[發(fā)明專利]一種基于協(xié)方差矩陣重構(gòu)和ADMM的波束形成方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202111147996.5
• 申請(qǐng)日: 2021-09-29
• 公開（公告）號(hào): CN114048431B
• 公開（公告）日: 2023-06-13
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 鞏朋成;劉永康;王兆彬;鄧薇
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 湖北工業(yè)大學(xué)
• 主分類號(hào): G06F17/16
• 分類號(hào): G06F17/16
• 代理公司: 武漢華強(qiáng)專利代理事務(wù)所(普通合伙) 42237
• 代理人: 溫珊姍;王冬冬

本發(fā)明屬于陣列信號(hào)處理技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于協(xié)方差矩陣重構(gòu)和ADMM的波束形成方法，本發(fā)明基于協(xié)方差矩陣重構(gòu)和ADMM算法，來對(duì)自適應(yīng)波束形成進(jìn)行穩(wěn)健處理，在不同輸入SNR、不同快拍數(shù)和導(dǎo)向矢量失配情況下，本發(fā)明方法在運(yùn)動(dòng)干擾能力、抗導(dǎo)向矢量角度失配性以及抑制干擾能力都大大提高，可減少主瓣偏移和“自消”現(xiàn)象的產(chǎn)生，實(shí)現(xiàn)了最大化輸出SINR。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于陣列信號(hào)處理技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于協(xié)方差矩陣重構(gòu)和ADMM的波束形成方法。

背景技術(shù)

自適應(yīng)波束形成在聲吶、雷達(dá)、生物科學(xué)中、語(yǔ)音信號(hào)處理以及醫(yī)學(xué)工程等領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用，是陣列信號(hào)處理領(lǐng)域中的研究熱點(diǎn)之一。自適應(yīng)波束形成算法對(duì)導(dǎo)向矢量失配的誤差非常敏感，即使很小的導(dǎo)向矢量誤差，如方向誤差、陣列擾動(dòng)和運(yùn)動(dòng)目標(biāo)等因素，都會(huì)使算法性能急劇下降。另外，當(dāng)訓(xùn)練數(shù)據(jù)中含有期望信號(hào)時(shí)，期望信號(hào)可能被當(dāng)作干擾信號(hào)，產(chǎn)生自消現(xiàn)象。傳統(tǒng)的波束形成算法在干擾處形成的零陷非常窄，如出現(xiàn)陣列擾動(dòng)時(shí)，必然會(huì)導(dǎo)致干擾偏離零陷位置，甚至?xí)?dǎo)致算法完全失效。因此有必要研究增強(qiáng)算法的穩(wěn)健性來克服上述問題。

增強(qiáng)算法的穩(wěn)健性大致可以分為兩類：一類是基于協(xié)方差矩陣的算法：對(duì)角加載(Diagnoal?Loading,DL)算法、特征空間算法、以及協(xié)方差矩陣重構(gòu)算法(InterferencePlus?Noise,IPN)。DL算法就是在協(xié)方差矩陣的對(duì)角線上加入一個(gè)加載因子，從而抑制權(quán)向量中的噪聲，但是最優(yōu)加載因子的選取很難確定。特征空間算法是通過求解協(xié)方差矩陣的特征值，并對(duì)其進(jìn)行劃分，大特征值對(duì)應(yīng)的導(dǎo)向矢量張成的是期望信號(hào)加干擾信號(hào)的子空間，小特征值對(duì)應(yīng)導(dǎo)的向矢量張成的則是噪聲子空間。再將存在誤差的期望信號(hào)向期望信號(hào)加干擾信號(hào)的子空間進(jìn)行投影，進(jìn)而消除誤差。另一類是對(duì)導(dǎo)向矢量進(jìn)行優(yōu)化，通常采用CVX工具包，連續(xù)二次約束二次規(guī)劃(Successive?Quadratically?Constrained?QuadraticProgramming,QCQP)技術(shù)和半正定松弛技術(shù)(Semidefinite?Relaxation,SDR)求解。但是這些技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中計(jì)算量復(fù)雜、耗費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)、計(jì)算復(fù)雜度高。

于是，將零陷展寬和ADMM技術(shù)應(yīng)用到波束形成中，能夠有效提高系統(tǒng)抗運(yùn)動(dòng)干擾能力，同時(shí)保證導(dǎo)向矢量不失配，從而為波束形成提供一種新的思路。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是針對(duì)干擾位置發(fā)生擾動(dòng)和目標(biāo)導(dǎo)向矢量失配的情況，提供一種基于協(xié)方差矩陣重構(gòu)和ADMM的波束形成方法及系統(tǒng)，該方法對(duì)自適應(yīng)波束形成進(jìn)行零陷展寬和穩(wěn)健處理，可減少干擾位置移動(dòng)造成的性能下降和主瓣偏移和“自消”現(xiàn)象的產(chǎn)生，大大提高算法性能，加強(qiáng)波束形成的魯棒性。

本發(fā)明思路：

首先在波束形成器最大輸出功率條件下，設(shè)計(jì)求解最優(yōu)導(dǎo)向矢量的優(yōu)化模型。其次，為了展寬零陷并增強(qiáng)系統(tǒng)抗運(yùn)動(dòng)干擾能力，利用陣列輸出功率及定義的干擾零陷范圍重構(gòu)協(xié)方差矩陣；接著，為了求解關(guān)于導(dǎo)向矢量的二次不等式約束問題，本發(fā)明利用ADMM對(duì)模型進(jìn)行迭代求解，并在每次迭代中獲得導(dǎo)向矢量的具體解。

本發(fā)明技術(shù)方案如下：

一種基于協(xié)方差矩陣重構(gòu)和ADMM的波束形成方法，其特征在于，基于波束形成模型：

其中，

其中，定義d(θ)為θ方向的相關(guān)導(dǎo)向矢量，Θ＝[θ_min,θ_max]表示期望信號(hào)在定義的區(qū)間內(nèi)，本文假設(shè)失配區(qū)間小于Θ且與干擾信號(hào)角度分離，表示Θ的補(bǔ)集。

步驟1：利用下式，選定預(yù)設(shè)干擾范圍，對(duì)Capon功率譜密度進(jìn)行積分，重構(gòu)干擾協(xié)方差矩陣。