非理想條件下的自適應(yīng)波束形成算法研究.pdf

1、波束形成作為陣列信號(hào)處理領(lǐng)域的一個(gè)重要研究方向，其本質(zhì)是一種空域?yàn)V波技術(shù)。它通過(guò)調(diào)整陣列權(quán)矢量對(duì)某一特定方向信號(hào)進(jìn)行接收，達(dá)到增強(qiáng)期望信號(hào)、抑制干擾和噪聲的目的。它廣泛應(yīng)用于雷達(dá)、聲吶、無(wú)線通信、地震勘探、射電天文、醫(yī)學(xué)診斷和語(yǔ)音信號(hào)處理等信號(hào)處理領(lǐng)域。標(biāo)準(zhǔn)Capon波束形成器作為著名的自適應(yīng)波束形成器，具有優(yōu)異的空間分辨率和干擾抑制能力。然而，自適應(yīng)波束形成器對(duì)協(xié)方差矩陣誤差和期望信號(hào)導(dǎo)向矢量誤差特別敏感。在非理想條件下，傳統(tǒng)自適應(yīng)波

2、束形成器性能將會(huì)嚴(yán)重下降。近幾十年來(lái)，穩(wěn)健自適應(yīng)波束形成為了一個(gè)研究熱點(diǎn)，許多穩(wěn)健自適應(yīng)波束形成技術(shù)被提出。本文針對(duì)一些特定場(chǎng)景下的自適應(yīng)波束形成算法進(jìn)行了進(jìn)一步研究，并且提出了相應(yīng)的穩(wěn)健自適應(yīng)波束形成算法?，F(xiàn)將本文研究工作的主要貢獻(xiàn)和創(chuàng)新點(diǎn)概括如下:
　　1.針對(duì)傳統(tǒng)投影算法受限于信源個(gè)數(shù)信息以及在低信噪比條件下性能變差問(wèn)題，提出了基于投影矩陣估計(jì)的穩(wěn)健自適應(yīng)波束形成算法?；陬A(yù)知的信號(hào)角度區(qū)域信息，提出了一個(gè)判定信號(hào)子空間基矢

3、量的準(zhǔn)則。利用該準(zhǔn)則可以直接從樣本協(xié)方差矩陣特征矢量估計(jì)出信號(hào)子空間并得到相應(yīng)的投影矩陣。緊接著將名義導(dǎo)向矢量向信號(hào)子空間作投影來(lái)消除導(dǎo)向矢量誤差，提高自適應(yīng)波束形成器的穩(wěn)健性。該算法可以在未知信源數(shù)的前提下簡(jiǎn)單有效地重構(gòu)投影矩陣，并且在低信噪比條件下表現(xiàn)良好。
　　2.針對(duì)非理想條件下基于樣本協(xié)方差矩陣的自適應(yīng)波束形成算法容易引起期望信號(hào)“自消”問(wèn)題，提出了基于干擾加噪聲協(xié)方差矩陣重構(gòu)的穩(wěn)健自適應(yīng)波束形成算法。在未知準(zhǔn)確陣列信息

4、的條件下，首先基于導(dǎo)向矢量誤差特點(diǎn)，將全部干擾信號(hào)的導(dǎo)向矢量約束在干擾信號(hào)角度區(qū)間所對(duì)應(yīng)的圓環(huán)不確定集中，并且該圓環(huán)不確定集是一個(gè)以名義導(dǎo)向矢量函數(shù)為中心軸線的高維空間區(qū)域。其次提出利用Capon功率譜在該圓環(huán)表面上的積分來(lái)重構(gòu)干擾信號(hào)協(xié)方差矩陣，并通過(guò)離散取點(diǎn)求和獲得了近似解，而噪聲協(xié)方差矩陣通過(guò)樣本協(xié)方差矩陣的最小特征值估計(jì)得到。然后基于估計(jì)的干擾加噪聲協(xié)方差矩陣，利用二次約束二次規(guī)劃問(wèn)題估計(jì)期望信號(hào)的導(dǎo)向矢量。最后聯(lián)合估計(jì)的干擾加

5、噪聲協(xié)方差矩陣和期望信號(hào)導(dǎo)向矢量，基于最小方差無(wú)失真響應(yīng)準(zhǔn)則得到穩(wěn)健自適應(yīng)波束形成器。該穩(wěn)健自適應(yīng)波束形成器最大的優(yōu)勢(shì)是不僅對(duì)波達(dá)方向角度誤差有效，而且對(duì)各種未知的導(dǎo)向矢量誤差也是有效的。
　　3.針對(duì)基于最大化輸出功率的穩(wěn)健波束形成算法不能充分抑制干擾信號(hào)和噪聲問(wèn)題，提出了基于最小化波束形成器敏感度的穩(wěn)健自適應(yīng)波束形成算法。在非理想條件下，首先從期望信號(hào)協(xié)方差矩陣的角度提出了定義波束形成器敏感度的方法，該敏感度的定義更具有一般性

6、，并且在無(wú)干擾信號(hào)的條件下可以很好地衡量波束形成器性能。然后通過(guò)基于最小化該敏感度的優(yōu)化問(wèn)題來(lái)估計(jì)期望信號(hào)導(dǎo)向矢量，同時(shí)需要借助協(xié)方差矩陣重構(gòu)算法來(lái)估計(jì)期望信號(hào)協(xié)方差矩陣和干擾加噪聲協(xié)方差矩陣。最后基于最小方差無(wú)失真響應(yīng)準(zhǔn)則，聯(lián)合估計(jì)的干擾加噪聲協(xié)方差矩陣和期望信號(hào)導(dǎo)向矢量得到穩(wěn)健自適應(yīng)波束形成器。
　　4.針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)Capon波束形成器對(duì)陣列誤差極其敏感問(wèn)題，提出了基于非高斯非圓信號(hào)的穩(wěn)健自適應(yīng)波束形成算法。對(duì)于接收信號(hào)滿足非高斯