基于非圓系數(shù)估計(jì)的寬線性波束形成算法研究.pdf

1、波束形成(Beamforming)技術(shù)是陣列信號(hào)處理領(lǐng)域中的一個(gè)重要研究方向，其利用空間多傳感器所組成傳感器陣列來(lái)對(duì)空間信號(hào)進(jìn)行發(fā)射或接收，廣泛應(yīng)用于雷達(dá)，聲吶，無(wú)線通信等領(lǐng)域。傳統(tǒng)的波束形成技術(shù)假設(shè)信號(hào)是圓的、平穩(wěn)的，僅僅利用了觀測(cè)矢量的協(xié)方差矩陣，然而在通信領(lǐng)域大量的人工調(diào)制信號(hào)都是非圓的、非平穩(wěn)的，不僅存在協(xié)方差矩陣而且存在偽協(xié)方差矩陣。基于圓信號(hào)假設(shè)下的波束形成技術(shù)雖然可以應(yīng)用于非圓信號(hào)，但是其性能并不能達(dá)到最優(yōu)。近些年現(xiàn)代信號(hào)

2、處理領(lǐng)域中同時(shí)利用觀測(cè)矢量及其共軛的寬線性(WL:Widely Linear)技術(shù)的不斷發(fā)展促使研究者們重新審視針對(duì)非圓信號(hào)的波束形成問(wèn)題。寬線性波束形成技術(shù)通過(guò)分析信號(hào)的非圓性，同時(shí)利用了觀測(cè)矢量的協(xié)方差矩陣和偽協(xié)方差矩陣，相應(yīng)地一系列寬線性波束形成方法也陸續(xù)出現(xiàn)。
　　本文在對(duì)寬線性波束形成技術(shù)進(jìn)行概述的基礎(chǔ)上，針對(duì)寬線性波束形成技術(shù)發(fā)展中存在的關(guān)鍵問(wèn)題，開展基于非圓系數(shù)估計(jì)的寬線性波束形成算法研究。本研究工作的目的是在解決期

3、望信號(hào)非圓系數(shù)估計(jì)問(wèn)題的基礎(chǔ)上，針對(duì)不同場(chǎng)景提出相應(yīng)的寬線性波束形成算法。本論文研究工作的主要貢獻(xiàn)與創(chuàng)新點(diǎn)歸納如下:
　　1.針對(duì)最優(yōu)寬線性波束形成算法中非圓系數(shù)難以估計(jì)的問(wèn)題提出非圓系數(shù)估計(jì)算法，并得到了一個(gè)穩(wěn)健的對(duì)角加載權(quán)重矢量。我們研究使用最小功率無(wú)畸變(MPDR)準(zhǔn)則，將其轉(zhuǎn)化為一個(gè)參數(shù)估計(jì)問(wèn)題，通過(guò)求導(dǎo)得到初始估計(jì)后，分析干擾和噪聲對(duì)初始估計(jì)的影響，最后得到一個(gè)修正的估計(jì)值。在得到非圓系數(shù)估計(jì)后，使用對(duì)角加載技術(shù)減小估計(jì)

4、誤差對(duì)算法性能的影響。理論與仿真實(shí)驗(yàn)同時(shí)證明所提算法對(duì)非圓系數(shù)有比較好的估計(jì)性能，而且能有效地應(yīng)用于實(shí)際場(chǎng)景。
　　2.針對(duì)期望信號(hào)存在偏移頻率的情況提出了頻移寬線性波束形成算法。由于存在偏移頻率的期望信號(hào)非圓系數(shù)隨觀測(cè)時(shí)間逐漸趨于零，共軛觀測(cè)矢量與觀測(cè)矢量中關(guān)于期望信號(hào)的相關(guān)信息是逐漸減少的。我們提出使用共軛循環(huán)觀測(cè)矢量代替共軛觀測(cè)矢量,其對(duì)應(yīng)的共軛循環(huán)相關(guān)系數(shù)代替非圓系數(shù)進(jìn)行寬線性波束形成。所提的算法在偏移頻率為零時(shí)，等價(jià)于最

5、優(yōu)寬線性波束形成算法，在偏移頻率不為零時(shí)，優(yōu)于最優(yōu)寬線性波束形成算法。此外針對(duì)期望信號(hào)是直線信號(hào)的情況，通過(guò)分析時(shí)間平均的非圓系數(shù)與偏移頻率的關(guān)系，提出了兩種估計(jì)偏移頻率的算法。
　　3.當(dāng)期望信號(hào)的偏移頻率與干擾的偏移頻率不同時(shí)，提出M階頻移寬線性波束形成算法。頻移寬線性波束形成算法僅利用了期望信號(hào)的共軛循環(huán)相關(guān)函數(shù)，當(dāng)期望信號(hào)的偏移頻率與干擾的偏移頻率不同時(shí)，考慮使用多個(gè)共軛循環(huán)相關(guān)觀測(cè)矢量，通過(guò)增加M個(gè)約束使其干擾在對(duì)應(yīng)于他

6、們自己的循環(huán)頻率上的輸出為零。所提算法是頻移寬線性波束形成算法的擴(kuò)展版本，不增加約束的零階算法對(duì)應(yīng)著頻移寬線性波束形成算法。當(dāng)期望信號(hào)的偏移頻率與干擾的偏移頻率不同時(shí)，所提算法優(yōu)于頻移寬線性波束形成算法。
　　4.針對(duì)期望信號(hào)存在導(dǎo)向矢量失配的情況，引入非圓系數(shù)空間譜，提出了基于非圓系數(shù)空間譜估計(jì)的穩(wěn)健寬線性波束形成算法。所提算法重構(gòu)了干擾加噪聲協(xié)方差矩陣和干擾加噪聲偽協(xié)方差矩陣，剔除了擴(kuò)展的協(xié)方差矩陣中的信號(hào)分量。在高信噪比和小