[發明專利]基于導向矢量估計與協方差矩陣重構結合的波束形成方法

在審

• 申請號: 201911098237.7
• 申請日: 2019-11-12
• 公開（公告）號: CN110865342A
• 公開（公告）日: 2020-03-06
• 發明（設計）人: 王子豪;冷文;王安國
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: G01S7/36
• 分類號: G01S7/36;G01S7/41;G01S7/40
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所 12201
• 代理人: 程毓英

本發明涉及一種基于導向矢量估計與協方差矩陣重構結合的波束形成方法，包括：根據采樣數據計算采樣協方差矩陣；對陣列接收信號的采樣協方差矩陣進行特征值分解，并將特征值由大到小排列；求出其對應的特征向量；計算優化后的導向矢量；計算空間譜分布；重構出干擾加噪聲協方差矩陣；得到雷達天線陣列的自適應波束輸出量。

技術領域

本發明屬于信號處理領域,涉及陣列信號處理領域中的波束形成技術。

背景技術

作為一個幾十年來一直活躍的研究課題，陣列信號處理長期以來在諸如雷達、聲吶、無線通信、醫學成像等領域都獲得了廣泛的應用。波束形成根據各個傳感器陣元接收到的復信號進行復加權處理，其輸出會對不同方向的信號形成不同的增益。當存在多個信號源或者存在很多干擾信號時，需要對期望信號進行增強或者提取，抑制不需要的信號，已使得感興趣的方向上形成一定的增益而在其他方向形成抑制，或者零陷。在眾多自適應波束形成的算法中，Capon波束形成算法由于具有性能良好、表達形式靈活的優點因而備受研究者青睞。但是實際場景中，數據的采集、空間陣元的擺放結構、陣元之間的耦合、傳輸過程中的噪聲等等會嚴重影響波束形成的性能，引起誤差并造成工程應用效果的急劇下降。標準的Capon波束形成算法依賴對陣型、信號模型等的一些假設，當導向矢量存在誤差時，波束形成器的性能下降嚴重，因此提高自適應波束形成算法針對各類誤差的穩健性十分重要。為提高其穩健性，近幾十年來涌現出了多種基于Capon波束形成算法的穩健自適應波束形成算法[1][2][3][4]。

自適應波束形成技術主要需要克服導向矢量估計帶來的誤差和接收信號中包含期望信號這一不可避免的因素帶來的數據誤差[1]。通過將導向矢量進行更為準確的確定，同時將采樣協方差矩陣進行相應的處理[2]，使得其與真實值相差不大，或者對波束形成性能影響很小，就可以達到波束形成的目的。本發明通過對協方差矩陣進行重構并結合協方差矩陣的相關特性，對導向矢量進行修正，以達到提高波束形成器性能的目的。相比于傳統導向矢量優化，本發明所提方法選擇精度更高，效果更好，重構后的協方差矩陣保證包含極少的期望信號能量，使得波束形成器效果更好。相比于參考文獻算法性能有一定的提高。

參考文獻：

[1]Yan L,Yang X P,Xi W,et al.Robust adaptive beamforming based onsteering vector estimation and covariance matrix reconstruction[J].Proceedings of 2014 3rd Asia-Pacific on Antennas and Propagation,2014,189-192.

[2]Huang L,Zhuang J,and Xu X.Robust adaptive beamforming with a novelinterference-plus-noise covariance matrix reconstruction method[J].IEEETransactions on Signal Processing,2015,63(7):1643-1650.

[3]Vorobyov S A,Gershman A B,Luo Z Q.Robust adaptive beamformingusing worst-case performance optimization:A solution to thesignal mismatchproblem[J].IEEE Transactions on Signal Processing,2003,51(2):313-324.

[4]Hassanien A,Vorobyov S A,Wong K M.Robust adaptive beamformingusing sequential quadratic programming:An iterative solution to the mismatchproblem[J].IEEE Signal processing letters,2008,15:733-736.