迭代子空间跟踪和结构约束的自适应波束形成算法

自适应波束形成(adaptive beam-forming:ABF)方法通过对阵列数据进行加权处理来获得最大的输出信干噪比,对采样协方差矩阵依赖性较大.在小快拍和通道随机响应误差条件下,采样协方差矩阵的估计值与真实值通常存在较大差异,严重恶化了基于线性约束最小均方误差准则的自适应波束形成方法的干扰抑制性能.针对该问题,本文基于子空间投影类波束形成方法的思想,提出采用迭代子空间跟踪和结构约束的自适应波束形成方法.该方法首先利用clearing技术在训练样本集上依次跟踪主特征矢量并构成信号子空间;然后根据子空间投影类波束形成权矢量的结构特性计算自适应加权矢量.仿真结果表明本文方法能有效提高自适应波束算法的输出信干噪比.     

子阵级数字波束形成抗多主副瓣干扰及测角技术

对于大型的二维相扫雷达天线阵列,数字波束形成通常在子阵上完成,以减少数字接收机的数量并降低成本。基于子阵级数字波束形成,文中提出了一种改进的自适应信号处理架构,在低成本的情况下,同时抑制多个主副瓣干扰,并保持对目标的单脉冲测角精度。首先,每个子阵内部形成非自适应的波束并转化为数字输出;再利用行和列波束的分维特性,在子阵级形成自适应波束,进行干扰抑制处理;最后,分别将各个行或列波束合成为全阵列的俯仰或方位和差波束,用于目标的单脉冲测角。与传统的四通道抗主瓣干扰相比,该方法在合成和差波束前,基于子阵级数字波束完成自适应干扰的抑制。因此,充分利用了有限的自由度,挖掘了子阵级数字阵列抗同时多个主副瓣干扰的能力。还结合相控阵雷达实例,给出了仿真结果,验证了该方法的有效性。总的来说,所提出的阵列信号处理架构,在降低系统复杂度和成本的同时,大大提高了雷达系统的抗干扰能力。     

自适应-自适应波束形成的零陷加深技术

对于大型阵列雷达,自适应-自适应波束形成(A-A DBF)是一种能有效减小运算量、易于工程实现的自适应波束形成方法,但在干扰功率起伏较大的背景下,其自适应抗干扰能力受到影响。本文给出了一种先增强A-A DBF协方差矩阵中干扰分量再进行自适应处理的方法。该方法可以有效改善干扰功率起伏对自适应波束形成的影响,提高系统的抗干扰能力。     

时域宽带自适应波束形成器设计

针对现有含反馈支路的时域宽带自适应波束形成器运算量大、干扰抑制能力受限的问题,基于广义旁瓣相消结构,引入一条固定系数的全极点反馈支路,设计一种新的时域宽带自适应波束形成器,减少了前向支路所需抽头延迟线个数即自适应权个数,从而降低了运算量,加快了收敛速度。全极点反馈支路以逼近包含干扰频带的带通滤波器为目标进行离线最优化设计,在保证稳定性的同时,增强了波束形成器的干扰抑制能力。仿真结果表明：与现存含反馈支路的时域宽带自适应波束形成器相比,采用相同的自适应算法,设计的波束形成器收敛更快、干扰抑制能力更强;实现相同的 SINR 改善时,新的波束形成器所需运算量远小于现存波束形成器。     

阵列天线自适应波束形成的一种改进方法

介绍了矩阵求逆（SMI）的阵列天线自适应数字波束（DBF）形成的一种旁瓣抑制的方法。由于信号协方差矩阵估计误差的存在,自适应方法形成的波束会产生畸变,随着杂波小特征值发散程度的增加,有时形成的自适应波束会出现较高的旁瓣。文中重点分析了波束发生畸变的原因并提出了旁瓣抑制的一种改进方法,算法有效地对协方差矩阵估计进行了修正。仿真结果表明存在干扰的情况下,当迭代次数和迭代增益大小选择适当时,该方法能有效地降低自适应旁瓣高度,而且不会对干扰零深产生明显影响,增强了空时波束形成算法的鲁棒性。     

基于特征值分解的稳健波束形成技术

Capon 自适应波束形成中,导向矢量误差和协方差矩阵的估计误差均会导致波束形成器的性能下降。针对这一现象,提出一种基于特征值分解的稳健波束形成技术,即在将估计的协方差矩阵特征值分解后,直接对影响波束形成器稳健性能的噪声小特征值进行算术平均处理,以获得接近于理想波束形成器的稳健性能。同时根据试验仿真,给出了用于区分干扰和噪声特征值的门限计算公式,为准确构建特征子空间提供了思路。分析结果表明,与传统的对角加载方法相比,该方法能够达到同样的改善性能,在实际运用中更加直接和有效。     

基于EPUMA的相干干扰零陷加深算法研究

麦克风阵列信号处理中,自适应波束形成技术能够实现空域上的滤波,增强期望方向的有效信号同时抑制干扰源方向信号。但在相干干扰功率较大的环境下,许多传统算法的估计精度和性能会受到很大影响甚至失效。对此,提出一种基于增强型主奇异向量模态分析(EPUMA)重构优化协方差矩阵进行自适应处理的方法。该方法首先对信号协方差矩阵进行特征值分解,然后利用加权最小二乘计算线性预测系数,最后通过代价函数估计出期望的空间谱。仿真结果显示,该方法可以有效减少功率较大的相干干扰对自适应波束形成的影响,提高了阵列接收信号的信噪比。     

宽带相控阵子阵划分及自适应干扰对消技术

针对宽带相控阵雷达中的关键技术如子阵划分、数字波束形成以及宽带自适应干扰对消等展开研究,给出了宽带阵列划分的准则和方法并以线性调频信号为例提出了一种数字波束形成方法和宽带自适应干扰对消算法。该方法应用数字时变相位补偿方法代替传统的时间延时单元形成主波束,降低了系统的复杂度并提高了波束形成的性能。基于拉伸处理的宽带自适应干扰对消算法对宽带旁瓣干扰和主瓣干扰都有较好的抑制作用,在强的宽带干扰下仍然可以很好地对目标进行高分辨成像。     

阵列雷达数字波束形成技术仿真与研究

本文首先介绍了数字波束形成的基本原理,随后对普通波束形成及基于LCMV准则和MVDR准则的单多波束自适应形成技术分别进行了原理介绍和仿真分析。仿真结果表明,基于自适应技术的数字波束形成能有效提取有用信号,并在干扰方向上形成零陷,有效的抑制噪声和干扰,大大提高了阵列雷达的天线性能。     

抑制快速运动强干扰的稳健自适应波束形成方法

针对存在快速运动强干扰时自适应波束形成性能的严重降低,提出了一种稳健的自适应波束形成方法。该方法使用零陷展宽技术修改采样协方差矩阵,使其自动地在干扰方位形成展宽的零陷以抑制运动强干扰,同时采用对角加载技术,以增强此方法对系统误差的稳健性,加载量通过约束扫描向量的误差来确定。仿真结果表明该方法能有效地提高当存在快速运动的强干扰时自适应波束形成的性能。     

稳健的相干干扰抑制算法

针对自适应波束形成在干扰位置扰动以及存在相干干扰时的性能下降问题,提出了一种稳健的相干干扰抑制算法。该算法首先估计出相干干扰的来波方向,然后以期望方向增益最大,旁瓣方向增益最小为条件建立波束权矢量求解的优化问题,并利用干扰零陷展宽方向增益的二范数小于控制系数作为约束条件来克服干扰扰动。与已有的自适应算法相比,本文所提方法求解权矢量不需要采样数据协方差矩阵求逆过程,对快拍数要求低,能有效控制零限宽度和深度,对转发式相干干扰和干扰平台抖动具有良好的抗干扰效果。仿真结果证明了所提方法的有效性和稳健性      

基于二阶锥规划的相干信号深零陷自适应波束形成

针对常规自适应波束形成算法在强相干干扰情况下零陷深度不够、甚至干扰抑制失效的问题,提出了一种基于二阶锥规划的相干信号深零陷自适应波束形成算法。该算法首先对接收数据协方差矩阵进行Toeplitz重构,使其包含信号和干扰的所有方位信息。然后重构了干扰加噪声协方差矩阵。接着在保证期望方向波束无失真前提下,约束主瓣宽度和旁瓣电平,使得波束形成器干扰和噪声的输出功率最小。最后将该问题转化为凸优化中的二阶锥规划问题,并使用凸优化工具箱进行快速求解。仿真结果验证了该算法的有效性。     

旁瓣电平软约束下干扰功率搜索的波束形成

实际中,期望信号或干扰的先验方向信息往往不能精确已知(即存在阵列流形误差),当信噪比超过一定门限时,线性约束自适应波束形成器对阵列流形误差有高敏感性从而导致输出信干噪比下降。为解决上述问题,该文提出一种旁瓣电平软约束条件下搜索人工干扰功率值的波束形成方法。在粗估干扰来波方向的基础上,约束旁瓣最大峰值起伏在一定范围内,采用子空间投影和加宽干扰零陷区的技术提高波束形成器的鲁棒性,通过粗、精两种模式的搜索获得干扰零陷区的注入功率值估计,具有良好的干扰抑制效果和对阵列流形误差不敏感的特性。计算机仿真验证了方法的有效性和鲁棒性。     

Analysis of an over-constrained adaptive array

In antenna arrays, the number of nulls that can be formed independently is equal to or less than the number of array elements minus one. Therefore, if the number of interferences exceeds the number of freedom for pattern synthesis in adaptive arrays, nulls in the radiation pattern can not be steered toward each interference direction. To clarify the behavior of the adaptive array in such an environment, an analysis is made for the case where two interferences are impinging on the two-element directionally constrained adaptive array. As a result, it is proved that the adaptive array acts to reduce the undesired noise power at the array output. However, improvement in output signal-to-noise ratio is insufficient because of the limitation in null formation.     

基于干扰对齐的D2D混合网络干扰管理研究

针对如何有效抑制蜂窝与D2D混合网络中的干扰问题,提出了一种基于干扰对齐的干扰协调策略。通过建立k对D2D用户(DUE)复用蜂窝用户(CUE)上行资源的干扰模型,并分别在发送端和接收端设计发送干扰抑制预编码,使得在某一接收端处的干扰均对齐在接收信号的零空间上,从而抑制区内和区间两大干扰。仿真证明,文中所提出的基于干扰对齐的功率分配方案,比其他算法能获得更大的系统总速率,从而最大化混合网络的自由度。     

Signal cancellation phenomena in adaptive antennas: Causes and cures

Conventional adaptive beamformers utilizing some form of automatic minimization of mean square error exhibit signal cancellation phenomena when adapting rapidly. These effects result from adaptive interaction between signal and interference, when signal and interference are received simultaneously. Similar phenomena have been observed and analyzed in relatively simple adaptive noise cancelling systems. A study of these phenomena in the simpler systems is used to provide insight into similar behavior in adaptive antennas. A method for alleviating signal cancellation has been devised by Duvall, whereby the signal components are removed from the adaptive process, then reinserted to form the final system output. Widrow has devised a different solution to the problem: to move the receiving array spatially (or electronically) to modulate emanations received off the look direction, without distorting useful signals incident from the look direction. This approach is called "spatial dither" and introduces the additional possibility of modulating "smart" jammer signals, thereby limiting their effectiveness.     

零陷优化的稳健波束形成算法

传统的自适应波束形成算法在干扰方向出现扰动且期望信号导向矢量失配时,不仅无法持续有效地抑制干扰,而且会在期望信号方向产生零陷致使期望信号相消,算法性能严重下降。针对该问题,本文提出了一种零陷优化的稳健波束形成算法。该算法首先通过干扰导向矢量的左右旋转来展宽零陷,接着将采样数据向干扰子空间投影,并对干扰分量进行加权处理以增强采样数据中的干扰强度,加深干扰零陷,最后采用导向矢量不确定集约束算法保证期望信号的接收增益。计算机仿真结果表明:该算法能够有效展宽干扰零陷,并能够保证期望信号增益,具有较好的稳健性。      

Adaptive null steering beamformer implementation for flexible broad null control

An implementation of adaptive null steering beamformer for flexible broad null control, based on constrained recursive updating of array response zeros and spatial FIR filters, is presented. The design allows the beamformer to form broad nulls and control their widths readily. The new method is of great advantage for sensor array in which the number of array elements is very large compared with the number of interferences the array is designed to suppress. The new beamformer is useful and effective in the environment where both stationary and moving interference signals exist since it can steer both sharp and controlled broad nulls in the appropriate directions. When compared with the conventional LMS covariance matrix taper (CMT) based broad null synthesis method, the proposed beamformer has a faster convergence rate; and compared with the QR-RLS CMT based broad null synthesis method, the proposed method has a lower complexity.     

一种新的波束形成零陷展宽算法

针对自适应波束形成器在干扰位置出现扰动时的输出性能下降问题,该文提出一种新的零陷展宽算法。该算法基于投影变换与对角加载技术的结合,首先利用投影变换技术对阵列接收数据进行预处理,结合对角加载技术,以此构造出一个新的协方差矩阵替代原来的协方差矩阵,再利用自适应波束形成技术得到零陷展宽后的波束图。仿真结果表明,该方法能有效展宽波束零陷宽度,加深零陷深度,达到抑制位置出现扰动的强干扰信号目的。该算法易于求解,对参数的选取具有较强稳健性,在低快拍条件下,依然能有效地工作,增强了自适应波束形成器稳定性。     

Robust Adaptive Beamformers Based on Worst-Case Optimization and Constraints on Magnitude Response

In this paper, novel robust adaptive beamformers are proposed with constraints on array magnitude response. With the transformation from the array output power and the magnitude response to linear functions of the autocorrelation sequence of the array weight, the optimization of an adaptive beamformer, which is often described as a quadratic optimization problem in conventional beamforming methods, is then reformulated as a linear programming (LP) problem. Unlike conventional robust beamformers, the proposed method is able to flexibly control the robust response region with specified beamwidth and response ripple. In practice, an array has many imperfections besides steering direction error. In order to make the adaptive beamformer robust against all kinds of imperfections, worst-case optimization is exploited to reconstruct the robust beamformer. By minimizing array output power with the existence of the worst-case array imperfections, the robust beamforming can be expressed as a second-order cone programming (SOCP) problem. The resultant beamformer possesses superior robustness against arbitrary array imperfections. With the proposed methods, a large robust response region and a high signal-to-interference-plus-noise ratio (SINR) enhancement can be achieved readily. Simple implementation, flexible performance control, as well as significant SINR enhancement, support the practicability of the proposed methods.