专利名称：自适应波束形成副瓣整形方法
技术领域：
本发明涉及雷达信号处理领域中的自适应波束形成抗干扰方法，适用于各种采用 阵列天线雷达装备的信号处理系统，可以用于存在各种方向性干扰背景下的目标检测。同 时，核心理论和方法还可应用于其他多种存在干扰抑制需求的阵列信号处理系统中。
背景技术：
自适应波束形成技术针对目标信号与干扰信号在入射角度上的不同，利用阵列天 线波束形状可调的特点，自适应调整零点、主瓣等波形资源实现抑制干扰、保留信号的目 的，对所有具备方向特性的干扰有效。在雷达、声纳、通信等领域内有着广泛的应用。然而，受工艺水平等因素的限制，实际中的阵列天线往往存在各种误差，严重限制 了自适应波束形成的性能。尤其在主瓣干扰等复杂环境下，往往带来诸如主瓣畸变、副瓣升 高等不良影响，集中表现为主瓣与副瓣相对电平差的减小，使得干扰在得到抑制的同时，目 标信号的正常接收也受到较大影响。为此，许多改善自适应波束形状的方法得以提出，对角 加载是其中较为简单的方法。但是，对角加载面临着加载量的确定这一难题。对角加载量越大，波束形状越接近 常规波束，但同时自适应干扰抑制的效果也越差，过大或过小的加载量均不能满足保留信 号、抑制干扰的实际需求。而确定最优对角加载量的理论公式又十分复杂，并不实用，因此 当前对于对角加载量的确定仍以经验确定为主，实际应用中十分不便。
发明内容
本发明的目的在于解决自适应波束形成技术面临的困难和问题，克服已有技术的 缺点和不足。在不改变系统硬件结构的前提下，以较小代价有效抑制各种方向性干扰，同时 得到满意的波束形状。为了实现上述发明目的，本发明提供了一种自适应波束形成副瓣整形方法，包括 如下步骤(1)利用雷达固有的M个通道，将雷达接收数据X送入信号处理系统；(2)对X进行预处理，得到只含干扰的数据X'；(3)估计干扰数据X'的相关矩阵R ；(4)计算自适应波束形成权值w w = α IT1a ( θ 0)式中，α为一标量，用于权值的归一化，a( θ)为阵列导向矢量，θ ^为主瓣指向；(5)在靠近主瓣的副瓣区内取N个角度采样，计算这些角度上的归一化方向图幅 度，从中选出最大值F，将F与期望副瓣门限值T比较，若F < Τ，则直接进行步骤(7)，若F >Τ，则进行步骤(6)；(6)对相关矩阵R进行对角加载，加载后返回步骤(4)；(7)利用计算得到的自适应权值对数据X进行加权，得到干扰抑制后数据，送后续信号处理。其中，步骤(2)中的预处理包括脉冲压缩与杂波抑制，经脉冲压缩后，可以选取周 期中盲区内数据以避开目标信号，通过动目标检测(MTD)等技术去掉数据中的杂波，最终 得到只含干扰的数据X'。步骤(6)中对角加载量λ可取加载前矩阵R的小特征值，还可根据方向图副瓣高 于门限的程度进行选择，若方向图副瓣远高于门限时，选择较大的对角加载量使副瓣电平 快速降低，当方向图副瓣接近门限后，则选择较小的加载量，使加载量不至于过大。本发明的优点在于(1)本发明利用对角加载进行自适应波束形成方向图的整理，能够在主瓣受干扰 影响情况下保持主瓣波束形状，受阵列误差影响较小。(2)本发明以迭代方式进行方向图的调整，以较小的对角加载量实现方向图的保 形，能够较好地保持自适应方法对干扰的抑制深度。(3)本发明将对角加载量大小与方向图形状直接联系起来，为对角加载量的确定 提供了一种简单的准则和方法，避免了复杂的推导和繁琐的运算。(4)本发明方法只需要将程序下载到通用信号处理板上即可实现，因此易于推广， 且只需要在通用可编程信号处理板上进行编程，无需改变系统结构，升级方便。
图1是本发明的实施例的结构框图。参照图1，本发明的实施例由接收机单元1、数据预处理单元2、干扰相关矩阵估计 单元3、权值计算单元4、副瓣电平取样单元5、对角加载单元6、自适应加权单元7组成。上 述的数据预处理、干扰相关矩阵估计、权值计算、副瓣电平取样、对角加载、自适应加权均可 在通用可编程信号处理机上编程实现。
具体实施例方式实施本发明的原理如下自适应波束形成技术利用阵列天线方向图可调的特点抑 制干扰，其最终目的是实现目标的有效检测。然而，当干扰与目标空域信息相同时，自适应 波束形成只能抑制干扰，却不能保留目标。实际上，在这种已不具备从空域对抗干扰基础的 情况下，应转向采取其他抗干扰手段。因此，有必要建立相应的“退出”机制，以避免自适应 波束形成对后续处理产生影响。通过对角加载，可以使自适应波束形成退化为常规波束形成。对角加载量的大小， 决定了退化程度的深浅。实际情况复杂多变，理想的对角加载，应该能使波束形状与实际情 况吻合，其大小既能保证主瓣形状不发生畸变，又能尽量保留自适应干扰抑制的效果。本发 明通过迭代运算，以方向图期望副瓣为目标，反向得出所需加载量大小。下面结合附图和实施例详细描述本发明的具体实施方式
。设阵列天线为M元均勻线阵，实施例中M = 16，阵元间距为半波长。(1)利用雷达固有的M个通道，由接收机单元1将接收到的数字信号数据X存储到 系统中，这一部分对存储器的大小、采样的精度要求与原系统相同。同时，将X送往数据预 处理单元2。
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(2)数据预处理单元2对X进行预处理，预处理包括脉冲压缩与杂波抑制，经脉冲 压缩后，可以选取周期中盲区内数据以避开目标信号，通过MTD等技术去掉数据中的杂波， 以得到只含有干扰的数据X'，送往干扰相关矩阵单元3。(3)在干扰相关矩阵单元3中，估计X'的相关矩阵R R = X' X' η/Κ其中，K为数据长度，实施例中K= 100。对R进行特征分解，得到最小特征值λ_。 将R送往权值计算单元4，将R与λ min送往自适应权值计算单元6(4)由权值计算单元4计算自适应波束形成权值w w = α IT1a ( θ 0)式中，α为一标量，使权值归一化，a(6)为阵列导向矢量，θ ^为主瓣指向，实施 例中Qci = O15将w送往副瓣电平取样单元5与自适应加权单元7。(5)在副瓣电平取样单元5中，首先由a( θ J计算零点主瓣宽度Δ θ 其中，D为波长与阵元间距之比。在区域
之外取N个均勻间隔
的角度θρ = 1，2，…，N，其间隔应小于第一副瓣宽度Δ ef的一半
实施例中，
，取N = 20。若导向
矢量采用了幅度加权以降低副瓣，则Δ θ应相应扩大而Δ 减小。计算这些角度上的归一化方向图幅度 从Nffi中选出最大值F F = max{fj将F与门限值T比较，若F彡T，则进行步骤(6)，若F > T，则直接进行步骤(7)。(6)由对角加载单元6对相关矩阵R进行修正R = R+ λ minI将R送回权值计算单元4，返回步骤⑷；(7)自适应加权单元7利用权值计算单元4计算得到的自适应权值w对数据X进 行加权，得到干扰抑制后数据y y = wHX送后续信号处理。虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域普通技术人员可以在所附权 利要求的范围内作出各种变形或修改。
权利要求
自适应波束形成副瓣整形方法，包括以下技术步骤(1)利用雷达固有的M个通道，将雷达接收数据X送入信号处理系统；(2)对X进行预处理，得到只含干扰的数据X′；(3)估计干扰数据X′的相关矩阵R；(4)计算自适应波束形成权值ww＝αR 1a(θ0)式中，α为一标量，用于权值的归一化，a(θ)为阵列导向矢量，θ0为主瓣指向；(5)在靠近主瓣的副瓣区内取N个角度采样，计算这些角度上的归一化方向图幅度，从中选出最大值F，将F与期望副瓣门限值T比较，若F≤T，则直接进行步骤(7)，若F＞T，则进行步骤(6)；(6)对相关矩阵R进行对角加载，加载后返回步骤(4)；(7)利用计算得到的自适应权值对数据X进行加权，得到干扰抑制后的数据，送后续信号处理。
2.根据权利要求1所述的自适应波束形成副瓣整形方法，其特征在于，步骤(2)中的预 处理包括脉冲压缩与杂波抑制，经脉冲压缩后，可以选取周期中盲区内数据以避开目标信 号，通过动目标检测(MTD)等技术去掉数据中的杂波，最终得到只含干扰的数据X'。
3.根据权利要求1所述的自适应波束形成副瓣整形方法，其特征在于，步骤(6)中对角 加载量可取加载前矩阵R的最小特征值。
4.根据权利要求1所述的自适应波束形成副瓣整形方法，其特征在于，步骤(6)中对角 加载量还可根据方向图副瓣高于期望门限的程度进行选择，若方向图副瓣远高于门限时， 选择较大的对角加载量使副瓣电平快速降低，当方向图副瓣接近门限后，则选择较小的加 载量，使加载量不至于过大。
全文摘要
本发明公开了一种自适应波束形成副瓣整形方法。该方法以归一化自适应方向图期望副瓣电平高低为目标，通过迭代运算，反向得出所需对角加载的加载量大小，利用对角加载对自适应方向图进行整形，最终得到方向图符合期望要求的自适应权值，具体步骤见附图。与现有技术相比，该项技术根据不同情况调整对角加载量大小，能够在保证方向图不发生畸变的前提下，以尽量小的对角加载量进行加载，从而保持自适应方法对干扰的抑制深度，方法简单，无需进行复杂的推导和繁琐的运算。技术并不局限于雷达装备，可广泛应用于各种采用阵列天线，具有干扰抑制需求的电子系统，具有推广应用价值。
文档编号G01S13/00GK101915906SQ201010230669
公开日2010年12月15日 申请日期2010年7月20日 优先权日2010年7月20日
发明者吴志文, 王俊, 王永良, 陈建文, 鲍拯 申请人:中国人民解放军空军雷达学院