[發明專利]一種基于有效重構協方差矩陣的波束形成方法

有效

• 申請號: 201811480843.0
• 申請日: 2018-12-05
• 公開（公告）號: CN109639333B
• 公開（公告）日: 2021-12-24
• 發明（設計）人: 雷舒杰;張軍星;王雪博;王帥;蒲彬;吳迎春;史方明
• 申請（專利權）人: 上海神添實業有限公司;上海無線電設備研究所
• 主分類號: H04B7/08
• 分類號: H04B7/08
• 代理公司: 上海元好知識產權代理有限公司 31323
• 代理人: 劉琰;賈慧琴

本發明公開了一種基于有效重建協方差矩陣的穩健自適應波束形成方法。該方法通過引入判斷因子作為算法是否重構協方差矩陣的標準，首先利用功率譜估計算法來估計期望信號角度方向，把期望信號角度能否被估計出來作為協方差矩陣重建的標準，然后分別構建不同信噪比情況下的協方差矩陣，即在低信噪比下無需重構協方差矩陣，在高信噪比下采用協方差矩陣重構方法，最終求取陣列權值矢量，最終達到保證波束形成器輸出性能的同時降低其計算復雜度。本發明在高信噪比情況下仍具有較好的輸出性能。本發明增加了一個閾值判斷過程，利用期望信號能夠被估計出來作為臨界條件，能夠很好地平衡復雜度與輸出性能之間的關系。

技術領域

本發明涉及波束形成技術領域和信號處理領域，具體涉及一種基于有效重構協方差矩陣的波束形成方法。

背景技術

自適應波束形成技術能夠依據外界環境變化特性與接收信號特性來自適應地改變權值矢量大小，進而保證期望信號能夠無失真接收并使干擾性能得到最大程度地抑制，因此能夠適用于較為復雜的工程應用環境，具有廣闊的應用前景。

波束形成器通過陣列權值矢量來達到主瓣波束對準期望信號來向并且零陷對準干擾信號來向的目的，而最優權值矢量是基于干擾噪聲矩陣與期望信號導向矢量都準確無誤的情況下。實際應用環境中干擾噪聲矩陣很難得到，一般都是通過采樣協方差矩陣來代替，但采樣數據里通常會包含期望信號，當期望信號功率較小時，此時求取的采樣協方差矩陣與干擾噪聲協方差矩陣的差距較小，對應求取的陣列權值矢量與最優權值矢量之間的差距也較小，所以對波束形成器的輸出性能影響較小，但當期望信號功率較大時，波束形成器極易把期望信號當成干擾信號來抑制，進而導致算法輸出性能下降。

針對該問題，一系列穩健的波束形成算法被提出來，主要代表算法是干擾噪聲矩陣重構算法。

《基于子空間的干擾噪聲協方差矩陣重構的波束形成方法》(專利申請號201510680829.5，申請日2015.10.19，申請人電子科技大學)，介紹了一種基于子空間的干擾噪聲協方差矩陣重構的波束形成方法，用重構的干擾噪聲協方差矩陣代替樣本協方差矩陣，同時提出了一種新導向矢量估計算法來估計期望信號的導向矢量，提高了波束形成算法對干擾信號導向矢量誤差具有很好的穩健性，但是該方法未考慮算法工程實現的復雜度問題。

《基于相關計算和協方差矩陣重構的自適應波束形成方法》(專利申請號201510548956.X，申請日2015.08.31，申請人中國科學院聲學研究所)，介紹了一種基于相關計算和協方差矩陣重構的自適應波束形成方法，解決了在采樣快拍數中含有期望信號的情況下，SMI算法的自適應方向圖主瓣變形及旁瓣升高、期望信號相消、輸出信干噪比嚴重下降的問題，但是該方法僅針對的是接收信號中期望信號功率較大的情況下，對期望信號功率微弱時沒有效果，反而復雜度會升高。

《一種基于協方差矩陣重構的自適應波束形成方法》(專利申請號201611055429.6，申請日2016.11.25，申請人線電子科技大學)，介紹了一種基于協方差矩陣重構的自適應波束形成方法，該方法通過重構干擾加噪聲協方差矩陣，消除用于計算自適應波束形成器權矢量的采樣協方差矩陣中期望信號分量，從而提高波束形成器的性能，但是該方法仍然是針對期望信號功率大的情況下，并未考慮小功率期望信號下算法的性能問題。

論文《Robust Adaptive Beamforming Based on Interference CovarianceMatrix Reconstruction and Steering Vector Estimation》(作者：Gu Y等，期刊IEEETransactions on Signal Processing，發表日期2012年7月)提出利用空間譜估計來重構干擾噪聲協方差矩陣的方法，但是該方法需要對除期望信號所在角度區域外的整個空間域進行累加計算，計算量很大。