[發明專利]一種協方差矩陣重構自適應波束形成方法及系統

有效

• 申請號: 202110673467.2
• 申請日: 2021-06-17
• 公開（公告）號: CN113422629B
• 公開（公告）日: 2023-02-21
• 發明（設計）人: 陳鵬;高婧潔;王威
• 申請（專利權）人: 長安大學
• 主分類號: H04B7/06
• 分類號: H04B7/06;H04B7/08;H04B15/00
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 王艾華

本發明公開一種基于虛擬線列陣的協方差矩陣重構自適應波束形成方法及系統，首先利用均勻線列陣接收時域數據，分別計算前向和后向的線性預測系數，并按照遞推的方式依次對虛擬陣元位置出所接收到的數據進行擬合，從而預測出各個虛擬陣元的快拍數據；然后，利用包含實際陣元和虛擬陣元的數據計算更高維度的干擾加噪聲協方差矩陣，并采用特征分解和提取大特征值的方式剔除重構誤差，最終添加入理想的噪聲協方差矩陣，得到虛擬陣列對應的改善干擾加噪聲協方差矩陣；最后，通過同樣的方式重構虛擬陣列對應的期望信號協方差矩陣，并提取出最大特征值對應的特征向量作為導向矢量，從而計算得到虛擬陣列對應的波束形成器加權向量和波束輸出。

技術領域

本發明涉及陣列信號處理領域，涉及一種協方差矩陣重構自適應波束形成方法及系統。

背景技術

在傳感器陣列的自適應波束形成技術在過去的幾十年里，得到了迅速的發展，相關成果已經廣泛應用于各個領域。作為最著名的自適應波束形成器，Capon波束形成器能夠在訓練數據不含期望信號時，可以達到其理論性能的最優。然而，在實際的應用環境下，陣列的接收數據中往往存在期望信號，尤其是在信噪比較高時，會導致經典的自適應波束形成方法對期望信號導向矢量的失配更加敏感。

為了提高自適應波束形成器的穩健性，近年來國內外學者提出了許多穩健波束形成器，根據使用的協方差矩陣歸納起來有以下兩類：

1)文獻1“Robust Adaptive Beamforming,”IEEE Transactions on AcousticsSpeech and Signal Processing,vol.35,no.10,pp.1365-1376,Oct,1987.”和文獻2“Robust Capon beamforming,”IEEE Signal Processing Letters,vol.10,no.6,pp.172-175,Jun,2003.”中公開的對角加載方法和不確定集約束方法能夠較好的改善穩健性，但對角加載量和不確定集大小難以根據實際情況確定，難以實際使用。

2)文獻3“Robust Adaptive Beamforming Based on Interference CovarianceMatrix Reconstruction and Steering Vector Estimation,IEEE Trans.SignalProcess.,vol.60,no.7,pp.3881-3885,Jul.2012.”中公開的重構干擾加噪聲協方差矩陣(interference-plus-noise covariance matrix,INCM)算法能夠有效地去除協方差矩陣中的期望信號分量，從而降低波束形成器對期望信號導向矢量誤差的敏感性，但同時重構的INCM中可能存在干擾的導向矢量誤差，從而降低了干擾抑制能力。

綜上所述，第1)類方法直接利用接收數據協方差矩陣(Sample covariancematrix,SCM)，為了保證穩健性，對干擾抑制能力有極大地犧牲；第2)類方法能夠有效保證穩健性，但當存在模型失配時，其干擾抑制能力會下降。這兩類算法都基于陣元接收數據，其輸出信干噪比與輸入信噪比的差值，不會超過陣增益。

發明內容

為了避免現有自適應波束形成的不足之處，本發明提出一種基于虛擬線列陣的協方差矩陣重構自適應波束形成方法，在所有入射信號方向未知的前提下，利用陣列接收數據和線性預測技術，擬合得到虛擬陣元的接收數據，從而提高自適應波束形成的自由度，最終提高自適應波束形成器對干擾和噪聲的抑制能力。

為達到上述目的，本發明采用的技術方案為：一種協方差矩陣重構自適應波束形成方法，具體過程如下：

獲取均勻線列陣接收時域數據，分別計算前向擬合系數和后向擬合系數，并采用遞推的方式依次對虛擬陣元所接收到的數據進行擬合，從而預測出各個虛擬陣元的快拍數據；