CN103245934B - 一种大动态期望信号下的波束合成方法 - Google Patents
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Abstract
一种大动态期望信号下的波束合成方法,其实现步骤为:1)阵列第k时刻接收的信号为x(k);2)接收实信号进行正交变换得解析信号3)设权矢量初值为参考角度的方向矢量v0,按照公式进行迭代计算,收敛后的权矢量为wf(K);4)根据得到的权值矢量wf(K)计算方向图5)方向图上参考角度对应的导数6)判断:若α的绝对值大于门限α0,选择相控阵的权矢量wq作为波束合成权矢量,即we=wq;否则,使用权矢量wf(K)作为波束合成权矢量,即we=wf(K);7)计算波束合成的输出本发明不仅克服了“自零陷”问题,相比于各种复杂稳健波束合成算法,实现简单,满足工程应用的需求。
Description
技术领域
本发明涉及到阵列信号处理领域,具体涉及到无线接收机中一种大动态期望信号下的波束合成方法。
技术背景
波束合成是一种空域滤波,它可以应用在雷达、声纳、无线通信等***中,其主要作用是接收特定方向的期望信号,并且削弱其它方向的干扰信号。在实际***中,期望信号的波达方向(Direction Of Arrival,DOA)是已知的,但该角度必然存在一定误差。Frost算法是自适应波束合成的传统基本算法。对于一个期望信号为大动态输入的应用,在期望信号功率较小时,这种DOA误差对Frost算法没有影响。但是,如果期望信号自身功率比较大,DOA误差导致Frost算法产生“自零陷”问题,即期望信号被视为干扰信号而遭到抑制。此时,阵列方向图在期望信号方向上产生零陷,自适应波束合成算法失效。现在针对该问题,虽然存在各种稳健的自适应滤波算法加以解决,比如对角加载算法,导数约束算法,凸集优化算法等,但这些算法计算过程相当复杂,无法在工程上得以应用。针对期望信号DOA误差只有在大信号功率时有影响的特点,采用对方向图进行检测判断,如果产生“自零陷”,则采用相控阵加权,从而可以解决该问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是:在期望信号具有大动态时,由于期望信号DOA存在误差,大功率输入的期望信号导致Frost自适应波束合成算法失效,已有稳健波束合成算法由于计算复杂,工程上难以实现。
本发明为一种大动态期望信号下的波束合成方法,其实现步骤是:
第一步,对N个阵元构成的均匀线阵,阵元间距d为半个波长λ/2,第k时刻阵列的接收信号可以表示为 N为自然数,k=1,......;
第二步,对第k时刻接收到的信号x(k)进行正交变换,将实信号变成相应的解析信号
第三步,根据解析信号和已知期望信号波达方向的参考值按Frost算法计算权矢量wf:
(1)计算参考角度的方向矢量 并确定步长μ;
(2)计算N×N维矩阵P=I-v0(v0 Hv0)-1v0 H,I是N×N维单位矩阵;
(3)计算N维列向量
(4)取变量m=1,权矢量初值wf(1)=wq;
(5)计算第m次输出符号H表示共轭转置;
(6)更新权矢量
(7)令m=m+1,重复执行上述(5)—(7)步,直到权矢量wf收敛为止,此时m=K;
第四步,计算此时阵列方向图为
第五步,设置角度偏移常数△θ,估计方向图上参考角度对应的导数
第六步,设置门限值α0,若α的绝对值大于门限α0,则表示在期望方向附近的方向图有零陷,选择矢量wq作为最后的波束合成权矢量,即we=wq;否则,使用Frost算法得到的权矢量wf(K)作为最后的波束合成权矢量,即we=wf(K);
第七步,阵列波束合成输出此时k=K+1,K+2,......。
本发明的有益效果是:新方法首先采用传统Frost自适应波束合成算法获得阵列方向图,根据方向图判断期望信号方向是否产生零陷,如果产生,说明期望信号功率较大,此时波束合成采用相控阵加权方式,如果没有产生零陷,波束合成采用传统Frost算法计算的权矢量。相比于各种复杂稳健波束合成算法,本发明方法实现简单,满足工程应用的需求。
附图说明
图1为均匀线阵下阵列的示意图;
图2为波束合成结构框图;
图3为本发明方法的流程图;
图4为大功率期望信号下Frost算法的方向图;
具体实施方法
一种大动态期望信号下的波束合成方法,该方法首先采用传统自适应波束合成中的Frost算法计算权矢量wf,然后对此时期望信号方向的阵列方向图进行分析判断。如果方向图在期望信号方向上出现零陷,说明信号功率强,此时采用相控阵权矢量wq作为波束合成权矢量we。虽然,相控阵权矢量wq无法对干扰信号进行完全抑制,但是,通过阵列旁瓣衰减,阵列输出是可以达到工程要求的。如果没有出现零陷,说明Frost算法是有效的,Frost算法生成的权矢量wf作为波束合成权矢量we。
图1为均匀线阵下阵列的示意图。阵列由N个相同的阵元构成,阵元间距d为半个波长λ/2。空间有一个期望信号,波达方向(Direction of Arrival,DOA)为θ0,同时有J个干扰信号,波达方向DOA分别为θj,j=1,2,…,J,每个DOA位于区间J<N-1。在***阵列为N阵元构成的均匀线阵中,设置第一个阵元为参考阵元,位于坐标原点,则第j个信号到达该点时为sj(t)。第k时刻阵列的接收信号可以表示为 其中第一个阵元收到得信号可以表示为n1(k)为第一个阵元接收的噪声信号,则第l个阵元接收信号为τl为第l个阵元接收到的信号相对于第一个阵元接收到的信号的延时,nl(k)为第l个阵元接收的噪声信号。
图2为波束合成的结构框图,根据奈奎斯特采样定理,天线阵列接收的实信号x(t)经采样得到数字实信号x(k),实信号x(k)经过正交变换变为解析信号解析信号与权矢量we(k)加权求和,得到阵列输出权矢量生成模块确定波束合成权矢量we(k)是采用相控阵权矢量wq还是Frost算法权矢量wf。
图3为本发明方法的流程示意图,具体方法分为七个步骤:
第一步,对N个阵元构成的均匀线阵,阵元间距d为半个波长λ/2,第k时刻阵列接收的信号可以表示为 N为自然数,k=1,......;
第二步,对第k时刻接收到的信号x(k)进行正交变换,将实信号变成相应的解析信号
第三步,根据解析信号和已知期望信号波达方向的参考值按Frost算法计算权矢量wf:
(1)计算参考角度的方向矢量 并确定步长μ;
(2)计算N×N维矩阵P=I-v0(v0 Hv0)-1v0 H,I是N×N维单位矩阵;
(3)计算N维列向量
(4)取变量m=1,权矢量初值wf(1)=wq;
(5)计算第m次输出符号H表示共轭转置;
(6)更新权矢量
(7)令m=m+1,重复执行上述(5)—(7)步,直到权矢量wf收敛为止,此时m=K;
第四步,计算此时阵列方向图为
第五步,设置角度偏移常数△θ,估计方向图上参考角度对应的导数
第六步,设置门限值α0,若α的绝对值大于门限α0,则表示在期望方向附近的方向图有零陷,选择矢量wq作为最后的波束合成权矢量,即we=wq;否则,使用Frost算法得到的权矢量wf(K)作为最后的波束合成权矢量,即we=wf(K);
第七步,阵列波束合成输出此时k=K+1,K+2,......。
图4为大功率期望信号下Frost算法的方向图,用于说明“自零陷”的含义,其中期望信号的实际DOA为35°,***已知的期望信号参考DOA为30°。按照Frost算法计算权矢量,并得到方向图。
本发明的有益效果是:新方法首先采用传统Frost自适应波束合成算法获得阵列方向图,根据方向图判断期望信号方向是否产生零陷,如果产生,说明期望信号功率较大,出现“自零陷”现象,此时波束合成采用相控阵加权方式,如果没有产生零陷,波束合成采用传统Frost算法计算的权矢量。本发明方法不仅克服了“自零陷”问题,而且,相比于各种复杂稳健波束合成算法,该方法实现简单,满足工程应用的需求。本发明可以应用于雷达、通信等领域的无线接收机中。
Claims (1)
1.一种大动态期望信号下的波束合成方法,其实现步骤是:
第一步,对N个阵元构成的均匀线阵,阵元间距d为半个波长λ/2,第k时刻阵列的接收信号可以表示为 N为自然数,k=1,......;
第二步,对第k时刻接收到的信号x(k)进行正交变换,将实信号变成相应的解析信号
第三步,根据解析信号和已知期望信号波达方向的参考角度按Frost算法计算权矢量wf:
(1)计算参考角度的方向矢量 并确定步长μ;
(2)计算N×N维矩阵P=I-v0(v0 Hv0)-1v0 H,I是N×N维单位矩阵;
(3)计算N维列向量
(4)取变量m=1,权矢量初值wf(1)=wq;
(5)计算第m次输出符号H表示共轭转置;
(6)更新权矢量
(7)令m=m+1,重复执行上述(5)—(7)步,直到权矢量wf收敛为止,此时m=K;
第四步,计算此时阵列方向图为
第五步,设置角度偏移常数△θ,估计方向图上参考角度对应的导数
第六步,设置门限值α0,若α的绝对值大于门限α0,则表示在期望方向附近的方向图有零陷,选择矢量wq作为最后的波束合成权矢量,即we=wq;否则,使用Frost算法得到的权矢量wf(K)作为最后的波束合成权矢量,即we=wf(K);
第七步,阵列波束合成输出此时k=K+1,K+2,......。
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一种自适应阵列天线波束赋形合成算法;曾浩;《信息技术》;20051231(第11期);62-65 * |
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