基于迭代算法的稳健波束形成方法
【专利摘要】本发明涉及稳健自适应波束形成处理技术。本发明针对现有技术中，强期望信号背景下阵列导向矢量失配的问题，提出一种基于迭代算法的稳健波束形成方法，首先，使用PI谱计算出PI算法的权值；其次，利用PI谱及PI算法的权值在期望信号可能空域范围外重构干扰噪声协方差矩阵；最后，利用重构的干扰噪声协方差矩阵，计算波束形成器的最优权值，再重复循环PI算法，从而更新了波束形成器的最优权向量。通过LMS迭代功率倒置算法，重构干扰噪声协方差矩阵，从而直接避免传统算法中的矩阵求逆运算的方法。适用于基于迭代算法的稳健波束形成方法。
【专利说明】基于迭代算法的稳健波束形成方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及稳健自适应波束形成处理技术，特别涉及基于迭代算法的稳健波束形成方法
【背景技术】
[0002]阵列信号处理最主要的研究内容之一就是波束形成技术，以此可分为普通波束形成技术和自适应波束形成技术。利用波束形成技术，可以增强有用信号同时抑制干扰。普通波束形成技术的权系数是固定的，抗干扰性较差。而自适应波束形成等效为一维纳滤波过程，能够随着变化的信号环境自动调节权系数，使得波束主瓣对准期望信号方向以增强有用信号，零陷对准干扰方向以抑制干扰，从而使阵列的输出信号干扰噪声比SINR达到最大，可以有效提高系统的性能，因此得到广泛的应用。
[0003]自适应波束形成器可以随着变化的信号环境而自动调整权系数，使波束主瓣对准期望信号到来方向，干扰方向则形成零陷，以达到增强有用信号抑制干扰的目的，使得输出信干噪比达到最大。但是由于不可避免的存在各种误差，如阵元响应误差、通道频率响应误差、阵元位置扰动误差、互耦等，而自适应波束形成技术对这些因素较为敏感，尤其是利用信号加干扰和噪声协方差矩阵的自适应方法，当信噪比较大时，虽然干扰零点位置变化不大，但是期望信号方向上也可能形成零陷，导致输出信干噪比严重下降。因此稳健波束形成技术成为理论和工程界关心的重要问题。
[0004]近十几年来，稳健波束形成理论得到了飞速的发展，涌现出一大批性能优良的算法，这些算法有对角加载的稳健波束形成算法，基于特征空间的稳健波束形成算法，而很多学者将凸优化理论和方法引入到稳健波束形成算法中，建立了失配模型下波束形成模型，在各种失配模型下推导了最优的波束形成方法。1969年，J.Capon提出了著名的Capon波束形成，即:在满足信号无失真的情况下，最小化输出功率，通常真实的协方差矩阵未知，常用真实的协方差矩阵的一致估值量样本协方差矩阵代替。当有用信号的阵列导向矢量准确获得时，Capon波束形成具有较好的分辨率和干扰抑制能力，但在有用信号的阵列导向矢量不能准确获得时，Capon波束形成的性能会严重的下降。为了克服阵列导向矢量误差，可以采用多点约束、导数约束或是积分约束，通过附加的约束来展宽自适应波束主瓣，降低对期望信号指向误差的敏感性，从而改善稳健性，但缺点是额外的约束浪费了系统的自由度，降低了系统干扰抑制的能力，且对其他类型的失配不具有良好的稳健性。
[0005]但是上述方法都不能解决强期望信号背景下导向矢量失配的问题:当训练序列中含有期望信号的时候，信噪比较大时且期望信号到来方向并不准确已知时，在实际期望信号方向上会形成零陷，使得输出SINR严重下降。因此，强期望信号背景下的稳健自适应波束形成技术，成为一个新的问题。当期望信号的功率提高到一定程度时和期望信号来波方向存在误差时，现有的自适应抗干扰调零算法的性能都会下降，甚至完全失效。
【发明内容】
[0006]本发明所要解决的技术问题，就是针对现有技术中，强期望信号背景下阵列导向矢量失配的问题，提出一种基于迭代算法的稳健波束形成方法，通过LMS迭代功率倒置(Power Inversion,以下简称PI)算法，重构干扰噪声协方差矩阵，从而直接避免传统算法中的矩阵求逆运算的方法。
[0007]本发明解决所述技术问题，采用的技术方案是，基于迭代算法的稳健波束形成方法，包括以下几个步骤:
[0008]步骤1、使用PI谱计算出PI算法的权值；
[0009]步骤2、利用PI谱及PI算法的权值在期望信号可能空域范围外重构干扰噪声协方差矩阵；
[0010]步骤3、利用重构的干扰噪声协方差矩阵，计算波束形成器的最优权值，再重复循环PI算法，从而更新了波束形成器的最优权向量。
[0011]具体的，所述步骤I中，利用LMS算法来迭代计算PI算法的权值，所述PI算法的权值，计为wPI ；
[0012]Wpi= [w1； W2, *.., wM]T ；
[0013]其中，M为阵元 数，T为进行转置计算，wM为第M个阵元的PI算法权值。
[0014]具体的，所述步骤2，包括以下几个步骤:
[0015]步骤21、根据PI算法计算出期望信号，根据期望信号迭代出PI算法的权向量；
[0016]步骤22、根据PI算法的权向量，计算出PI谱估计值；
[0017]步骤23、将PI谱估计值在除去期望信号可能的方向以外的空域内进行积分，进而重构干扰噪声协方差矩阵。
[0018]进一步的,所述步骤21中,令:信号频率向量,计为a。:
[0019]a0=[l，0，…，0]τ ;
[0020]令:η时刻阵列信号向量,计为χ(η):
[0021 ] X (n) = [X1 (η)，X2 (η)，X3 (η)，…，χΜ (η) ]τ ;
[0022]由PI算法的权向量约束条件，Wljaci=I,可知PI算法的权向量第一路的权值始终为I保持不变，即W1=I ；
[0023]令:辅助权向量，计为V P1 (η):
[0024]w' PI(n) = [-W2, -w3,..., _wM]τ ；
[0025]令:辅助信号向量，计为V (η):
[0026]X' (n) = [x2(n), X3(η),..., χΜ(η)]τ ；
[0027]则输出信号，计为y(n):
y(n) = w|*(n)x(n)
[0028]= W1X1 (n)-w^l(n)x'(n)；
=x, (n) — wj!,1 (n)x* (n)
[0029]其中，H表示进行求逆转置运算；
[0030]根据PI算法将第一路信号看作期望信号，所述期望信号，计为d(n)，则:
[0031]d (n) =X1 (η)；
[0032]根据LMS迭代算法，可以得到如下的递推公:
【权利要求】
1.基于迭代算法的稳健波束形成方法，其特征在于，包括以下几个步骤: 步骤1、使用PI谱计算出PI算法的权值； 步骤2、利用PI谱及PI算法的权值在期望信号可能空域范围外重构干扰噪声协方差矩阵； 步骤3、利用重构的干扰噪声协方差矩阵，计算波束形成器的最优权值，再重复循环PI算法，从而更新了波束形成器的最优权向量。
2.根据权利要求1所述的基于迭代算法的稳健波束形成方法，其特征在于，所述步骤I中，利用LMS算法来迭代计算PI算法的权值，所述PI算法的权值，计为wPI ；
Wp1= [W1, W2,..., WM]T ; 其中，M为阵 元数，T为进行转置计算，wM为第M个阵元的PI算法权值。
3.根据权利要求1所述的基于迭代算法的稳健波束形成方法，其特征在于，所述步骤2，包括以下几个步骤: 步骤21、根据PI算法计算出期望信号，根据期望信号迭代出PI算法的权向量； 步骤22、根据PI算法的权向量，计算出PI谱估计值； 步骤23、将PI谱估计值在除去期望信号可能的方向以外的空域内进行积分，进而重构干扰噪声协方差矩阵。
4.根据权利要求3所述的基于迭代算法的稳健波束形成方法，其特征在于，所述步骤21中，令:信号频率向量，计为％:
a0=[l, O,…，0]τ ； 令:η时刻阵列信号向量，计为χ(η):
X (n) = [X1 (η)，χ2 (η)，χ3 (η)，…，χΜ (η) ]τ ; 由PI算法的权向量约束条件，Zatl=I,可知PI算法的权向量第一路的权值始终为I保持不变，即W1=I ； 令:辅助权向量，计为W' P1 (η):
W' PI (n) = [-W2, -W3,..., -wm]t ； 令:辅助信号向量，计为V (η):
X' (η) = [χ2 (η), X3 (η),..., xM (η) ]τ ； 则输出信号，计为y (η):
y(n) = Wp,(n)x(n)
=W1X1 (n)-wA+rOx,(η)；
=X1 (η) — Wp" (η)χ,(η) 其中，H表示进行求逆转置运算； 根据PI算法将第一路信号看作期望信号，所述期望信号，计为d(n)，则:
d (n) =X1(η)； 根据LMS迭代算法，可以得到如下的递推公:
5.根据权利要求3所述的基于迭代算法的稳健波束形成方法，其特征在于，所述步骤22中,算得的PI算法权向量wPI (η),可以用来计算所需的PI谱估计值,记为:
6.根据权利要求3所述的基于迭代算法的稳健波束形成方法，其特征在于，所述步骤23中，使用PI空间谱估计值，将其在除去期望信号可能的方向以外的空域H内进行积分，进而重构的干扰噪声协方差矩阵Rin(H)； 令:时亥IJ η的重构的干扰噪声协方差矩阵估计值为ftjn),则
7.根据权利要求1所述的基于迭代算法的稳健波束形成方法，其特征在于，所述步骤3包括以下几个步骤: 步骤31、根据最小功率无失真响应准则，建立最优化问题； 步骤32、根据最优化问题计算出波束形成器的权值； 步骤33、根据波束形成器权值的更新得出波束形成器最优权向量的迭代公式。
8.根据权利要求7所述的基于迭代算法的稳健波束形成方法，其特征在于，所述步骤31，根据最小功率无失真响应准则，代入η时刻的波束形成器权矢量，计为w(n)，将最优化问题表示为:
min w (n) aRin (n) w (η) ；
s.t.w (η) Ha ( θ j) =1 其中，min表示求最小值，s.t.表示极值条件，apj表示为角度为Θ i时的信号频率向量，并满足权向量的约束条件。
9.根据权利要求7所述的基于迭代算法的稳健波束形成方法，其特征在于，所述步骤32中，使用Lagrange代价函数，记为J1 (w (η)):
Ji (w (η)) =W (η) aRin (η) w (η) + λ (η) (w (η) Ha ( θ j)-1)；其中，λ (η)为Lagrange乘子； 对波束形成器权矢量采用梯度方向搜索的方法，此时波束形成器权矢量w(n)通过最优化条件极值可以表示成最优权向量Wtl(Il)，则波束形成器最优权向量的迭代表达式如下:
【文档编号】H04B7/06GK103944624SQ201410113568
【公开日】2014年7月23日 申请日期:2014年3月25日 优先权日:2014年3月25日
【发明者】谢菊兰, 王剑锋, 张俊波, 李迅, 罗倩, 李会勇, 王旭 申请人:电子科技大学