一种高效的宽带稳健自适应波束形成方法
专利名称：一种高效的宽带稳健自适应波束形成方法
技术领域：
本发明涉及雷达、声纳及无线通信技术领域，具体涉及一种高效的宽带稳健自适应波束形成方法。
背景技术：
数字波束形成(DBF)是利用数字信号处理技术，对由天线阵列接收到的信号进行加权，通过调整各阵元的权值从而使得信号得以有效的接收。这是由于各阵元的权值组成阵列权矢量，权矢量直接决定了自适应阵列的方向图，即决定了对有用信号的接收效果。对有用信号的有效接收包括两个方面一是使阵列方向图主瓣(阵列天线增益最大方向)对准期望信号方向；二是使方向图的零点对准干扰信号以进行有效抑制。传统的基于窄带的波束形成算法，当用于宽带信号时，会导致波束的指向、主瓣宽度在不同频点上发生很大的变化，引起偏差。因此，在宽带信号源大量存在的情况下，如何进行宽带波束形成，已经成为 无线通信中的一个研究热点。早起出现的宽带DBF方法是基于非相干信号子空间方法(ISM)，它将宽带信号分解为若干子带，在每一个子带上直接进行窄带处理，即对每一个子带的信号相关矩阵进行窄带波束形成，对所有子带的加权值进行算术平均或几何平均，最后得出宽带信号DBF。通常这类处理算法不能得到满意的结果，主要原因在于计算量大、无法估计相干信号源。相干信号子空间方法(CoherentSignal Subspace Method, CSM)是一种有效算法，是由 Wang 和 Kaveh 首先提出的(Wang, M Kaveh. “Coherent signal-subspaceprocessing for the detecting and estimation of angles of arrival of multiplewideband sources,，，IEEE Transactions on ASSP, vol. 33, no. 4,1985, pp. 823-831.)。这类算法的基本思想是把频带内不重叠的频率点上信号空间聚焦到参考频点上，聚焦后得到单一频点的数据协方差矩阵，然后利用窄带技术进行DBF，这种算法可以解决相干信号源问题。在CSM算法之后，提出了许多不同约束准则下的CSM类算法，如TCT (双边相关变换)算法，SST(信号子空间变换)算法，RSS(旋转信号子空间)算法等等。以上这些算法在构造聚焦矩阵时候都需要用到特征值或奇异值分解，运算量为O (M3)，过大的运算量会导致实时处理的困难。此外，这类方法在实现波束形成的时候采用的是经典的Capton波束形成器或最小方差无失真响应(Minimum Variance Distortionless Response, MVDR)波束形成器。这类波束形成器需要预先知道期望信号的方位信息，如果对期望信号的来波方向估计不准，会导致主波束指向一个错误的方向，此时最优权值会把期望信号当做干扰来抑制，从而在真实的来波方向形成零陷，因此在信噪比较高的环境下性能较为恶劣。对角加载技术可以在一定程度上改善波束形成的性能，但是如何准确选取对角加载量仍然是一个技术难题。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提供一种基于传播算子和特征空间的宽带稳健自适应波束形成方法。本发明将传播算子(PM)与宽带相干信号子空间方法相结合，推导了基于PM的宽带信号子空间方法，该方法所构造的聚焦矩阵不需要奇异值分解，在获取噪声子空间时也不需要特征值分解，运算量约为O (PM2)。可以看出PM算法的复杂度约为TCT聚焦方法的o(P/M)。因此在阵元数较多的时候，基于传播算子的方法将会大大降低运算量。最后将特征空间自适应波束形成算法思想运用于PM中，实现了宽带稳健自适应波束形成。相比传统方法，本发明对于低快拍、期望信号较强的环境下都体现较好的性能，尤其是在期望信号估计存在一定误差的条件下，改方法具有更强的稳健性。本发明是通过以下技术方案实现的，方法步骤如下I)将阵列接收数据进行FFT变换，得到J个频点上的数据，进而分别得到各频点接 收数据的协方差矩阵，选取中心频点fo作为参考频点；2)利用传播算子思想，分别将各频点的协方差矩阵&和中心频点的协方差矩阵Rtl进行矩阵分块，得到各频点的传播算子P」和中心频点的传播算子P。;3)利用P」和Ptl构造各频点的聚焦矩阵Ir将不同频点的传播算子聚焦到同一参考频点上；4)得到最终的传播算子估计&，构造Q和Qci,即噪声子空间；5)结合特征空间思想，构造宽带波束形成算法权矢量wPM_BESB，实现稳健的宽带自适应波束形成。以下对本发明的每个步骤作进一步的详细说明所述步骤I)，具体实现如下考虑有M个全向阵元的均匀线阵的情况，阵元间距为中心频率的半波长。P个宽带远场信号分别以,MG1(尸<M)入射到该阵列上，附加与源信号独立的高斯白噪声。将阵列接收的数据均匀采样并且分成K个互不重叠的块，每块包含N个采样点。对每一块进行N点FFT，然后选取J个频点进行后续处理。定义各离散频点则第k次快拍(k= 1，...，
N)第j个频点的阵列接收数据为xJjk = Aj( 9k这里A」(0) = [Bj(S1), , Bj(Sp)]表示(MXP)维的阵列流型矩阵，Sj, k是(PXl)维的信号矢量，nik是(MXl)维的噪声矢量。选取中心频点&作为聚焦频率，则第k次快拍频点&的阵列接收数据可写为Xm = A0 ( 0 ) Sd.k+r^k。因此f」和&频点上阵列接收数据的协方差矩阵为< 1 K
=~^'^lk=\X0,kX0,k所述步骤2)，具体实现如下分别将各频点阵列协方差矩阵&以及中心频点阵列协方差矩阵Rtl进行分块可得Rj = [Gj, Hj] = [Gj, GjPj]R0 = [G0，H0] = [G0，G0P0]
这里的Gj和Gtl都是(MXP)维矩阵，Hj和H。都是MX (M-P)维矩阵。利用传播算子思想，对协方差矩阵进行分块得到各频点的传播算子
权利要求
1.一种高效的宽带稳健自适应波束形成方法，其特征在于包括以下步骤 1)将阵列接收数据进行FFT变换，得到J个频点上的数据，进而分别得到各频点接收数据的协方差矩阵，选取中心频点&作为参考频点； 2)利用传播算子思想，分别将各频点的协方差矩阵&和中心频点的协方差矩阵Rtl进行矩阵分块，得到各频点的传播算子P」和中心频点的传播算子Ptl ; 3)利用P」和Ptl构造各频点的聚焦矩阵Ir将不同频点的传播算子聚焦到同一参考频点上； 4)得到最终的传播算子估计&，构造Q和Qtl,即噪声子空间； 5)结合特征空间思想，构造宽带波束形成算法权矢量wPM-BESB，实现稳健的宽带自适应波束形成。
2.根据权利要求I所述的一种高效的宽带稳健自适应波束形成方法，其特征是，所述步骤I),具体实现如下 考虑有M个全向阵元的均匀线阵的情况，阵元间距为中心频率的半波长。P个宽带远场信号分别以
3.根据权利要求2所述的一种高效的宽带稳健自适应波束形成方法，其特征是，当得到各频点接收数据之后，选取中心频点fo作为聚焦频率，则第k次快拍频点&的阵列接收数据可写为Xw = Atl(Q) S(l,k+n(l,k。因此&和&频点上阵列接收数据的协方差矩阵为
4.根据权利要求I所述的一种高效的的宽带稳健自适应波束形成方法，其特征是，所述步骤2)，具体实现如下 分别将各频点阵列协方差矩阵&以及中心频点阵列协方差矩阵Rtl进行分块可得
5.根据权利要求4所述的一种高效的的宽带稳健自适应波束形成方法，其特征是，利用传播算子思想，对协方差矩阵进行分块得到各频点的传播算子
6.根据权利要求I所述的一种高效的的宽带稳健自适应波束形成方法，其特征是，所述步骤3),具体实现如下 利用各频点的传播算子&和中心频点的传播算子Po，定义聚焦矩阵，将不同频点的传播算子变换到参考频点上
7.根据权利要求I所述的一种高效的宽带稳健自适应波束形成方法，其特征是，所述步骤4)，具体实现如下 利用矩阵理论知识不难得到如下式子
8.根据权利要求7所述的一种高效的宽带稳健自适应波束形成方法，其特征是，结合传播算子思想，利用单一频点的传播算子的估计^构造MX (M-P)维的矩阵Q，且满足
9.根据权利要求I所述的一种高效的宽带稳健自适应波束形成方法，其特征是，所述步骤5),具体实现如下 利用特征空间自适应波束形成算法思想和传播算子的聚焦理论，得到宽带特征空间自适应波束形成(PM-BESB)算法权矢量。这里的Rtl指的是参考频点的协方差矩阵，a( Stl)表示的是期望信号的导向矢量，Qtl是期望信号的DOA。最后利用权矢量实现稳健的宽带自适应波束形成。
全文摘要
本发明提供了一种高效的宽带稳健自适应波束形成方法，用于无线通信领域，方法如下将阵列接收数据进行FFT变换，得到不同频点上的接收数据和各频点接收数据的协方差矩阵，选取中心频点作为参考频点；利用传播算子思想，分别将各频点的协方差矩阵和中心频点的协方差矩阵进行矩阵分块，得到各频点的传播算子和中心频点的传播算子；构造聚焦变换矩阵，将不同频点的传播算子聚焦到同一参考频点上；得到最终的传播算子估计和噪声子空间；结合特征空间思想，构造宽带波束形成算法权矢量，实现稳健的宽带自适应波束形成。与传统相干信号子空间算法相比，本发明不需要任何奇异值或特征值分解，无需对角加载技术，对于低快拍、期望信号较强的环境下都体现较好的性能，尤其是在期望信号估计存在一定误差的条件下，改方法具有更强的稳健性，同时降低了复杂度。
文档编号H04B7/06GK102664666SQ20121010071
公开日2012年9月12日 申请日期2012年4月9日 优先权日2012年4月9日
发明者余鹏程, 杨峰, 杨鹏 申请人:电子科技大学
技术领域：
本发明涉及雷达、声纳及无线通信技术领域，具体涉及一种高效的宽带稳健自适应波束形成方法。
背景技术：
数字波束形成(DBF)是利用数字信号处理技术，对由天线阵列接收到的信号进行加权，通过调整各阵元的权值从而使得信号得以有效的接收。这是由于各阵元的权值组成阵列权矢量，权矢量直接决定了自适应阵列的方向图，即决定了对有用信号的接收效果。对有用信号的有效接收包括两个方面一是使阵列方向图主瓣(阵列天线增益最大方向)对准期望信号方向；二是使方向图的零点对准干扰信号以进行有效抑制。传统的基于窄带的波束形成算法，当用于宽带信号时，会导致波束的指向、主瓣宽度在不同频点上发生很大的变化，引起偏差。因此，在宽带信号源大量存在的情况下，如何进行宽带波束形成，已经成为 无线通信中的一个研究热点。早起出现的宽带DBF方法是基于非相干信号子空间方法(ISM)，它将宽带信号分解为若干子带，在每一个子带上直接进行窄带处理，即对每一个子带的信号相关矩阵进行窄带波束形成，对所有子带的加权值进行算术平均或几何平均，最后得出宽带信号DBF。通常这类处理算法不能得到满意的结果，主要原因在于计算量大、无法估计相干信号源。相干信号子空间方法(CoherentSignal Subspace Method, CSM)是一种有效算法，是由 Wang 和 Kaveh 首先提出的(Wang, M Kaveh. “Coherent signal-subspaceprocessing for the detecting and estimation of angles of arrival of multiplewideband sources,，，IEEE Transactions on ASSP, vol. 33, no. 4,1985, pp. 823-831.)。这类算法的基本思想是把频带内不重叠的频率点上信号空间聚焦到参考频点上，聚焦后得到单一频点的数据协方差矩阵，然后利用窄带技术进行DBF，这种算法可以解决相干信号源问题。在CSM算法之后，提出了许多不同约束准则下的CSM类算法，如TCT (双边相关变换)算法，SST(信号子空间变换)算法，RSS(旋转信号子空间)算法等等。以上这些算法在构造聚焦矩阵时候都需要用到特征值或奇异值分解，运算量为O (M3)，过大的运算量会导致实时处理的困难。此外，这类方法在实现波束形成的时候采用的是经典的Capton波束形成器或最小方差无失真响应(Minimum Variance Distortionless Response, MVDR)波束形成器。这类波束形成器需要预先知道期望信号的方位信息，如果对期望信号的来波方向估计不准，会导致主波束指向一个错误的方向，此时最优权值会把期望信号当做干扰来抑制，从而在真实的来波方向形成零陷，因此在信噪比较高的环境下性能较为恶劣。对角加载技术可以在一定程度上改善波束形成的性能，但是如何准确选取对角加载量仍然是一个技术难题。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提供一种基于传播算子和特征空间的宽带稳健自适应波束形成方法。本发明将传播算子(PM)与宽带相干信号子空间方法相结合，推导了基于PM的宽带信号子空间方法，该方法所构造的聚焦矩阵不需要奇异值分解，在获取噪声子空间时也不需要特征值分解，运算量约为O (PM2)。可以看出PM算法的复杂度约为TCT聚焦方法的o(P/M)。因此在阵元数较多的时候，基于传播算子的方法将会大大降低运算量。最后将特征空间自适应波束形成算法思想运用于PM中，实现了宽带稳健自适应波束形成。相比传统方法，本发明对于低快拍、期望信号较强的环境下都体现较好的性能，尤其是在期望信号估计存在一定误差的条件下，改方法具有更强的稳健性。本发明是通过以下技术方案实现的，方法步骤如下I)将阵列接收数据进行FFT变换，得到J个频点上的数据，进而分别得到各频点接 收数据的协方差矩阵，选取中心频点fo作为参考频点；2)利用传播算子思想，分别将各频点的协方差矩阵&和中心频点的协方差矩阵Rtl进行矩阵分块，得到各频点的传播算子P」和中心频点的传播算子P。;3)利用P」和Ptl构造各频点的聚焦矩阵Ir将不同频点的传播算子聚焦到同一参考频点上；4)得到最终的传播算子估计&，构造Q和Qci,即噪声子空间；5)结合特征空间思想，构造宽带波束形成算法权矢量wPM_BESB，实现稳健的宽带自适应波束形成。以下对本发明的每个步骤作进一步的详细说明所述步骤I)，具体实现如下考虑有M个全向阵元的均匀线阵的情况，阵元间距为中心频率的半波长。P个宽带远场信号分别以,MG1(尸<M)入射到该阵列上，附加与源信号独立的高斯白噪声。将阵列接收的数据均匀采样并且分成K个互不重叠的块，每块包含N个采样点。对每一块进行N点FFT，然后选取J个频点进行后续处理。定义各离散频点则第k次快拍(k= 1，...，
N)第j个频点的阵列接收数据为xJjk = Aj( 9k这里A」(0) = [Bj(S1), , Bj(Sp)]表示(MXP)维的阵列流型矩阵，Sj, k是(PXl)维的信号矢量，nik是(MXl)维的噪声矢量。选取中心频点&作为聚焦频率，则第k次快拍频点&的阵列接收数据可写为Xm = A0 ( 0 ) Sd.k+r^k。因此f」和&频点上阵列接收数据的协方差矩阵为< 1 K
=~^'^lk=\X0,kX0,k所述步骤2)，具体实现如下分别将各频点阵列协方差矩阵&以及中心频点阵列协方差矩阵Rtl进行分块可得Rj = [Gj, Hj] = [Gj, GjPj]R0 = [G0，H0] = [G0，G0P0]
这里的Gj和Gtl都是(MXP)维矩阵，Hj和H。都是MX (M-P)维矩阵。利用传播算子思想，对协方差矩阵进行分块得到各频点的传播算子
权利要求
1.一种高效的宽带稳健自适应波束形成方法，其特征在于包括以下步骤 1)将阵列接收数据进行FFT变换，得到J个频点上的数据，进而分别得到各频点接收数据的协方差矩阵，选取中心频点&作为参考频点； 2)利用传播算子思想，分别将各频点的协方差矩阵&和中心频点的协方差矩阵Rtl进行矩阵分块，得到各频点的传播算子P」和中心频点的传播算子Ptl ; 3)利用P」和Ptl构造各频点的聚焦矩阵Ir将不同频点的传播算子聚焦到同一参考频点上； 4)得到最终的传播算子估计&，构造Q和Qtl,即噪声子空间； 5)结合特征空间思想，构造宽带波束形成算法权矢量wPM-BESB，实现稳健的宽带自适应波束形成。
2.根据权利要求I所述的一种高效的宽带稳健自适应波束形成方法，其特征是，所述步骤I),具体实现如下 考虑有M个全向阵元的均匀线阵的情况，阵元间距为中心频率的半波长。P个宽带远场信号分别以
3.根据权利要求2所述的一种高效的宽带稳健自适应波束形成方法，其特征是，当得到各频点接收数据之后，选取中心频点fo作为聚焦频率，则第k次快拍频点&的阵列接收数据可写为Xw = Atl(Q) S(l,k+n(l,k。因此&和&频点上阵列接收数据的协方差矩阵为
4.根据权利要求I所述的一种高效的的宽带稳健自适应波束形成方法，其特征是，所述步骤2)，具体实现如下 分别将各频点阵列协方差矩阵&以及中心频点阵列协方差矩阵Rtl进行分块可得
5.根据权利要求4所述的一种高效的的宽带稳健自适应波束形成方法，其特征是，利用传播算子思想，对协方差矩阵进行分块得到各频点的传播算子
6.根据权利要求I所述的一种高效的的宽带稳健自适应波束形成方法，其特征是，所述步骤3),具体实现如下 利用各频点的传播算子&和中心频点的传播算子Po，定义聚焦矩阵，将不同频点的传播算子变换到参考频点上
7.根据权利要求I所述的一种高效的宽带稳健自适应波束形成方法，其特征是，所述步骤4)，具体实现如下 利用矩阵理论知识不难得到如下式子
8.根据权利要求7所述的一种高效的宽带稳健自适应波束形成方法，其特征是，结合传播算子思想，利用单一频点的传播算子的估计^构造MX (M-P)维的矩阵Q，且满足
9.根据权利要求I所述的一种高效的宽带稳健自适应波束形成方法，其特征是，所述步骤5),具体实现如下 利用特征空间自适应波束形成算法思想和传播算子的聚焦理论，得到宽带特征空间自适应波束形成(PM-BESB)算法权矢量。这里的Rtl指的是参考频点的协方差矩阵，a( Stl)表示的是期望信号的导向矢量，Qtl是期望信号的DOA。最后利用权矢量实现稳健的宽带自适应波束形成。
全文摘要
本发明提供了一种高效的宽带稳健自适应波束形成方法，用于无线通信领域，方法如下将阵列接收数据进行FFT变换，得到不同频点上的接收数据和各频点接收数据的协方差矩阵，选取中心频点作为参考频点；利用传播算子思想，分别将各频点的协方差矩阵和中心频点的协方差矩阵进行矩阵分块，得到各频点的传播算子和中心频点的传播算子；构造聚焦变换矩阵，将不同频点的传播算子聚焦到同一参考频点上；得到最终的传播算子估计和噪声子空间；结合特征空间思想，构造宽带波束形成算法权矢量，实现稳健的宽带自适应波束形成。与传统相干信号子空间算法相比，本发明不需要任何奇异值或特征值分解，无需对角加载技术，对于低快拍、期望信号较强的环境下都体现较好的性能，尤其是在期望信号估计存在一定误差的条件下，改方法具有更强的稳健性，同时降低了复杂度。
文档编号H04B7/06GK102664666SQ20121010071
公开日2012年9月12日 申请日期2012年4月9日 优先权日2012年4月9日
发明者余鹏程, 杨峰, 杨鹏 申请人:电子科技大学
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