一种自适应收缩因子的循环平稳波束形成器

针对常用循环平稳波束形成器收敛速度慢的问题,提出一种基于自适应收缩因子形式的对角加载方法的稳健循环平稳波束形成器.首先采用收缩因子对采样协方差矩阵进行修正然后得到估计的阵列协方差矩阵,通过求解真实协方差矩阵与估计协方差矩阵之间均方误差最小的最优问题,进而求出收缩因子的大小.最后利用循环自适应波束形成(cyclic adaptive beamforming,CAB)算法求取阵列权值.仿真过程中,用所提算法与传统的循环平稳波束形成算法在低功率干扰和高功率干扰两种条件下作对比,表明该算法在收敛速度方面具有较好的性能,并且在低采样快拍数目情况下所提算法的输出SINR也相对较高.     

基于小波分析的改进旁瓣相消宽带信号波束形成算法

研究了改进的旁瓣相消算法,该算法利用小波滤波器组阻塞接收信号的期望信号分量进行自适应的波束形成。经过改进算法处理后,阵列信号的协方差矩阵中不包含期望信号分量,从而克服了当存在系统误差时自适应波束形成中期望信号相消的问题,并解决了在实际应用中旁瓣相消波束形成算法GSC波束形成算法需要构造与期望信号的导向矢量完全正交的阻塞矩阵的难点问题,从而达到提高系统稳健性能的目的,仿真结果验证了该算法的性能优于传统的MVDR方法和基于MVDR的对角加载方法。     

稳健的特征空间基变换自适应波束形成

针对现有自适应波束形成器在阵元位置误差、幅相误差以及信号来波方向误差耦合时干扰抑制能力下降的问题,提出了一种稳健的基于特征空间基变换的自适应波束形成算法。首先,对导向向量中阵元位置误差、幅相误差以及信号来波方向误差的影响进行了建模;然后,通过利用真实信号子空间与导向矢量张成空间相同的特性,引入子空间距离的概念量化两个子空间相似程度,并构建出一个最小化空间距离的多维非线性优化问题;在此基础上,结合遗传算法与拟牛顿法的特点形成一种混合优化策略,在解除最优化问题后,得到信号子空间的一组非正交基;最后,将估计的信号子空间与噪声子空间组合为特征空间,通过对特征空间进行基变换提取出准确的干扰加噪声协方差矩阵,并对期望信号导向向量进行了修正。数值仿真结果表明：所提混合优化算法随着迭代数提高能够显著降低子空间距离,迭代数达到100次时,能够将子空间距离降低至1以下;在信号来波方向误差、阵元位置误差以及幅相误差同时存在,且输入信噪比为10 dB的情况下,所提算法的输出信干噪比与现有方法相比提高约14 dB。     

均匀直线阵下通用信号模型稳健波束形成算法

针对非相干散射信号源稳健波束形成问题,提出了一种均匀直线阵下通用信号模型稳健波束形成算法．该算法通过引入数据共轭重排理论,利用定义的两个转换矩阵,重新构造信号协方差矩阵,给出了最优权矢量的实值闭式表达式,减少了算法的计算复杂度．仿真分析了期望信号信噪比、指向误差、快拍数及失配约束参数对输出信干噪比的影响．仿真实验表明,通过对接收数据的共轭重排再利用,提高了算法在快拍数有限、存在有用信号失配及其他失配等非理想条件下的输出性能．     

基于均匀圆阵的相干信号波束形成方法

提出一种新的相干波束形成方法,利用内插变换对相干背景下的真实阵列进行虚拟平移,得到多个虚拟平移后的信号协方差矩阵;对其进行平均后,所得到的相干信号协方差矩阵具有满秩性。利用一般的波束形成法求出最优权向量。该方法解决了五阵元均匀圆阵下二维相干信号的波束形成问题。计算机仿真表明该方法在小快怕数及低信噪比时能很好地抑制相干干扰,对期望信号和相干信号方向估计误差具有较强的稳健性。     

四元数矩阵重构鲁棒波束形成算法

极化敏感阵列的四元数信号模型保持了偶极子阵元分量之间固有的正交性,因而四元数MVDR（Q-MVDR）算法具有比传统复数域MVDR算法更优的性能,但在强期望信号和导向矢量失配的情况下,Q-MVDR算法性能严重下降,甚至会出现期望信号相消现象.针对此问题,提出一种基于四元数矩阵重构的鲁棒波束形成算法.首先建立极化敏感阵列的四元数模型,将协方差矩阵重构方法扩展到四元数域,利用子空间方法得到干扰信号的导向矢量估计,并采用Capon谱估计方法获得干扰信号的功率,重构出干扰噪声协方差矩阵;然后根据信号子空间与噪声子空间的正交性,以及期望信号导向矢量与信号子空间属于同一子空间的特性,将权矢量投影到四元数信号子空间,对期望信号导向矢量失配误差进行修正;最后通过仿真实验验证了算法的有效性.仿真结果表明,在强期望信号和期望信号导向矢量失配时,与传统算法相比,本文算法有效避免期望信号相消引起的性能下降,增强了算法的鲁棒性,可以达到接近最优值的输出信干噪比(SINR).     

联合协方差矩阵重构和ADMM的鲁棒波束形成

为解决传统波束形成器在干扰位置发生扰动和导向矢量失配时,造成自适应权重的不匹配,从而导致算法性能急剧下降,甚至期望信号相消的问题,提出一种联合协方差矩阵重构和交替方向乘子法(Alternating direction method of multipliers, ADMM)的鲁棒波束形成方法。对此,首先基于波束形成器最大输出功率准则,设计了求解最优导向矢量的优化模型。接着,根据Capon算法空间功率谱函数,利用定义的干扰范围对协方差矩阵进行重构,以展宽零陷并增强系统抗运动干扰能力。最后,关于导向矢量的二次不等式约束问题,本质为估计导向矢量和期望导向矢量间的差异,该方法利用ADMM对该二次规划问题进行迭代求解,并在每次迭代中获得导向矢量的具体解。另外,也分析了算法的复杂度。实验结果表明：对比现有的波束形成算法,在干扰处加宽了零陷,提高了波束的抗干扰性;结合复杂度也证明了其计算速度优于现有的算法,并且能够很好地校正失配导向矢量。本方法也为求解二次不等式约束问题和提高波束形成算法性能提供了一种思路和途径。     

非线性约束的自适应波束形成算法

提出基于非线性约束的自适应波束形成算法. 首先修改接收信号协方差矩阵信号子空间中的特征向量,使修改后的协方差矩阵基本不包含期望信号(SOI)成分而只包含干扰信号和噪声. 进而利用线性约束最小均方算法(LCMV)和修改后的波束空间求解方向图的权向量w. 为了提高算法的稳健性,采用非线性约束方法对w进行优化,w的优化解在形式上不同于可变对角加载类算法,且优化解中的待定参数容易准确求出. 新算法的输出信干比 (SINR)对导引向量随机误差具有稳健性, 并对期望信号的功率变化表现出不敏感的特性, 仿真证明了这一点.     

全双工能量受限中继网络的安全波束成形设计

为了解决全双工能量受限中继网络的无线物理层安全问题,提出了一种基于能量和信息联合传输的安全波束成形方法.在满足中继节点和能量收集节点收集能量的约束条件下,通过联合优化能量信号协方差矩阵、波束成形矩阵和功率分配因子,实现了系统安全速率最大化.目标问题是非凸的,采用分步优化方法将原始问题转化为2个子问题.将第1个子问题转化为双层优化问题,外层优化问题采用一维搜索求解,内层优化问题采用半定松弛技术解决;然后通过一维搜索得到第2个子问题的最优解.仿真结果表明,提出的方法显著提高了系统的安全速率.     

Robust adaptive beamforming algorithm in the situation of limited snapshots

In order to solve the problem of the sharp degradation of the adaptive beamformer performance due to limited snapshots, this paper proposes a new robust adaptive beamforming algorithm based on the correction of the covariance matrix and the estimation of the steering vector. The proposed algorithm first corrects the covariance matrix, and then obtains the estimation of the optimal steering vector with the corrected covariance matrix. Finally, using the corrected covariance matrix and the estimated optimal steering vector, the weight vector of the adaptive beamformer is calculated. The proposed algorithm can not only deal with all kinds of mismatches efficiently, but also solve the problem of the sharp degradation of the adaptive beamformer performance in the situation of limited snapshots, so that the robustness of the adaptive beamformer can be improved. Simulation results demonstrate the correctness and effectiveness of the proposed algorithm.     

空域抽样与相干因子融合的超声阵列自适应波束形成算法

针对超声成像中自适应波束形成算法计算效率低的问题,提出了一种基于空域抽样与相干因子融合的自适应波束形成算法。该方法通过分析阵列数据波束图,推导出不同阵元数目下的最大抽取因子,将阵列中所有阵元接收的数据按最大抽取因子进行空域等间隔抽样,得到阵元稀疏后的回波数据,减少了采集数据量。将空域抽样数据输入波束形成器,计算其协方差矩阵,再将协方差矩阵构造为Toeplitz矩阵,结合最小方差原理从构造的Toeplitz矩阵计算出抽样数据的自适应加权值,为了改善空域抽样数据自适应加权后成像质量下降的问题,引入相干因子对自适应加权值进行修正,以突出抽样数据中的有效信息,抑制干扰成份,从而提高了空域抽样数据的成像质量。该算法在保证成像质量的同时,减少了采集数据量,并降低了计算复杂度,有效提高了算法的时效性。通过在试块上对裂纹和横通孔缺陷仿真成像,结果表明该方法与常规最小方差波束形成方法相比,成像时间平均减少85%以上;与融合相干因子的最小方差波束形成算法相比成像运算时间平均减少86%以上。在相同的空域抽样条件下,该方法成像效果优于其他算法。     

Robust adaptive beamforming with near-field scatterers

Near-field scattering which causes steering vector mismatch with array received data suffers severe performance degradation with beamforming. A new robust adaptive beamforming algorithm based on the steering vector uncertainty set is proposed to utilize the near-field scattering signal to improve the beamforming output signal-to-noise ratio. The properties of the far-field direct-path signal and near-field signal are incorporated. The large uncertainty set is divided into two small ones describing the far-field and near-field steering vectors, respectively. The far-field steering vectors and the near-field scattering coefficient with a transform matrix are evaluated by convex optimization. Simulation examples demonstrate that the algorithm is correct and effective.     

抗导向矢量失配的零陷展宽波束形成算法

针对自适应波束形成器在干扰出现扰动或期望信号导向矢量失配时,性能急剧下降的问题,提出一种抗导向矢量失配的零陷展宽波束形成方法.首先通过投影变换技术对阵列接收数据进行投影预处理,构造一个新的协方差矩阵,以扩展干扰入射角度,展宽零陷;再根据期望信号入射的大致方位,对波束主瓣进行幅度响应约束,在约束区域形成稳定的响应幅度,达到抗导向矢量失配的目的.该方法可以转化为松弛半正定规划问题进行求解.仿真结果表明:该方法能有效展宽波束的零陷宽度,加深零陷深度,同时具有良好的抗期望信号导向矢量失配的能力,提高了自适应波束形成器在复杂环境下的稳定性.     

桁架结构拓扑优化的半定规划建模与求解

为克服桁架结构拓扑优化传统模型中优化问题非凸、多重特征值不存在常规梯度等困难,将考虑多种约束的桁架结构拓扑优化问题建模为统一的半定规划(semidefinite programming,SDP)模型.首先给出体积、柔度、基频和全局稳定约束的等价半定形式;然后基于桁架结构刚度和质量矩阵的线性表达式,将考虑体积、柔度和基频的优化问题表述为线性半定规划对偶规划问题的标准形式;最后分别以全局稳定约束和应力约束为例,对非线性半定约束和非线性常规约束进行了近似处理,建立了一般非线性模型的近似半定模型并给出了序列求解算法.线性半定规划模型将传统的非线性非凸模型转化为凸模型,具有良好的数值特性;对非线性约束的处理方法使统一模型既能利用半定约束的良好特性,又能够考虑多种常规约束,有助于提高优化结果的工程实用性.优化算例表明,半定规划模型和算法具有多种约束下桁架优化问题的求解能力,且能够处理包含多重特征值的基频约束和全局稳定约束,证明了所提模型和算法求解桁架结构拓扑优化问题的有效性.     

Novel robust beamforming algorithm using sequential quadratic programming

Aiming at the probably existing performance loss and high computational complexity of the robust beamforming based on steering vector estimation with as little prior information as possible which is solved by the semi-definite relaxation (SDR) approach, a novel robust beamforming algorithm using sequential quadratic programming (SQP) is proposed. The original non-convex problem is linearly approximated to a convex subproblem using the first order Taylor's series, and the optimal solution is found out by solving the convex subproblem iteratively. Moreover, considering the mismatch of the sample covariance matrix, the SQP-WC method based on worst-case performance optimization is presented to improve the performance of the proposed SQP method. Theoretical analysis and simulation results show that the proposed SQP algorithm can converge fast and its convergence point approximates the optimal solution to the original problem, which indicates that the SQP method can effectively reduce the computational complexity compared with the SDR method, and furthermore, the SQP-WC method can effectively improve the performance of the SQP method with a small parameter.     

一种用于矩形阵列的二维波达方向估计方法

针对现有使用均匀矩形阵列或稀疏矩形阵列的二维无格波达方向估计方法的性能欠佳的问题,提出一种基于二阶特普利茨矩阵重构和二维旋转不变参数估计技术的无格波达方向估计方法。使用均匀矩形阵列或稀疏矩形阵列,对其接收信号的协方差矩阵进行二阶特普利茨结构表达,通过log-det稀疏测度与正定约束构造约束优化问题,并使用优化最小算法求解,最后通过二维旋转不变参数估计技术估计源的二维波达方向,即方位角与俯仰角。这种方法需要多次求解半定规划问题,计算复杂度相对较高,但能获得更好的波达方向估计性能。在仿真实验中,这种方法在均匀矩形阵列或稀疏矩形阵列条件下均有非常低的均方根误差,接近克拉美罗界,证明了其良好的波达方向估计性能。     

互质阵列下基于重叠有效孔径的DOA估计算法

为了解决互质阵列下DOA(Direction of Arrival)估计算法因使用空间平滑预处理而带来的阵列有效孔径损失、分辨率降低等问题,提出了一种矩阵重叠预处理方法.该方法通过分割空间平滑协方差矩阵,利用其子矩阵具有相同信号子空间的特性,将子矩阵进行重叠处理,扩展协方差矩阵行数,进而增大有效孔径.仿真实验结果表明:所提方法可以提高DOA估计的分辨率,低快拍下的估计精确度也有所提高.同时,本文将U-ESPRIT(Unitary Estimation of Signal Parameter via Rotational Invariance Techniques)算法应用在互质阵列上,通过使用矩阵重叠预处理并结合U-ESPRIT算法,取得了较传统方法更为准确的DOA估计效果.     

小快拍相干源时的自适应波束形成方法

基于特征空间自适应波束形成算法，针对等距离线阵提出了一种波束形成方法．通过构造一个特殊的矩阵代替协方差矩阵，可以克服特征空间算法不能在相干环境下工作的缺点，且在低信噪比、小快拍数下自适应波束形成就能收敛并保持较好的性能．     

基于FOCUSS算法的稀疏阵列综合

以最大稀疏化阵列得到所期望的方向图是稀疏阵列综合理论中的关键问题. 由于阵列天线本身具有稀疏的物理特性, 因此可将稀疏阵列综合归结为稀疏信号的重建过程. 该文提出一种将阵列天线的波束形成问题等效为求解稀疏信号向量的最优化问题的方法, 并利用FOCUSS算法快速准确地得到最大稀疏化的阵列, 以及阵元位置和激励幅度. 理论分析和数值仿真表明了该方法的有效性.     

MIMO雷达空时编码和接收权联合稳健设计

针对基于多进多出雷达的空时自适应处理方法的检测性能对目标参数估计误差敏感从而导致系统检测概率稳健性较差的问题,提出一种改善多进多出空时自适应检测性能的发射波形和接收权联合稳健设计方法。首先推导了多进多出空时自适应输出信干噪比的数学表达,而后构建了目标空时频导向矢量估计误差模型。在此误差模型、波形恒模特性、旁瓣以及杂波抑制等约束下,基于最大化最差情况下输出信干噪比准则,提出了改善多进多出空时自适应检测性能的发射波形相关阵和接收权联合稳健优化问题。为求解所得复杂非线性优化问题,提出一种迭代方法,其中每一步都可转化为半定规划问题,因而可获得高效求解。仿真结果表明,与现存主要的稳健方法、非稳健方法及不相关波形相比,所提方法可显著改善多进多出空时自适应检测概率的稳健性能。