對(duì)能量和系統(tǒng)硬件計(jì)算能力的需求。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于自適應(yīng)天線控制領(lǐng)域，尤其涉及一種零范數(shù)約束的自適應(yīng)稀疏陣列波束形成方法。

背景技術(shù)

自適應(yīng)波束形成技術(shù)廣泛應(yīng)用于雷達(dá)、聲吶、移動(dòng)通信、地震、生物醫(yī)學(xué)工程等領(lǐng)域。其作用是在空域上加強(qiáng)來(lái)自某一方向的信號(hào)，在干擾方向形成零陷抑制干擾，提高輸出信干噪比(SINR)。傳統(tǒng)的自適應(yīng)波束形成方法依賴(lài)于天線陣列，在已知期望信號(hào)導(dǎo)向矢量的情況下，利用加權(quán)系數(shù)向量對(duì)天線陣列中每個(gè)陣元的數(shù)據(jù)進(jìn)行加權(quán)，形成期望的波束方向圖。在實(shí)際應(yīng)用中，波束性能受到系統(tǒng)硬件計(jì)算能力以及能量供應(yīng)的限制，對(duì)于冷卻設(shè)備、供電電纜等附屬設(shè)備也具有較高的要求。當(dāng)能量供應(yīng)不足或計(jì)算能力不夠時(shí)，會(huì)導(dǎo)致波束性能急劇下降。

針對(duì)波束形成技術(shù)所受到的限制，一種有效的思路是使天線陣列加權(quán)系數(shù)向量呈現(xiàn)稀疏性，減少所使用的天線陣元數(shù)量。目前有大量的基于范數(shù)約束的稀疏辨識(shí)算法，例如RZA-LMS(Y.Chen,Y.Gu,and A.O.Hero III,“Sparse LMS for system identification,”in Proc.IEEE Int.Conf.Acoust.,Speech,Signal Process.(ICASSP),Ann Arbor,MI,USA,Apr.2009,pp.3125–3128.)、基于貝葉斯稀疏化算法(H.Zayyani,M.Babaie-Zadeh,andC.Jutten,An iterative Bayesian algorithm for sparse component analysis(SCA)inpresence of noise[J].IEEE Trans.Signal Process.,vol.57,no.10,pp.4378–4390,Oct.2009.)等。這些算法利用范數(shù)約束實(shí)現(xiàn)稀疏的特點(diǎn)運(yùn)用到稀疏系統(tǒng)辨識(shí)中，根據(jù)系統(tǒng)的稀疏特性來(lái)加速算法收斂，使算法達(dá)到更高的性能。

與稀疏系統(tǒng)辨識(shí)問(wèn)題類(lèi)似，將范數(shù)約束應(yīng)用到波束形成技術(shù)上，可以使天線陣列呈現(xiàn)稀疏性。不同的是，稀疏系統(tǒng)辨識(shí)問(wèn)題是利用系統(tǒng)本身的稀疏特性同時(shí)利用范數(shù)約束促進(jìn)稀疏的特點(diǎn)來(lái)加速算法收斂，而將范數(shù)約束應(yīng)用到波束形成領(lǐng)域，是要利用范數(shù)約束促進(jìn)稀疏的特性，使波束形成濾波器的加權(quán)系數(shù)向量具有稀疏性。目前將范數(shù)約束的稀疏算法應(yīng)用在波束形成問(wèn)題上較為經(jīng)典的是一種基于l-1范數(shù)約束的自適應(yīng)波束形成算法L₁-WCNLMS。L₁-WCNLMS方法利用l-1范數(shù)對(duì)加權(quán)系數(shù)向量進(jìn)行約束，使加權(quán)系數(shù)向量中各個(gè)系數(shù)的絕對(duì)值減小，通過(guò)迭代運(yùn)算，一些系數(shù)向量逐漸減小接近于零，從而得到加權(quán)系數(shù)向量的稀疏解。該方法雖然能得到稀疏陣列，但是需要的迭代次數(shù)較多，最終得到的稀疏陣列的稀疏程度不足，在性能上仍有加強(qiáng)的空間。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明提供了一種零范數(shù)約束的自適應(yīng)稀疏陣列波束形成方法，目的在于保證波束性能的零范數(shù)約束的自適應(yīng)稀疏陣列波束形成的前提下又能夠減少工作陣元數(shù)量。

本發(fā)明的目的通過(guò)以下方法實(shí)現(xiàn)：

步驟一：根據(jù)陣列陣元接收到的數(shù)據(jù)x_k進(jìn)行來(lái)波方向估計(jì)，得到強(qiáng)干擾目標(biāo)的信號(hào)方位。

步驟二：利用步驟一得到的干擾信號(hào)方位與期望信號(hào)方位(已知)得到導(dǎo)向矩陣C。