一種基于改進(jìn)的混合入侵雜草算法陣列天線波束合成方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種基于改進(jìn)的混合入侵雜草算法陣列天線波束合成方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 現(xiàn)代通信面臨各種新問題和新挑戰(zhàn)，陣列天線作為新興起的事物，引起了廣泛的 關(guān)注。陣列天線波束合成作為陣列天線里面重要的方面，幫助天線增強(qiáng)期望信號(hào)，抑制干擾 和噪聲，由此得到更高的信噪比輸出。為了達(dá)到這個(gè)目的，自適應(yīng)波束合成需要計(jì)算各個(gè) 天線的權(quán)矢量，并對(duì)陣列天線分別進(jìn)行加權(quán)，然后對(duì)各個(gè)天線的輸出進(jìn)行求和，使陣列天線 輻射主瓣對(duì)準(zhǔn)期望信號(hào)，在干擾信號(hào)方向產(chǎn)生零陷。實(shí)際中，信號(hào)的來波方向是處于變化 中的，因此自適應(yīng)波束合成需要快速收斂。又因?yàn)楹铣刹ㄊ闹靼昃_對(duì)準(zhǔn)期望信號(hào)，零陷 更好對(duì)準(zhǔn)干擾信號(hào)有利于提高輸出信號(hào)的信噪比，所以系統(tǒng)要求合成算法具有很高的精確 度。
[0003] 陣列天線波束合成方法很多，例如遞歸最小二乘波束合成（RLS)或最小均方算法 (LMS)，依照預(yù)測(cè)誤差來遞推并更新系數(shù)，構(gòu)造成線性濾波器進(jìn)行卷積濾波，從而得到最小 二乘輸出。但是此波束合成方法需要反復(fù)迭代，因此實(shí)時(shí)性較差。廣義旁瓣相消波束合成 (GSC)，波束合成方法可以降低計(jì)算維度，適當(dāng)加快天線處理實(shí)時(shí)性。但是該波束合成在處 理多維度或者不可微目標(biāo)函數(shù)時(shí)容易陷入局部最優(yōu)解。特征子空間波束合成（ESB)，該算法 求出信號(hào)子空間和噪聲子空間，將期望信號(hào)導(dǎo)向矢量投影到信號(hào)子空間以減少噪聲特征值 波動(dòng)所引起的誤差。但本波束合成方法在低信噪比和高維度時(shí)不適用，并且特征值分解給 信號(hào)處理帶來了很大計(jì)算量。自適應(yīng)對(duì)角加載波束合成（ADL)，該算法在采樣協(xié)方差矩陣基 礎(chǔ)上加載一個(gè)對(duì)角陣，以減小噪聲子空間特征值的分散程度，從而增加了系統(tǒng)對(duì)期望信號(hào) 估計(jì)誤差的影響。但是波束合成方法加載量的確定一直是一個(gè)難題。將優(yōu)化算法應(yīng)用于陣 列天線波束合成，產(chǎn)生了優(yōu)良的性能。2014年，劉燕在西安電子科技大學(xué)可以大學(xué)學(xué)報(bào)發(fā)表 一篇名為[入侵雜草優(yōu)化算法用于陣列天線方位圖綜合]文章。將種子分發(fā)方差根據(jù)其適 應(yīng)度值而變化。這樣，盡管在后期適應(yīng)度值較低的種群仍然會(huì)產(chǎn)生較大的方差，因此算法仍 然具備全局搜索能力。并且由此產(chǎn)生的新算法收斂速度較先前有所提高。將新算法應(yīng)用于 陣列天線方位圖綜合中，產(chǎn)生較好的性能。本文基于陣列天線波束合成要求輸出信號(hào)具有 較高信干噪比，并且波束合成方法具有較高的實(shí)時(shí)性的問題，我們提出基于該進(jìn)的雜草算 法（IWO)波束合成方法。雜草算法（IWO)自提出很快就應(yīng)用在陣列天線波束合成，至今已 在諸多領(lǐng)域得到應(yīng)用并且已有很多改進(jìn)算法。綜上，陣列天線波束合成要求系統(tǒng)具有較強(qiáng) 的穩(wěn)健性和自適應(yīng)性，并且能夠較迅速得收斂到問題最優(yōu)解。目前很多波束合成方法已經(jīng) 提出，可是波束合成方法在提高收斂速度的同時(shí)嚴(yán)重影響了陣列天線的輸出精度，輻射主 瓣和零陷位置產(chǎn)生了嚴(yán)重偏差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于提供一種一種能夠在保證收斂精度的前提下，提高收斂速度的 基于改進(jìn)的混合入侵雜草算法陣列天線波束合成方法。
[0005] 本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的：
[0006] (1)陣列天線接收空間信號(hào)：
[0007] 應(yīng)用多根天線組成固定的空間分布，對(duì)空間信號(hào)進(jìn)行接收，多根天線接收空間信 號(hào)可以有效提高期望信號(hào)功率，并且增加天線分辨率；
[0008] (2)計(jì)算各天線權(quán)矢量，對(duì)各自天線進(jìn)行加權(quán)：
[0009] 應(yīng)用雜草算法基于最大信噪比準(zhǔn)則，計(jì)算各天線加權(quán)矢量，對(duì)各自天線進(jìn)行加 權(quán)：
[0010] (2. 1)根據(jù)陣列天線問題，定義適應(yīng)度函數(shù)即最大信干噪比：
[0011]
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于改進(jìn)的混合入侵雜草算法陣列天線波束合成方法，其特征在于，包括如下 步驟： (1) 陣列天線接收空間信號(hào)： 應(yīng)用多根天線組成固定的空間分布，對(duì)空間信號(hào)進(jìn)行接收，多根天線接收空間信號(hào)可 以有效提高期望信號(hào)功率，并且增加天線分辨率； (2) 計(jì)算各天線權(quán)矢量，對(duì)各自天線進(jìn)行加權(quán)： 應(yīng)用雜草算法基于最大信噪比準(zhǔn)則，計(jì)算各天線加權(quán)矢量，對(duì)各自天線進(jìn)行加權(quán)： (2. 1)根據(jù)陣列天線問題，定義適應(yīng)度函數(shù)即最大信干噪比：
f為適應(yīng)度值，SINR為天線輸出信噪比，Rs為期望信號(hào)的協(xié)方差矩陣，R i+n為干擾加噪 聲的協(xié)方差矩陣，H為對(duì)矩陣共軛轉(zhuǎn)置，w = [Wl，w2, ...，wM]H為權(quán)矢量，H為矩陣的共軛轉(zhuǎn) 置； (2. 2)初始化種群：在D維空間隨機(jī)產(chǎn)生一組初始解，在D維空間隨機(jī)產(chǎn)生每個(gè)權(quán)矢量 的初始值； (2. 3)生長繁殖：根據(jù)個(gè)體適應(yīng)性，計(jì)算每個(gè)個(gè)體產(chǎn)生種子數(shù)：
和fmin分別為該代進(jìn)化中最大、最小適應(yīng)度值，s _和s min分別為可產(chǎn)生的最大種子 數(shù)和最小種子數(shù)，f (Xi)為第i個(gè)雜草的適應(yīng)度值，F(xiàn)fl_(x)函數(shù)表示向下取整； (2. 4)空間擴(kuò)散：子代種子在父代雜草以正態(tài)分布形式（Ntl, σ2)分散，σ為標(biāo)準(zhǔn)差，種 子分發(fā)方差為：
X為種子適應(yīng)度值，iter為算法迭代次數(shù)，Uermiddle為迭代穩(wěn)定時(shí)所需迭代次數(shù)， Uermax為最大迭代次數(shù)，σ initialS種子初始分發(fā)方差，σ final為種子最終分發(fā)方差，按S函 數(shù)進(jìn)化穩(wěn)定的迭代次數(shù)即為Uermiddle; (2. 5)競(jìng)爭(zhēng)排除：子代與父代按照適應(yīng)度排序，當(dāng)種群超過最大值Pmax時(shí)，淘汰適應(yīng)度 低的個(gè)體； (3) 對(duì)各天線輸出加和求得輸出值：天線輸出為各個(gè)天線加權(quán)后求得輸出值的加和。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于改進(jìn)的混合入侵雜草算法陣列天線波束合成方法。本發(fā)明包括陣列天線接收空間信號(hào)：計(jì)算各天線權(quán)矢量，對(duì)各自天線進(jìn)行加權(quán)；對(duì)各天線輸出加和求得輸出值：天線輸出為各個(gè)天線加權(quán)后求得輸出值的加和。本發(fā)明與傳統(tǒng)雜草入侵波束合成相比主要優(yōu)勢(shì)如下：本發(fā)明相比傳統(tǒng)的雜草入侵波束合成收斂速度快；本發(fā)明的技術(shù)相比能夠比傳統(tǒng)的雜草入侵波束合成較少陷入局部最優(yōu)的風(fēng)險(xiǎn)本發(fā)明的技術(shù)可以適用于實(shí)時(shí)性要求較高的系統(tǒng)。
【IPC分類】H04B7-04, H04W16-28
【公開號(hào)】CN104539331
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510009778
【發(fā)明人】黃平, 李宇鵬, 詹洋燕, 陳曉園, 楊勁松
【申請(qǐng)人】哈爾濱工程大學(xué)
【公開日】2015年4月22日
【申請(qǐng)日】2015年1月9日