一种适用于运动接收平台的稳健自适应波束形成方法

本发明属于阵列信号处理领域，公开了一种适用于运动接收平台的稳健自适应波束形成方法，用于提高运动接收阵列平台的输出性能，保证阵列系统对空间中相对运动信号源的有效处理。

背景技术：

1、自适应波束形成技术作为电磁频谱战的核心技术之一，其技术的发展意义重大。传统自适应波束形成器通过空域滤波的功能，用于提高信号接收或发送系统的性能，由于其在干扰抑制、空域分集、阵列高增益等优异的表现，被广泛应用于雷达、声呐、射电天文、甚至是医学成像等关乎国家命脉的领域中。

2、自适应波束形成器，可以在期望信号方向形成指向性极强的主波束，在干扰信号源方向形成窄零陷用于对其高性能抑制。但当阵列发生抖动、干扰源为运动干扰源时，致使干扰与阵列发生相对运动情况，干扰溢出零陷位置，导致自适应波束形成器无法有效对其进行抑制，输出性能急剧下降。现有大部分解决方案集中在对零陷展宽的研究，通过构造一个宽零陷为干扰的相对运动问题提供一定的容错性，只要使干扰一直位于零陷区间内，便能对干扰信号进行有效抑制，从而保证自适应阵列的输出性能，该解决方案对于运动干扰问题十分有效，但并没有考虑接收阵列运动这一情况。

3、当接收阵列发生运动时，空间中相对于接收阵列平台运动的不再仅仅是干扰信号源，期望信号也发生了相对运动情况，现有针对运动干扰问题的零陷展宽算法虽然具有很好的干扰抑制能力，但运动期望信号偏离主瓣最高增益值位置会导致期望信号无法高效接收，致使自适应波束形成器输出性能发生下降。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种适用于运动接收平台的稳健自适应波束形成方法，以解决因接收阵列平台运动导致的期望信号偏离、干扰信号溢出零陷的问题。为解决上述技术问题，本发明提出了一种既能将零陷展宽，又能对主瓣有效接收区域扩大的稳健自适应波束形成算法。

2、一种适用于运动接收平台的稳健自适应波束形成方法，包括如下步骤：

3、步骤1：利用阵元数为n的均匀直线阵的接收数据构造接收信号协方差矩阵rx，将rx特征分解得到特征值λk和特征向量矩阵u；

4、步骤2：对到达阵列系统的一个期望信号和m个干扰信号源进行波达方向估计，并对信号源运动趋势进行预估计；

5、步骤3：通过对rx小特征值加和求平均的方式估计噪声功率然后对各方位干扰信号源的功率进行预估计；

6、步骤4：基于上述步骤得到的信号源功率及阵列导向矢量，构建包含零陷展宽信息的干扰加噪声协方差矩阵；

7、步骤5：基于重构后的干扰加噪声协方差矩阵，对波束图主瓣进行幅度约束；

8、步骤6：结合含有零陷展宽信息的干扰加噪声协方差矩阵，将上述问题转化为凸优化问题，求解凸优化问题，得到最优加权矢量。

9、进一步的，接收信号协方差矩阵rx特征分解具体如下：

10、

11、其中，k为快拍数，u为特征向量矩阵，σ＝diag{λ1…λk…λn}为特征值对角矩阵，(·)h表示求矩阵的共轭转置。

12、进一步的，通过对rx小特征值加和求平均的方式估计噪声功率进，具体如下：

13、

14、其中，m为干扰源信号数目，n为阵列阵元数，λk表示rx特征分解后的特征值。

15、进一步的，对各方位干扰信号源的功率进行预估计，具体如下：

16、

17、其中，ph表示第h个干扰源的功率估计值，a(θ)表示阵列系统在方位θ处的阵列导向矢量，θh表示第h个干扰方位零陷展宽区域，表示区间θh内的第m个角度值。

18、进一步的，构建包含零陷展宽信息的干扰加噪声协方差矩阵具体如下：

19、

20、其中，δθ为角度间隔。

21、进一步的，步骤5：基于重构后的干扰加噪声协方差矩阵，对波束图主瓣进行幅度约束，具体如下：

22、

23、其中，w为加权矢量，θ0为主瓣展宽区间，vup和vlow分别为幅度约束上限和下限，通过以上约束展宽有效接收信号区域。

24、进一步的，转化后的凸优化问题具体如下：

25、

26、

27、w≥0

28、其中，tr{·}为求矩阵的迹，|·|表示求绝对值。

29、进一步的，所述步骤2中提到的运动趋势估计中，接收阵列平台运动方向已知，可通过对快拍数据分块处理后的测向关联判断信号源的相对移动方向。

30、进一步的，所述步骤5中幅度约束上限和下限可用公式和进行表示，其中udb为波纹值。

31、进一步的，所述的波纹值udb取0.5。

32、本发明的优势和创新点在于：

33、1)针对接收阵列平台运动或抖动，致使期望信号来波发生相对偏移、干扰来波溢出零陷的问题，本发明通过在干扰源位置插入虚拟干扰源的方式展宽零陷，通过幅值约束对主瓣有效接收期望信号的区域进行展宽，从而达到对空间中相对运动信号源的有效处理，保障阵列系统的高输出性能；

34、2)由于接收阵列系统的运动方向可知，可以推测出空间中信号源的相对运动方向，也可通过块快拍信号处理的方式监测信号源的运动趋势。在得到以上信息的基础上，可以灵活控制自适应阵列的展宽区间和展宽方向，从而对阵列自由度的合理利用，避免在阵列系统工作中对自由度的浪费。

技术特征：

1.一种适用于运动接收平台的稳健自适应波束形成方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种适用于运动接收平台的稳健自适应波束形成方法，其特征在于，接收信号协方差矩阵rx特征分解具体如下：

3.根据权利要求2所述的一种适用于运动接收平台的稳健自适应波束形成方法，其特征在于，通过对rx小特征值加和求平均的方式估计噪声功率进，具体如下：

4.根据权利要求1所述的一种适用于运动接收平台的稳健自适应波束形成方法，其特征在于，对各方位干扰信号源的功率进行预估计，具体如下：

5.根据权利要求4所述的一种适用于运动接收平台的稳健自适应波束形成方法，其特征在于，构建包含零陷展宽信息的干扰加噪声协方差矩阵具体如下：

6.根据权利要求5所述的一种适用于运动接收平台的稳健自适应波束形成方法，其特征在于，步骤5基于重构后的干扰加噪声协方差矩阵，对波束图主瓣进行幅度约束，具体如下：

7.根据权利要求6所述的一种适用于运动接收平台的稳健自适应波束形成方法，其特征在于，转化后的凸优化问题具体如下：

8.根据权利要求1所述的一种适用于运动接收平台的稳健自适应波束形成方法，其特征在于，所述步骤2中提到的运动趋势估计中，接收阵列平台运动方向已知，可通过对快拍数据分块处理后的测向关联判断信号源的相对移动方向。

9.根据权利要求6所述的一种适用于运动接收平台的稳健自适应波束形成方法，其特征在于，所述步骤5中幅度约束上限和下限可用公式和进行表示，其中udb为波纹值。

10.根据权利要求9所述的一种适用于运动接收平台的稳健自适应波束形成方法，其特征在于，所述的波纹值udb取0.5。

技术总结本发明公开了一种适用于运动接收平台的稳健自适应波束形成方法。首先确定信号源大致方位及运动方向的趋势；估计干扰信号源的功率值；然后通过对干扰源区域插入虚拟干扰的方式及对角加载技术，构造含有零陷展宽信息的干扰加噪声协方差矩阵；构建期望信号主波束有效接收宽度，通过对波束图幅值响应进行约束达到主瓣有效接收区域的展宽。本发明在展宽了零陷宽度的同时，扩大了主瓣有效接收区域，为阵列系统对空域信号源的处理提供了较大的容错性，保证在阵列系统移动或晃动的过程中依然能够高性能提取期望信号，提高了自适应波束形成器在复杂电磁环境下的工作效能。技术研发人员：杨彬,钟华,王梦圆,黄建华受保护的技术使用者：杭州电子科技大学技术研发日：技术公布日：2024/8/5