一种基于稀疏约束的雷达天线阵列稳健波束形成方法技术

本发明专利技术属于雷达阵列信号处理领域，公开了一种基于稀疏约束的雷达天线阵列稳健波束形成方法，包括：获取雷达天线阵列的L个接收信号，根据L个接收信号计算得到接收信号的协方差矩阵估计值假设的目标信号导向矢量为s，根据接收信号的协方差矩阵估计值以及假设的目标信号导向矢量s，得到目标信号导向矢量估计值根据接收信号的协方差矩阵估计值以及目标信号导向矢量估计值确定完备的干扰加信号子空间；根据完备的干扰加信号子空间构造雷达天线阵列输出端的最优自适应波束形成权矢量。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于雷达阵列信号处理领域，尤其涉及一种基于稀疏约束的雷达天线阵列稳健波束形成方法。
技术介绍
在雷达阵列信号处理中，波束形成技术主要应用于雷达、语音阵列信号、无线通信等领域。波束形成的主要内容是在保持期望信号方向增益恒定的同时能够自适应抑制其他方向的强干扰。传统的波束形成方法需要建立在期望信号导向矢量已知，以及接收信号协方差矩阵估计准确的基础上，但在实际中，期望信号导向矢量不匹配，接收信号中包含期望信号较强以及接收信号协方差矩阵估计不准确等，都会导致波束形成性能下降。因此，针对期望信号导向矢量不匹配情况下的稳健波束形成方法成为研究热点。目前较有效的稳健波束形成方法主要为对角加载技术，其对期望导向矢量不匹配、样本数量少等情况均具有较好的效果，但当接收信号中包含期望信号时，会导致性能下降。
技术实现思路
针对上述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种基于稀疏约束的雷达天线阵列稳健波束形成方法，不需要已知干扰个数，且计算复杂度低。为达到上述目的，本专利技术的实施例采用如下技术方案予以实现。一种基于稀疏约束的雷达天线阵列稳健波束形成方法，所述方法包括如下步骤：步骤1，获取雷达天线阵列的L个接收信号，根据所述L个接收信号计算得到接收信号的协方差矩阵估计值步骤2，假设的目标信号导向矢量为s，根据所述接收信号的协方差矩阵估计值以及所述假设的目标信号导向矢量s，得到目标信号导向矢量估计值步骤3，根据所述接收信号的协方差矩阵估计值以及所述目标信号导向矢量估计值确定完备的干扰加信号子空间；步骤4，根据所述完备的干扰加信号子空间构造雷达天线阵列输出端的最优自适应波束形成权矢量。本专利技术技术方案的特点和进一步的改进为：(1)步骤1具体为：获取雷达天线阵列第k时刻的接收信号x(k)，k＝1，2…L，从而得到雷达天线阵列的L个接收信号，进而得到接收信号的协方差矩阵估计值其中，X＝[x1，…，xi，…xL]为雷达天线阵列接收信号矩阵，xi为雷达天线阵列第i时刻的接收信号x(i)，1≤i≤L，L表示雷达天线阵列接收样本的个数，符号H表示共轭转置。(2)步骤2具体为：(2a)假设的目标信号导向矢量为s，根据所述接收信号的协方差矩阵估计值确定如下代价函数：s.t.sHe＝0，(s+e)HRI(s+e)≤sHRIs其中，RI为干扰协方差矩阵，e表示误差矢量，符号H表示共轭转置，上述代价函数求解在满足约束条件sHe＝0，(s+e)HRI(s+e)≤sHRIs，以及目标信号的输出功率最大时的最小误差矢量emin；(2b)从而目标信号导向矢量估计值(3)在步骤3中完备的干扰加信号子空间若采用基于EVD分解的干扰加信号子空间，则步骤3具体包括如下子步骤：(3a1)对所述接收信号的协方差矩阵估计值进行特征值分解，得到其中Λ＝diag(σ1，σ2，…，σN)为对角矩阵，σ1，σ2，…，σN为对应的特征值；U为单位酉矩阵，且其列向量为接收信号的协方差矩阵估计值的特征向量，与对角矩阵Λ中的特征值相对应，符号H表示共轭转置，N为雷达天线阵列的阵元数；(3b1)根据单位酉矩阵U，构造干扰加信号子空间E∶E＝U(：，1∶K)其中，K为干扰数目估计值，且K≥P，P为远场窄带干扰的个数，P＜N，U(：，1∶K)表示单位酉矩阵中的第1至第K列的所有行；(3c1)进而确定完备的干扰加信号子空间其中，s为假设的目标信号导向矢量，为目标信号导向矢量估计值。(4)在步骤3中完备的干扰加信号子空间若采用基于DOA估计的干扰加信号子空间，则步骤3具体包括如下子步骤：(3a2)确定接收信号源方位角的估计值其中，P为远场窄带干扰的个数，表示第j个远场窄带干扰的方位角估计值，j＝1，...，p；(3b2)根据所述接收信号源方位角的估计值θ，得到干扰阵列流形矩阵表示角度的阵列导向矢量；(3c2)进而确定完备的干扰加信号子空间其中，s为假设的目标信号导向矢量。(5)在步骤3中完备的干扰加信号子空间若采用基于Krylov空间的干扰加信号子空间，则步骤3具体包括如下子步骤：(3a3)根据假设的目标信号导向矢量为s和接收信号的协方差矩阵估计值确定Krylov空间(3b3)由于Krylov空间中的各个列向量是线性无关的，故Krylov空间满足：(3c3)进而确定完备的干扰加信号子空间其中，D表示Krylov空间的阶数，且D≤P+1，P为远场窄带干扰的个数，P＜N，N为雷达天线阵列的阵元数。(6)步骤4具体包括如下子步骤：(4a)由于雷达天线阵列输出端的自适应波束形成权矢量位于完备的干扰加信号子空间，采用所述完备的干扰加信号子空间构造雷达天线阵列输出端的自适应波束形成权矢量其中，β为组合矢量；(4b)根据最小方差无畸变准备，根据所述接收信号的协方差矩阵估计值以及所述目标信号导向矢量估计值得到如下优化表达式：(4c)对所述组合矢量β进行稀疏约束，得到改进的优化表达式：其中，表示组合矢量β的l1范数，正则化参数λ为的权值，λ越大，对β的稀疏性要求就越强，符号H表示共轭转置；(4d)求解上述改进的优化表达式，得到雷达天线阵列输出端的最优自适应波束形成权矢量。(7)所述组合矢量其中，UI是由干扰协方差矩阵RI的非零特征值对应的特征向量组成的N×P维的矩阵，ΛI为P×P维的对角矩阵，s为N×1维的假设的目标信号导向矢量，I为单位矩阵，符号H表示转置，上标-1表示求逆运算。本专利技术通过对最优自适应波束形成权矢量构成进行分析，发现最最优自适应波束形成权矢量仅位于干扰加信号子空间(interferenceplussignalsubspace，IPSS)中。由于一般雷达系统的系统自由度都要远大于需要抑制的干扰源数目，故只要求得目标信号导向矢量和干扰加信号子空间，然后求解一个组合矢量就可以得到雷达天线阵列输出端的最优自适应权矢量，而且有较低的计算复杂度。相对于传统的降秩方法，本专利技术不需要已知干扰的数目，而且本专利技术在多种常见的目标导向矢量不匹配情况下都是稳健的。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1是本专利技术实施例提供的一种基于稀疏约束的雷达天线阵列稳健波束形成方法的流程示意图；图2是本专利技术实施例提供的SINR随正则化参数变化曲线示意图；图3是本专利技术实施例提供的SINR随完备空间维度变化曲线示意图；图4是本专利技术实施例提供的输出SINR随输入SNR变化曲线示意图(理想情况)；图5是本专利技术实施例提供的SINR随样本变化曲线示意图(理想情况)；图6是本专利技术实施例提供的输出SINR随输入SNR变化曲线示意图(方向偏差)；图7是本专利技术实施例提供的输出SINR随样本变化曲线示意图(方向偏差)。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。在进行本专利技术技术方案的详细说明之前，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于稀疏约束的雷达天线阵列稳健波束形成方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：步骤1，获取雷达天线阵列的L个接收信号，根据所述L个接收信号计算得到接收信号的协方差矩阵估计值步骤2，假设的目标信号导向矢量为s，根据所述接收信号的协方差矩阵估计值以及所述假设的目标信号导向矢量s，得到目标信号导向矢量估计值步骤3，根据所述接收信号的协方差矩阵估计值以及所述目标信号导向矢量估计值确定完备的干扰加信号子空间；步骤4，根据所述完备的干扰加信号子空间构造雷达天线阵列输出端的最优自适应波束形成权矢量。

【技术特征摘要】
1.一种基于稀疏约束的雷达天线阵列稳健波束形成方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：步骤1，获取雷达天线阵列的L个接收信号，根据所述L个接收信号计算得到接收信号的协方差矩阵估计值步骤2，假设的目标信号导向矢量为s，根据所述接收信号的协方差矩阵估计值以及所述假设的目标信号导向矢量s，得到目标信号导向矢量估计值步骤3，根据所述接收信号的协方差矩阵估计值以及所述目标信号导向矢量估计值确定完备的干扰加信号子空间；步骤4，根据所述完备的干扰加信号子空间构造雷达天线阵列输出端的最优自适应波束形成权矢量。2.根据权利要求1所述的一种基于稀疏约束的雷达天线阵列稳健波束形成方法，其特征在于，步骤1具体为：获取雷达天线阵列第k时刻的接收信号x(k)，k＝1,2…L，从而得到雷达天线阵列的L个接收信号，进而计算得到接收信号的协方差矩阵估计值R^=1LΣi=1LxixiH=1LXXH]]>其中，X＝[x1,…,xi,…xL]为雷达天线阵列接收信号矩阵，xi为雷达天线阵列第i时刻的接收信号x(i)，1≤i≤L，L表示雷达天线阵列接收样本的个数，符号H表示共轭转置。3.根据权利要求1所述的一种基于稀疏约束的雷达天线阵列稳健波束形成方法，其特征在于，步骤2具体为：(2a)假设的目标信号导向矢量为s，根据所述接收信号的协方差矩阵估计值确定如下代价函数：mine(s+e)HR^-1(s+e)]]>s.t.sHe＝0,(s+e)HRI(s+e)≤sHRIs其中，RI为干扰协方差矩阵，e表示误差矢量，符号H表示共轭转置，上标-1表示求逆操作，上述代价函数求解在满足约束条件sHe＝0,(s+e)HRI(s+e)≤sHRIs，以及目标信号的输出功率最大时的最小误差矢量emin；(2b)从而目标信号导向矢量估计值4.根据权利要求1所述的一种基于稀疏约束的雷达天线阵列稳健波束形成方法，其特征在于，在步骤3中完备的干扰加信号子空间若采用基于EVD分解的干扰加信号子空间，则步骤3具体包括如下子步骤：(3a1)对所述接收信号的协方差矩阵估计值进行特征值分解，得到其中Λ＝diag(σ1,σ2,…,σN)为对角矩阵，σ1,σ2,…,σN为对应的特征值；U为单位酉矩阵，且其列向量为接收信号的协方差矩阵估计值的特征向量，与对角矩阵Λ中的特征值相对应，符号H表示共轭转置，N为雷达天线阵列的阵元数；(3b1)根据单位酉矩阵U，构造干扰加信号子空间E：E＝U(:,1:K)其中，K为干扰数目估计值，且K≥P，P为远场窄带干扰的个数，P<N，U(:,1:K)表示单位酉矩阵中的第1至第K列的所有行；(3c1)进而确定完备的干扰加信号子空间E‾=[E,s^,s]]]>其中，s为假设的目标信号导向矢量，为目标信号导向矢量估计值。5.根据权利要求1所述的一种基于稀疏约束的雷达天...

【专利技术属性】
技术研发人员：冯大政，杨凡，崔思玉，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61