自适应波束成形方法、装置及介质

本发明涉及一种基于干扰噪声协方差矩阵重构的自适应波束成形方法，属于阵列信号处理。

背景技术：

1、自适应波束成形技术是一种已广泛应用于雷达、唢呐、无线通信等领域的阵列信号处理技术。

2、因此，研究一种新的非接触式测量设备，使其能不受天气、温度和气压的影响，能够全天候工作，具有稳定的工作性能，同时需要确定一种具有普适性的表面流速探测方法，得到精确测速结果，具有重大实用价值。这是一种基于数据的波束形成方法，根据接收到的数据从而保留其中的期望信号并抑制干扰和噪声。最小方差无失真响应(minimumvariance distortionless response,mvdr)是最常见的自适应波束形成算法，该方法假设期望信号的来向角以及阵列结构精确已知，波束成形权重的计算只与期望信号导向矢量和干扰噪声协方差矩阵有关。该方法在理想情况下具有很好的性能，但是对期望信号导向矢量和协方差矩阵失配十分敏感。由于实际接收信号中包含期望信号以及干扰和噪声的信息，干扰噪声协方差矩阵无法精确得到，该方法性能会急剧下降。因此，鲁棒自适应波束成形技术收到广泛讨论。

3、一般而言，鲁棒自适应波束成形技术可以分为三类：对角加载技术，特征空间分解技术和协方差矩阵重构技术。其中对角加载技术被广泛使用，其通过在协方差矩阵上添加一个对角加载因子矩阵，使算法具有很好的鲁棒性，但是如何选取对角加载因子是一个难题，目前并没有很好的解决办法。特征空间分解技术利用信号导向矢量和噪声子空间之前的正交性，来修正期望信号导向矢量或者求解干扰噪声协方差矩阵。然后，该方法在低信噪比时性能较差。协方差矩阵重构技术是一种新的技术，通过将期望信号成分从接收信号中分离，重构得到干扰噪声协方差矩阵，从而得到高鲁棒性的波束形成器。常见的协方差矩阵重构技术基于对于信号空间谱的积分操作，导致算法复杂度较大，并且重构精度有限，在实际应用中受制约性较大。

4、综合考虑现存的波束形成算法，主要面临一下几个问题：

5、1.由于接收信号中同时包含期望信号、干扰信号和噪声的信息，无法很好的将三者分离开，大大限制了波束形成算法的性能；

6、2.复杂度较低的对角加载技术存在难以选取对角加载因子的问题，导致性能不佳；性能较好的协方差矩阵重构技术，普遍复杂度很高，现有方法无法实现复杂度和高性能之间的平衡；

7、3.由于天线阵列加工、以及射频通道间幅相不一致问题，导致真实信号导向矢量与理论值存在误差，降低了波束形成算法性能。

技术实现思路

1、本发明提出了一种新的基于干扰噪声协方差矩阵重构的波束形成方法、装置及存储介质，在较低复杂度的前提下，同时具有较高性能，能够很好的抑制干扰、保留期望信号。

2、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、本发明首先提供一种基于干扰噪声协方差矩阵重构的自适应波束成形方法，包括如下步骤：

4、包括如下步骤：

5、步骤一、构建阵列天线的接收信号模型；根据接收信号模型，计算接收信号协方差矩阵；

6、步骤二、画出接收信号的capon空间谱，空间谱的峰值所处角度即为对应的干扰或者期望信号来向角的初步估计，并将所得角度±4°的范围，记作对应干扰或者期望信号角度区间，将所有干扰角度区间的合集记作干扰角度区间，所有期望角度区间的合集记作期望信号角度区间；

7、步骤三、依据步骤二中得到的期望信号来向角的初步估计，构造一个期望信号子空间矩阵；对构建的期望信号子空间矩阵进行求逆，得到期望信号正交子空间；

8、步骤四、将步骤一计算的接收信号协方差矩阵对步骤三中得到的期望信号正交子空间投影，得到去除接收信号协方差矩阵中的期望信号成分的近似矩阵；

9、步骤五、依据步骤四得到的近似矩阵，结合capon空间谱对干扰噪声协方差矩阵进行重构；

10、步骤六、基于步骤五重构的干扰噪声协方差矩阵，计算得到波束成形算法权重。

11、步骤一所述阵列天线，在第t个快拍时的接收信号模型为：

12、

13、其中，x为阵列天线接收信号矢量，θ0为期望信号真实角度，θp为第p个干扰的真实角度，a(θ0)代表角度θ0对应的导向矢量，xn是噪声信号矢量。则t个快拍的接收信号协方差矩阵可以记作：

14、

15、步骤三所述具体实现方法为：构建似然矩阵

16、

17、其中，α＝10000为一个常数，为步骤二中检测得到的期望信号初步估计角度，im为大小为m×m的单位矩阵，μj和pj分别是矩阵c特征值分解后得到的第j个特征值和特征向量。从而得到投影矩阵：

18、b＝im-p1p1h

19、步骤四的具体实现方案为：近似矩阵计算表达式为：

20、

21、其中，σn2为噪声功率。

22、步骤五中的具体实现方案为：基于capon的干扰噪声协方差矩阵重构方法为：

23、

24、其中，φi＝[θa,θb]为步骤二中计算得到的干扰信号区间，θa是区间下界，θb是区间上界。使用三阶高斯勒让德级数法近似其中的积分运算，则重构的干扰噪声协方差矩阵可以表示为

25、

26、其中，l0、l1和l2是积分节点。

27、步骤六基于步骤五重构的干扰噪声协方差矩阵，计算得到波束成形算法权重，包括：

28、基于最大化输出信干噪比准则，构造一个二次约束二次规划问题，求解二次约束二次规划问题求得误差向量，从而修正期望信号导向适量

29、

30、其中，e是误差导向矢量，表示真实期望信号导向矢量与测量期望信号导向矢量之间的误差。上述问题是一个二次约束二元方差，可以使用一些工具求解。

31、结合修正的导向矢量和步骤五中重构的协方差矩阵，得到最终的波束形成权重：

32、

33、其中，wprop为最终的波束形成权；为修正后得到的期望信号导向矢量，

34、

35、本发明还提供一种波束成形装置，包括处理器和存储器；所述存储器中存储有程序或指令，所述程序或指令由所述处理器加载并执行以实现所述基于干扰噪声协方差矩阵重构的波束成形方法的步骤。

36、本发明还提供一种计算机可读存储介质，所述可读存储介质上存储程序或指令，所述程序或指令被处理器执行时实现所述基于干扰噪声协方差矩阵重构的波束成形方法的步骤。

37、本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

38、1)本发明通过构造期望信号正交子空间，很好的将期望信号和干扰信号进行了分离，提高了干扰噪声协方差矩阵的重构精度；

39、2)本发明利用高斯-勒让德级数，将复杂的积分问题转化为少量的加法运算，大大降低了算法的复杂度，同时保证了干扰噪声协方差矩阵的重构精度；

40、3)本发明利用最大化输出信干噪比检测期望信号导向适量，大大提高了算法的鲁棒性和性能。