大规模数字阵列零陷展宽自适应波束形成方法技术

本发明专利技术提出了大规模数字阵列零陷展宽自适应波束形成方法，首先，根据阵列结构和所需的零陷宽度构造相位扰动加权矩阵，并对阵列接收数据矩阵进行相位扰动加权；然后，根据静态波束权重系数向量以及子阵划分矩阵构造子阵降维变换矩阵，对相位扰动加权后的输出进行子阵变换处理，得到子阵输出信号；最后，根据子阵划分和静态权重系数对子阵输出进行噪声功率归一化，对归一化后的输出进行常规自适应处理得到子阵自适应权重矢量，使用该权重矢量进行数字波束形成就可以得到自适应数字波束输出。本发明专利技术实现了大规模数字阵列针对快速机动干扰源的高效自适应零陷展宽空域抗干扰，在保证旁瓣干扰抑制的有效性和稳定性的同时大大降低了算法的复杂度。

【技术实现步骤摘要】
大规模数字阵列零陷展宽自适应波束形成方法
本专利技术属于阵列天线空域自适应抗干扰领域，具体为大规模数字阵列零陷展宽自适应波束形成方法。
技术介绍
自适应数字波束形成技术由于能够在空间干扰方向自适应地形成方向图零陷，可以有效抑制空间干扰和噪声，是现代雷达，声呐和移动通信等领域前沿技术。常规的自适应数字波束形成算法在干扰方向形成的零陷非常陡峭，只有当干扰严格落在零陷位置时才能被有效地抑制掉。但在实际应用中，由于系统平台的连续转动、干扰源的自身运动或干扰传播路径的非平稳等原因，干扰相对系统平台的角度会出现非平稳特性。这时，一旦用于计算自适应权重系数的训练数据和应用权值系数的数字波束形成数据出现失配，也就是零陷位置与干扰位置出现失配，干扰从尖锐的零陷处移出，会导致干扰信号不能得到有效抑制，自适应数字波束形成器的干扰抑制性能将严重下降。针对此问题，最直接的解决办法是缩短自适应权重系数的更新间隔。但受到运算量和处理器运算能力等实际条件的限制，无法过度提高权重系数的更新速度。零陷展宽类方法是解决此类非平稳干扰的有效途径，通过在所有干扰出现的角度形成宽零陷，提高干扰抑制的稳健性。零陷展宽可通过导数约束或协方差矩阵加权(CovarianceMatrixTaper,CMT)实现。CMT方法利用空间扩展信号的空间相关矩阵对接收信号协方差矩阵加权，得到增强的协方差矩阵，由此得到的权向量能加宽零陷。但CMT算法需要用到全阵的协方差矩阵，对于旁瓣对消、降维等部分自适应算法并不适用。而针对大规模数字阵列，受限于信号处理平台的计算能力或者成本约束，运算量极大的全阵自适应数字波束形成算法很难在体积和成本受限的硬件平台上实时实现。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提出了大规模数字阵列零陷展宽自适应波束形成方法，解决大规模数字阵列满阵自适应数字波束形成算法运算量大，对抗快速机动干扰稳健性差的问题。实现本专利技术的技术解决方案为：大规模数字阵列零陷展宽自适应波束形成方法，包括以下步骤：步骤1、根据阵列结构和所需的零陷宽度构造相位扰动加权矩阵E，并对阵列接收数据矩阵X进行相位扰动加权得到接收数据矩阵步骤2、根据静态波束权重矢量以及子阵划分矩阵构造子阵降维变换矩阵T，对相位扰动加权后的接收数据矩阵进行子阵变换处理，得到子阵输出矩阵Y；步骤3、根据子阵划分和静态权重矢量得到子阵输出归一化矩阵TL，对子阵输出矩阵Y进行噪声功率归一化得到矩阵利用矩阵数据采用线性约束最小方差自适应数字波束形成算法得到子阵自适应权矢量wsub，使用该权重矢量对未加扰接收数据的子阵输出矩阵Xsub进行数字波束形成得到最终波束后输出。优选地，步骤1根据阵列结构和所需的零陷宽度构造相位扰动加权矩阵E，并对阵列接收数据矩阵X进行相位扰动加权得到矩阵的具体步骤为：步骤1-1、首先构建随机的相位抖动向量Δu、Δv；根据所需的零陷宽度W构造服从均匀分布、且均值为0的随机序列Δu＝[Δu1,Δu2,…ΔuK]，Δv＝[Δv1,Δv2,…ΔvK]；其中，K为采样快拍数；步骤1-2、构建相位扰动加权矩阵E：根据阵列结构和工作波长得到扰动加权矩阵：其中x＝[x1,x2,…,xN]T、y＝[y1,y2,…,yN]T，xi,yii＝1,2,…,N分别对应第i个阵元位置的x轴坐标和y轴坐标；N为天线的阵元数量；表示克罗内克积；步骤1-3、获得阵列接收数据矩阵X进行相位扰动加权后的阵元数据矩阵维数N×K；其中，X为阵列接收数据矩阵，具体为：xik表示第i个阵元第k个快拍的采样数据；表示Hadamard乘积。优选地，步骤2根据静态波束权重矢量以及子阵划分矩阵构造子阵降维变换矩阵T，对相位扰动加权后的接收数据矩阵进行子阵变换处理，得到子阵输出矩阵Y具体方法为：步骤2-1、根据波束指向和期望方向图形状构造静态波束权重系数向量wq；wq＝[wq1,wq2,…,wqN]T其中，ai表示第i个阵元的幅度加权系数；λ表示工作波长；其中θ0,表示波束指向；步骤2-2、根据阵面形式以及需要抑制的干扰个数将阵列划分成M个子阵，对应的子阵划分矩阵为：其中，若第m个子阵中包含阵元i，则σmi＝1，反之，σmi＝0；步骤2-3、构造子阵降维变换矩阵T；其中，tmi＝σmi·wqi(m＝1,2,…,M；i＝1,2,…,N)。步骤2-4、利用子阵降维变换矩阵T，对相位扰动加权后的输出矩阵进行降维变换处理，得到M个子阵输出矩阵Y，维数M×K：优选地，步骤3的具体步骤为：步骤3-1、根据子阵划分和静态权重矢量构造子阵输出归一化矩阵TL：其中，步骤3-2、对子阵输出矩阵Y进行噪声功率归一化，得到归一化子阵输出矩阵步骤3-3、采用线性约束最小方差自适应数字波束形成算法计算子阵自适应权重系数矢量：其中，asub＝THal，al表示期望波束指向的导向性矢量：al＝[al1,al2,…,alN],其中xi,yi分别表示第i个阵元位置的x轴坐标和y轴坐标；θ0,表示波束指向；步骤3-4、利用步骤3-3中求得的权重矢量对未加扰接收数据的子阵输出矩阵Xsub进行波束形成得到自适应波束形成后数据：其中，Xsub＝THX。本专利技术与现有技术相比，其显著优点为：(1)本专利技术能够同时形成任意多个独立的自适应数字波束；(2)本专利技术通过对阵元数据进行相位加扰，能够在子阵降维自适应处理的架构下实现自适应零陷展宽；(3)本专利技术形成的每个自适应数字波束的子阵划分方式可以根据波束形状和干扰抑制要求等独立优化；(4)本专利技术通过子阵降维处理，大大降低了自适应权重系数计算的复杂度，是大规模数字阵列实时优化计算的有效手段。下面结合附图对本专利技术做进一步详细的描述。附图说明图1是本专利技术的流程图。图2是本实例中172阵元三角栅格阵列的阵元布阵结构。图3是本实例中降维子阵的具体划分方式示意图。图4是本实例中存在两个旁瓣干扰情况下零陷展宽子阵降维自适应方向图和满阵自适应方向图对比图。具体实施方式一种大规模数字阵列零陷展宽自适应波束形成方法，将自适应零陷展宽技术引入子阵降维自适应波束形成算法，快速稳健的实现了大规模数字阵列自适应旁瓣干扰抑制。在本专利技术架构下，系统具备形成独立的同时自适应数字多波束的能力，每个自适应数字波束的子阵划分方式可以根据波束形状和干扰抑制等要求独立优化。该方法适用于任意阵列结构，计算复杂度低，算法稳健性高，可广泛应用于雷达数字阵列天线、通信智能天线和麦克风阵列等系统，具体步骤为：步骤1、根据阵列结构和所需的零陷宽度构造相位扰动加权矩阵E，并对阵列接收数据矩阵X进行相位扰动加权得到接收数据矩阵步骤2、根据静态波束权重矢量以及子阵划分矩阵构造子阵降维变换矩阵T，对相位扰动加权后的接收数据矩阵进行子阵变换处理，得到子阵输出矩阵Y；步骤3、根据子阵划分和静态权重矢量得到子阵输出归一化矩阵TL，对子阵输出矩阵Y进行噪声功率归一化得到矩阵利用矩阵数据采用线性约束最小方差自适应数字波束形成算法得到子阵自适应权矢量wsub，使用该权重矢量对未加扰接收数据的子阵输出矩阵Xsub进行数字波束形成得到最终波束后输出。进一步的实施例中，步骤1根据阵列结构和所需的零陷宽度构造相位扰动加权矩阵E，并对阵列接收数据矩阵X进行相位扰动加权得到矩阵的具体步骤为：步骤1-1、首先构建随机的相位抖动向量Δ本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种大规模数字阵列零陷展宽自适应波束形成方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、根据阵列结构和所需的零陷宽度构造相位扰动加权矩阵E，并对阵列接收数据矩阵X进行相位扰动加权得到接收数据矩阵

【技术特征摘要】
1.一种大规模数字阵列零陷展宽自适应波束形成方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、根据阵列结构和所需的零陷宽度构造相位扰动加权矩阵E，并对阵列接收数据矩阵X进行相位扰动加权得到接收数据矩阵步骤2、根据静态波束权重矢量以及子阵划分矩阵构造子阵降维变换矩阵T，对相位扰动加权后的接收数据矩阵进行子阵变换处理，得到子阵输出矩阵Y；步骤3、根据子阵划分和静态权重矢量得到子阵输出归一化矩阵TL，对子阵输出矩阵Y进行噪声功率归一化得到矩阵利用矩阵数据采用线性约束最小方差自适应数字波束形成算法得到子阵自适应权矢量wsub，使用该权重矢量对未加扰接收数据的子阵输出矩阵Xsub进行数字波束形成得到最终波束后输出。2.根据权利要求1所述的大规模数字阵列零陷展宽自适应波束形成方法，其特征在于，步骤1根据阵列结构和所需的零陷宽度构造相位扰动加权矩阵E，并对阵列接收数据矩阵X进行相位扰动加权得到矩阵的具体步骤为：步骤1-1、首先构建随机的相位抖动向量Δu、Δv；根据所需的零陷宽度W构造服从均匀分布、且均值为0的随机序列Δu＝[Δu1,Δu2，…ΔuK]，Δv＝[Δv1，Δv2，…ΔvK]；其中，K为采样快拍数；步骤1-2、构建相位扰动加权矩阵E：根据阵列结构和工作波长得到扰动加权矩阵：其中x＝[x1，x2，…，xN]T、y＝[y1，y2，…，yN]T，xi，yii＝1，2，…，N分别对应第i个阵元位置的x轴坐标和y轴坐标；N为天线的阵元数量；表示克罗内克积；步骤1-3、获得阵列接收数据矩阵X进行相位扰动加权后的阵元数据矩阵维数N×K；其中，X为阵列接收数据矩阵，具体为：xik表示第i个阵元第k个快拍的采样数据；表示Hadamard乘...

【专利技术属性】
技术研发人员：马晓峰，沈爱松，盛卫星，张仁李，韩玉兵，崔杰，戴铭晖，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32