本發(fā)明屬于數(shù)字陣列雷達(dá)波束形成技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種低副瓣的穩(wěn)健自適應(yīng)波束形成方法。

背景技術(shù)：

自適應(yīng)波束形成技術(shù)在無線通信、雷達(dá)、聲吶、醫(yī)學(xué)成像、射電天文學(xué)等領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用。常規(guī)自適應(yīng)波束形成假設(shè)已知期望信號導(dǎo)向矢量的確切知識，但是實際中波束形成的性能被各種誤差影響，為修正偏差，穩(wěn)健自適應(yīng)波束形成技術(shù)應(yīng)運而生。

對于設(shè)計性能優(yōu)良的自適應(yīng)波束形成器，要考慮到穩(wěn)健性、副瓣電平控制以及干擾抑制三方面因素，因此會采用一些技術(shù)措施達(dá)到此目的。傳統(tǒng)的穩(wěn)健波束形成算法中，對角加載算法通過處理采樣數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣，使之更接近于理想的干擾加噪聲矩陣，也即在最小方差無畸變響應(yīng)(mvdr)波束形成器的目標(biāo)函數(shù)中添加一個正則項，能增強穩(wěn)健性，但這種方法缺乏嚴(yán)格的理論基礎(chǔ)來準(zhǔn)確的選擇最優(yōu)加載電平。基于特征空間的算法是在信號處理前先將假設(shè)的導(dǎo)向矢量投影到信號加干擾子空間中而不是直接使用失配的期望信號的導(dǎo)向矢量，雖然此種方法能提高穩(wěn)健性，但是在低信噪比時發(fā)生子空間纏繞從而大大降低了波束形成器的性能。傳統(tǒng)的基于最壞情況性能最優(yōu)穩(wěn)健自適應(yīng)波束形成算法需要對期望信號導(dǎo)向矢量的誤差進(jìn)行約束并選擇一個不確定集常數(shù)作為其上界，理論上此種方法歸類于對角加載算法，難以確定不確定集常數(shù)，而且現(xiàn)實中這種約束過于保守。

以上這些算法存在的共同問題是：自適應(yīng)波束形成不能在增強穩(wěn)健性的同時滿足低副瓣的要求。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種穩(wěn)健自適應(yīng)波束形成方法,不但穩(wěn)健性好，而且副瓣低。

實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為：

一種穩(wěn)健自適應(yīng)波束形成方法,其特征在于，包括如下步驟：

(10)信號采樣：對雷達(dá)陣列的接收信號以一定的快拍數(shù)進(jìn)行采樣；

(20)導(dǎo)向矢量修正：根據(jù)采樣數(shù)據(jù)，求取導(dǎo)向矢量之后修正導(dǎo)向矢量；

(30)權(quán)重矢量求取：根據(jù)協(xié)方差矩陣和修正后的導(dǎo)向矢量，以凸優(yōu)化方法求解添加副瓣約束的mvdr模型，得到模型權(quán)重矢量；

(40)自適應(yīng)權(quán)系數(shù)獲取：由模型權(quán)重矢量得到的方向圖判斷副瓣是否達(dá)到預(yù)期要求，如否，則增大快拍數(shù)，轉(zhuǎn)向(10)信號采樣步驟；如是，則將模型權(quán)重矢量確定為自適應(yīng)權(quán)系數(shù)；

(50)形成波束：將接收信號與所述自適應(yīng)權(quán)系數(shù)進(jìn)行乘積運算，得到自適應(yīng)波束。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點為：

1、穩(wěn)健性好：本發(fā)明添加副瓣約束的mvdr自適應(yīng)波束形成器模型，此模型為凸優(yōu)化模型，運用matlab的cvx工具箱對優(yōu)化模型進(jìn)行求解，得到最優(yōu)權(quán)重矢量。與已有的經(jīng)典算法相比，不但穩(wěn)健性較好，而且干擾抑制加深；

2、副瓣低：本發(fā)明通過使用陣列加權(quán)矢量作為自適應(yīng)波束設(shè)計的優(yōu)化變量，在原有的mvdr自適應(yīng)波束形成模型上添加副瓣約束條件，以此實現(xiàn)低副瓣的性能要求。

下面結(jié)合附圖和具體實施方式對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。

附圖說明

圖1為本發(fā)明穩(wěn)健自適應(yīng)波束形成方法的主流程圖。

圖2為圖1中修正導(dǎo)向矢量步驟的流程圖。

圖3為圖1中獲取自適應(yīng)權(quán)系數(shù)步驟的流程圖。

圖4為副瓣約束為-30db時，采用本發(fā)明方法得到的波束方向圖。

圖5為副瓣約束為-30db時，采用本發(fā)明方法時輸出sinr隨著doa誤差的變化圖。

具體實施方式

本發(fā)明的總體思想為：在mvdr波束形成器的基礎(chǔ)上，先利用迭代方法對期望信號導(dǎo)向矢量誤差進(jìn)行修正，得到修正后較為準(zhǔn)確的導(dǎo)向矢量，之后將其帶入到增加副瓣電平約束條件的mvdr波束形成器中，采用凸優(yōu)化方法求解滿足副瓣電平約束的全局最優(yōu)解，優(yōu)化出的輸出功率最大作為性能判斷依據(jù)，滿足約束條件下，得到最優(yōu)自適應(yīng)權(quán)系數(shù)。

如圖1所示，本發(fā)明穩(wěn)健自適應(yīng)波束形成方法,包括如下步驟：

(10)信號采樣：對雷達(dá)陣列的接收信號以一定的快拍數(shù)進(jìn)行采樣；

(20)導(dǎo)向矢量修正：根據(jù)采樣數(shù)據(jù)，求取導(dǎo)向矢量之后修正導(dǎo)向矢量；

根據(jù)采樣數(shù)據(jù)，求取導(dǎo)向矢量和修正導(dǎo)向矢量。求取導(dǎo)向矢量為現(xiàn)有技術(shù)，在此不詳細(xì)說明，現(xiàn)結(jié)合圖2具體說明修正導(dǎo)向矢量，其中為現(xiàn)有方法求取的導(dǎo)向矢量；e為修正的導(dǎo)向矢量誤差，e⊥為其正交分量；其中θ＝[θ1,θ2]為期望信號到達(dá)范圍，且假設(shè)干擾信號不在此空間區(qū)域，d(θ)表示從假設(shè)方向θ來的期望信號的導(dǎo)向矢量；u為c特征分解后的子空間，包含真實導(dǎo)向矢量，為其補子空間。

圖2給出了修正導(dǎo)向矢量的過程，具體操作步驟如下：

(21)求解優(yōu)化問題的解e⊥，優(yōu)化問題如下：

(22)更新導(dǎo)向矢量

(23)將?？s放為

(24)若更新導(dǎo)向矢量后的輸出功率大于更新前的輸出功率，則回到(21)繼續(xù)搜索；否則結(jié)束搜索跳到(25)；

(25)取倒數(shù)第二次更新的導(dǎo)向矢量為最終估計導(dǎo)向矢量。

(30)權(quán)重矢量求?。焊鶕?jù)協(xié)方差矩陣和修正后的導(dǎo)向矢量，以凸優(yōu)化方法求解添加副瓣約束的mvdr模型，得到模型權(quán)重矢量；

所述(30)權(quán)重矢量求取步驟具體為：

考慮陣列天線遠(yuǎn)場空間中的信號接收，期望信號與干擾之間、干擾與干擾之間互不相關(guān)。噪聲為零均值高斯白噪聲，并且噪聲與信號和干擾互不相關(guān)。

陣列是由n個陣元組成的理想均勻線陣，每個陣元均為各向同性天線，陣元間距為d；載波波長為λ，接收來波方向為θ的窄帶信號x(t)，關(guān)于接收信號的導(dǎo)向矢量為a(θ)＝[1,e^{-j2πdsinθ/λ},…,e^{-j2π(n-1)dsinθ/λ}]^t，陣列加權(quán)矢量為w＝[w1,w2,...wn]^t，則自適應(yīng)波束形成器的輸出為：y＝w^hx；陣列的方向圖函數(shù)為f(θ)＝w^ha(θ)。

以凸優(yōu)化方法求解如下添加副瓣約束的mvdr模型，得到權(quán)重矢量w，

minimizew^hrxw

subjecttow^has(θ)＝1θ為期望信號角度

|w^ha(θj)|²≤εθj∈θsl(j＝1，...,j)

θsl＝[-90°,θs1]∪[θs2,90°]

其中，w^hrxw為輸出功率，即目標(biāo)函數(shù)；rx為接收數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣，是正的半正定矩陣；as(θ)為修正后的指向期望信號角度θ的導(dǎo)向矢量；a(θj)為副瓣約束區(qū)域的導(dǎo)向矢量；[-90°,θs1]∪[θs2,90°]為副瓣約束區(qū)域；θj為在副瓣約束區(qū)域取的j個離散值；ε為副瓣衰減電平，用db表示。

實施例中，θs1＝-11°,θs2＝11°，j＝160，ε＝-30db。

(40)自適應(yīng)權(quán)系數(shù)獲取：由模型權(quán)重矢量得到的方向圖判斷副瓣是否達(dá)到預(yù)期要求，如否，則增大快拍數(shù)，轉(zhuǎn)向(10)信號采樣步驟；如是，則將模型權(quán)重矢量確定為自適應(yīng)權(quán)系數(shù)；

如圖3所示，所述(40)自適應(yīng)權(quán)系數(shù)獲取步驟包括：

(41)畫方向圖：根據(jù)權(quán)重矢量w，畫出方向圖；

(42)判斷副瓣質(zhì)量：根據(jù)方向圖判斷方向圖副瓣是否達(dá)到預(yù)期要求，如否，則增大快拍數(shù)，轉(zhuǎn)向(10)信號采樣步驟；

(43)確定自適應(yīng)權(quán)系數(shù)：方向圖副瓣達(dá)到預(yù)期要求時，將權(quán)重矢量確定為自適應(yīng)權(quán)系數(shù)。

(50)形成波束：將接收信號與所述自適應(yīng)權(quán)系數(shù)進(jìn)行乘積運算，得到自適應(yīng)波束。

圖4為副瓣約束為-30db時，設(shè)計出的波束方向圖，真實doa為0°，角度偏差為3°，干擾角度為-20°和40°，由圖可知，本發(fā)明設(shè)計出的低副瓣穩(wěn)健自適應(yīng)數(shù)字波束形成方法，在導(dǎo)向矢量有角度偏差時，方向圖指向更接近于真實角度0°，且能很好地控制副瓣，干擾抑制明顯。

圖5為輸出sinr隨doa誤差的變化圖，由圖可知，當(dāng)doa有偏差時，輸出sinr基本不變，因此穩(wěn)健性較好。