稳健自适应波束形成器设计与仿真

针对自适应波束形成器在进行对角加载时存在选取对角加载值的不可靠问题,设计了一种稳健的自适应波束形成器。通过采用收缩方法(Shrinkage Method)获得了对协方差矩阵更精确的估计,以代替标准Capon波束形成器(SCB)中的采样协方差矩阵。与传统自适应波束形成器相比,能够根据给定数据完全自主的计算出对角加载值而不需要指定任何用户参数,有效的抑制干扰信号,改善输出信噪比,且具有良好的波束保形能力和较快的收敛速度,特别是在快拍数较少的情况下具有很好的性能。计算机仿真验证了设计方法的正确性和有效性。     

频域宽带波束形成器设计

研究无线网络传感器,采用宽带信号波束技术,为了使宽带信号在整个频段内保持稳健的波束,以及克服快拍数有限对空间谱估计带来的不利影响,采用频域波束形成算法形成宽带波束,利用对角加载技术补偿所估计的空间谱,并通过矩阵求逆定理推导出对角加载值的取值范围.最后的仿真结果表明通过选择合适的对角加载值可以克服快拍数目不足带来的影响,从而实现具有较高阵列增益的稳健宽带波束,有效地完成对信号的空域处理,提高了传输性能.     

基于对角加载奇异值分解的波束形成算法

在自适应波束形成算法中,QR分解具有很好的数值特征和固有的高度并行性。但当采样数较少,采样协方差矩阵估计值的噪声特征值分散会导致波束形成算法的性能下降问题,QR算法的性能就会下降。针对此缺陷,提出了对角加载奇异值(DSVD)分解的算法,该算法先对采样数据所构成的矩阵进行重构、分解、再重构、再分解,最后实现对角加载。通过仿真结果可以看到,DSVD算法不仅避免了对阵列协方差矩阵的估计和求逆,而且减少了估计运算量和估计误差,在复杂度与性能之间进行折衷。     

一种改进的可变对角加载自适应波束形成算法

由于观测方向误差的存在,使得实际获得的方向向量与其理论值产生偏差,进而对各类自适应波束形成算法性能造成较大影响。为此提出一种有效的对角加载自适应波束形成算法,首先利用目标信号的方向向量在噪声子空间中投影最小的原理,对带有误差的方向向量进行校正,然后再使用可变对角加载原理求得对角加载因子,对实际获得的自相关矩阵进行对角加载后,形成自适应波束,从而很好地消除了方向向量误差造成的影响。算法能够有效克服目标信号对消现象,并具有良好的保形能力和快速收敛的特点。计算机仿真结果验证了这些优点。     

自适应对角加载在波束形成中的仿真研究*

当阵列误差存在时,Capon波束形成算法性能会急剧下降,特别是阵列输出信干噪比(Signal  to Interference plus Noise Ratio, SINR)。对角加载可以减弱小特征值对应的噪声波束的影响,能有效改善阵列性能及方向图畸变,但加载值的确定是一个较为困难的问题。本文算法根据加载值和采样协方差矩阵间的关系确定加载值,能自适应的根据采样数据确定加载值,在小快拍数和阵列误差存在情况下仍具有良好的鲁棒性,明显改善了阵列性能并减小了方向图畸变,且使零陷准确对准干扰方向。计算机仿真结果证实了此算法的鲁棒性。     

自适应波束形成算法的现状与发展动态

近十年自适应波束形成算法在通信、雷达、声纳、生物医学工程等科技领域中得到了极为广泛的应用。在实际应用中,如果信号源、天线阵列出现误差,传统的自适应波束形成算法性能将会下降。但是对于稳健的自适应波束形成算法,环境及天线阵列的误差和不确定性是必须要考虑的关键问题。这里对稳健的自适应波束形成算法的研究现状与发展动态进行了较为详细的评述。     

自适应波束形成算法的现状与发展动态

近十年自适应波束形成算法在通信、雷达、声纳、生物医学工程等科技领域中得到了极为广泛的应用.在实际应用中,如果信号源、天线阵列出现误差,传统的自适应波束形成算法性能将会下降.但是对于稳健的自适应波束形成算法,环境及天线阵列的误差和不确定性是必须要考虑的关键问题.这里对稳健的自适应波束形成算法的研究现状与发展动态进行了较为详细的评述.     

适用于稳健自适应波束形成的基于岭迹法的对角加载方法

基于标准Capon波束形成器的广义旁瓣消除器参数化形式,提出了使用岭迹法确定对角加载矩阵,从而得到稳健的Ca-pon波束形成器.该方法与近年来提出的稳健自适应波束形成器相比的优点是无需提前给定任何参数,直接通过观察岭迹修正采样协方差矩阵.仿真结果表明本文提出的方法有着很好的效果.     

近场麦克风阵列定点波束形成优化方法

为了有效的抑制干扰和噪声,该文在近场定点波束形成算法的基础上,研究麦克风阵列输出距离图和方向图的优化,通过施加不同距离和方向的虚拟干扰,来压低距离图和方向图的旁瓣,干扰强度随给定位置旁瓣高度而自适应的调整,最终实现阵列对期望信号形成的波束图优化,计算机仿真结果证明了该方法的正确性和有效性。     

基于内插阵列变换的扩展传播算子实值算法

针对内插阵列变换(VIA)思想在非圆信号波达方向(DOA)估计算法中的应用问题,提出一种基于内插阵列变换的扩展传播算子实值算法——VIA-EPM实值算法。利用真实阵列流型与虚拟阵列流型之间的变换矩阵,将真实阵列输出转换为虚拟阵列输出,再根据信号源为实数的特点,分别求取虚拟阵列输出的实部和虚部,将其串联组合,扩展阵列输出的维数,通过对扩展阵列输出矩阵进行分块并得出扩展传播算子,进而得到一种传播算子(PM)类的DOA估计算法。仿真实验表明：存在阵元位置误差的情况下,VIA-EPM实值算法通过对阵元位置校准数据进行内插阵列变换,取得与阵元位置校准的扩展传播算子实值算法(EPM实值算法)相当的估计性能,保持了阵列扩展能力、高估计精度以及高分辨力;并且在二维阵元位置误差情况下,其估计性能明显优于阵元位置未校准的EPM实值算法。结合VIA-EPM实值算法的计算复杂度分析可以看出：它同时获得了内插阵列变换技术以及信号非圆特性的优势;与复运算相比,其复杂度也相对降低。     

基于鲁棒波束形成的麦克风阵列系统

为了提高噪声消除的鲁棒性,传统的通用旁瓣消除器采用固定波束形成作为输出的系数约束自适应滤波器,采用CCAF的输出作为输入的标准约束自适应滤波器.此系统的跟踪性能随信号频率变化而改变,并且由于波束带宽的影响使得目标语音在低频发生畸变.采用优化波束形成方法来得到较宽的带宽,对输出进行后滤波处理来消除残余噪声.试验表明本方法可明显提高语音信噪比.     

自适应对称自回归模型的压缩图像内插方法

目的 大多数图像内插方法只考虑低分辨率图像的下采样降质过程,忽略编码噪声的影响。提出一种新的自适应对称自回归模型的压缩图像内插方法。方法 假设局部图像相似的图像块具有相同的图像内插模型。方法分为训练和重建两个阶段。在训练阶段,首先对训练图像采用主成分分析提取图像块的局部梯度主方向,根据方向进行一次分类,分别建立各个方向的对称自回归模型和训练集;其次对每个方向的训练集,根据图像基元特征,利用K均值聚类方法进行二次分类;最后对每个二次分类训练子集,选择其所属方向类的模型,使用有约束的最小二乘法估计对应于该子集的模型系数。在重建阶段,首先根据测试图像块的局部梯度主方向,确定方向类别,再计算测试块基元特征和该方向类中所有聚类中心的欧氏距离,选择具有最小欧氏距离的聚类中心的自回归模型用于内插。结果 采用8种不同的测试图像在JPEG的2种量化方式条件下进行测试,与7种典型的图像内插相比,结果表明本文方法能够有效地克服编码噪声的影响,峰值信噪比(PSNR)和结构相似度(SSIM)均优于其他方法。结论 本文方法具有较低的复杂度,可以适用于图像通信中增强图像的分辨率。     

协方差矩阵加权波束形成及应用

在逆波束形成方法的基础上提出一种改进的协方差矩阵加权波束形成方法，它根据阵元的分布情况对阵元接收信号的协方差矩阵进行直接加权，使得环境噪声相关比较强的协方差元素得到抑制，环境噪声相关性比较弱的部分被加强，降低噪声增益，从而达到提高阵增益的目的。文中给出了两种协方差加权方法。并且计算了在各向均匀噪声环境下的阵增益。从阵增益和误差稳定性两个方面与CBF和MVDR方法进行了对比，验证了该方法的正确性。     

频域宽带阵列波束形成技术优化设计

为提高宽带相控阵系统的波束合成性能,该文针对宽带相控阵系统中的延时补偿问题,采用频域宽带阵列波束形成的方法,分析了宽带相控阵中应用交叠FFT进行时延补偿的原理和误差造成的原因;基于一个接收信号带宽为600MHz的64阵元的宽带相控阵系统,研究了子阵规模、FFT点数、交叠率、位宽、采样率等交叠FFT参数对延时精度、信号保真度和波束性能的影响,在满足工程应用的要求的同时对频域宽带阵列波束合成技术进行了优化;经研究确定子阵规模不超过9个天线阵元、FFT点数不小于512、交叠率不小于1/16、位宽不小于采用12bit时可以达到指标的要求,为交叠FFT方法应用在实际工程中提供了依据与参考,并使其工程实现复杂度降低。     

一种用于GPS抗干扰的稳健盲波束形成算法

导航系统中接收信号微弱,到达GPS接收机天线的有用信号十分微弱,很容易受到各种人为和非人为干扰的影响.循环自适应波束形成(CAB)算法作为一种盲波束形成算法,具有较低的计算复杂度和较快的收敛速度,因此,是一种有效的盲波束形成算法,算法非常适用于GPS抗干扰.但是,CAB算法的稳健性不足,为了提高原算法的稳健性,在约束的循环自适应波束形成(C-CAB)算法的基础上,结合正交投影和协方差矩阵加权提出一种新的稳健算法,仿真结果证明了算法的有效性.     

麦克风阵列鲁棒频率不变波束形成算法

在实际应用中,频率不变波束形成器通常受到麦克风阵列失配误差的影响,因此提高频率不变波束形成器的鲁棒性具有重要意义。针对上述问题提出了一种约束优化模型,可以在保持频率不变波束形成的同时提高阵列的鲁棒性。首先设计目标波束图,考虑到差分麦克风阵列本身具有频率不变的波束图,选用传统二阶超心型差分麦克风波束图做为目标波束图。上述模型以麦克风阵列权矢量的二范数作为目标函数来最大化鲁棒性,在无失真约束,目标波束主瓣逼近约束以及旁瓣增益精准控制约束下实现频率不变。然后在交替方向乘子法算法框架下,将优化问题分解为多个优化子问题求解,然后对每个优化子问题分别求解,通过仿真验证了在交替方向乘子法算法下上述模型的可行性与有效性,最终达到了麦克风阵列鲁棒频率不变波束响应的效果。     

基于仿真退火算法的任意阵列宽带波束形成

提出了基于仿真退火算法优化思想的任意宽带波束设计方法,其期望响应由工作频带划分成的等间隔窄子带上旁瓣波束形成权系数构成。各个子带上的低旁瓣波束则采用基于仿真退火波束形成原理的波束优化设计方法得到。借助计算机对二十四元圆阵进行波束优化设计。结果表明,使用上述方法设计的波束与常规方法相比,获得了更低的旁瓣级和更稳定束宽,充分说明了方法的可行性和有效性。     

基于矩阵对角加载与泄漏迭代的广义最小平均p范数波束形成方法

在简要介绍稳定分布统计特性的基础上,依据泄漏梯度下降原理、矩阵对角加载方法,通过对最小平均p范数加以改进,提出了一种稳定分布噪声下基于矩阵对角加载与泄漏迭代的广义最小平均p范数波束形成方法,并探讨了算法性能。     

小型阵列宽带恒定束宽波束形成器仿真研究

关于优化宽带恒定束宽波束形成,是阵列小型化和对低频宽带信号探测的核心问题.为了研究阵元间距小于四分之一波长的线列阵的宽带恒定束宽波束形成器设计,提出了FIR滤波器的适用于小型传感器阵列的时域恒定束宽波束形成方法,分析了频域和时域宽带波束形成的特点,进行了时域宽带恒定束宽波束形成器的设计.根据最小均方准则,求出了频域子带波束形成加权向量,使工作频带内各子带波束主瓣趋近于期望波束,同时控制工作频带内波束旁瓣响应幅度,波束图主瓣形状设计与期望频率响应FIR滤波器的设计问题都转化为二阶锥规划方法,从而实现工作频带内的恒定主瓣束宽.通过仿真证明,改进方法可使密排阵列在2000Hz ～ 4000Hz工作频段范围内具有恒定束宽的方向特性.     

基于加权运动估计和矢量分割的运动补偿内插算法

提出了一种基于加权运动估计、矢量分割和可变块层次化处理的运动补偿内插(Motion-compensated frame interpolation, MCFI)算法. 首先, 提出一种加权运动估计改善了运动矢量(Motion vector, MV)的准确度, 其次, 通过矢量聚类分割将视频帧分割为运动区域和背景, 然后对运动区域的运动矢量进行了可变块层次化处理. 此过程中, 采用可变块合并算法保证了运动物体的边缘结构信息不被损坏. 同时考虑到部分可变块的多方向性, 使用了自适应矢量中值滤波器和矢量平滑降低了运动块大小, 能有效地消除传统方法中出现的方块效应和重影现象. 实验结果表明该算法在内插图像的主观视觉效果和客观评估标准上都有所提高, 而且对于运动较快及背景较复杂的视频序列同样具有较强的适应性.