基于改进互耦系数估计算法的自适应波束形成

阵列信号在实际应用中,常常会面临噪声的干扰,低信噪比(signal noise ratio, SNR)时波束形成器性能会急剧下降.针对该问题,提出一种基于改进互耦系数估计的抗互耦算法的自适应波束形成,即研究信号在不同输入SNR以及不同干扰波达方向(direction of arrival,DOA)估计误差下的互耦系数估计误差;并通过误差分析修正原算法不同SNR下参与估计信号的数目.改进算法改进了导向矢量和期望信号,提高了低SNR下互耦系数估计的准确度,对比分析验证了其在低SNR情况下有更强的抗干扰能力,对互耦现象有着更好的稳健性.     

一种低副瓣稳健自适应波束算法

本文提出一种新型低副瓣自适应波束形成算法,解决了传统自适应波束形成器在干扰和高信噪环境下算法性能急剧下降的问题,并降低了快拍数对算法稳健性的影响。该算法基于标准Capon波束形成器,利用消除空域噪声的方法提高期望矢量的重估精度,并结合功率估计算法重构出干扰噪声协方差矩阵;然后使用特征干扰相消算法二次重构噪声协方差矩阵得到最优权值,增强算法在低样拍下的稳定性;最后对最优权值进行切比雪夫加权和二次约束实现了零陷加宽。仿真实验结果表明：新算法计算量小,旁瓣电平低,降低了在干扰运动和导向矢量失配时快拍数和信噪比对性能的影响。     

导向矢量和协方差矩阵联合迭代估计的稳健波束形成算法

针对自适应波束形成器在目标导向矢量存在约束偏差时性能急剧下降的问题,该文提出一种目标导向矢量和干扰噪声协方差矩阵联合迭代估计的稳健波束形成算法。该算法首先采用稀疏重构的方法得到目标导向矢量的初始值,并通过从采样协方差矩阵中剔除目标信号估计值完成干扰加噪声协方差矩阵的初始化;然后在建立导向矢量误差优化模型的基础上,采用凸优化方法对目标导向矢量和干扰加噪声协方差矩阵联合迭代求解。最后利用目标导向矢量和干扰加噪声协方差矩阵的稳态估计值获得自适应权矢量。仿真结果表明该算法提高了波束形成器在目标导向矢量约束偏差时的输出信干噪比。     

一种基于协方差矩阵重构的波束形成算法

针对Capon波束形成在误差条件下敏感性问题,提出一种基于协方差矩阵重构的鲁棒波束形成算法。算法将信号集中出现的空域划分为干扰区域和信号区域,接着将两个区域划分为若干相互独立不重叠的部分,对干扰区域积分,构造出干扰协方差矩阵;再利用采样协方差矩阵特征分解后的最小特征值重构出噪声协方差矩阵;最后对期望信号导向矢量误差进行环不确定集建模,并在期望信号导向矢量环不确定集上进行Capon谱积分来估计期望信号协方差矩阵,根据其主特征矢量获取期望信号导向矢量。仿真表明,与传统鲁棒波束形成算法相比,此方法在不同快拍数以及输入信噪比条件下,性能更加优异且稳定,同时计算量较小。     

基于空时二维协方差矩阵修正的波束形成算法

在实际应用环境中,信源和阵列传感器等存在误差,假设期望信号的导向矢量与真实信源导向矢量的失配会导致阵列波束形成器把期望信号当作干扰来加以抑制。针对信号匹配误差导致自适应波束形成性能下降的问题,提出了一种基于空时二维协方差矩阵修正的波束形成算法,利用空时结构对宽带幅相误差校正的特性,对空时二维协方差矩阵进行重构,并对修正协方差矩阵进行特征值分解,分离出信号加干扰子空间,将失配导向矢量投影可使期望信号与噪声子空间严格正交,最后求解算法最优权值。算法有效改善了波束形成的输出信噪比,计算机仿真验证了理论分析的正确性和算法的稳健性。     

基于嵌套阵列的稀疏表示稳健波束形成方法

针对波束形成中目标方位失配以及噪声加干扰的协方差矩阵非精确重构造成的波束形成方法性能下降的问题,提出一种基于嵌套阵列的稀疏表示稳健波束形成方法。在该方法中,计算嵌套阵的采样协方差矩阵,通过差合作阵处理得到一孔径扩展的虚拟均匀线列阵;基于稀疏表示的方法来估计目标以及干扰的准确方位信息;进一步利用得到的方位信息构造导向矢量,通过最小二乘方法计算干扰信号的精确功率值;最后重构干扰加噪声协方差矩阵,通过波束形成实现干扰抑制。数值仿真表明,所提方法有效提升了干扰加噪声协方差矩阵重构精确度,在不同信噪比和快拍数条件下,输出信噪比都能逼近最优信干噪比,验证了该算法的有效性。     

基于导向矢量估计的鲁棒波束形成

针对标准Capon波束形成器中真实导向矢量与期望导向矢量存在误差时,其性能会急剧下降的问题,提出了基于加权空间平滑与导向矢量估计相结合的鲁棒波束形成算法。该算法利用加权空间平滑方法,对子阵进行特殊的划分,根据子阵间自相关矩阵与互相关矩阵权重差异,采用嵌套的方式获得加权矩阵,继而得到更加精确的协方差矩阵,接着,使用不确定范围约束期望导向矢量来获得真实导向矢量。仿真结果表明,和传统的自适应波束形成算法相比较,本文算法在面对协方差矩阵中含有期望信号以及角度失配问题时,鲁棒性得到明显提升。     

一种相干信号自适应波束形成零陷展宽算法

针对传统自适应波束形成器在相干干扰位置出现快速变化时,输出性能下降,甚至干扰抑制失效的问题,提出了一种相干信号自适应波束形成零陷展宽算法。首先,对接收数据协方差矩阵进行解相干处理得到Toeplitz矩阵;其次,对协方差矩阵进行重构和优化;最后,进行零陷展宽和对角加载处理。仿真结果表明：该算法不仅能对相干干扰自适应形成宽零陷,而且可以灵活地控制零陷的深度和宽度;与Mailloux算法相比,在输入信噪比较高的情况下,该算法能得到更低的波束旁瓣电平和更高的输出信干噪比     

快速扫描机载气象雷达多普勒解模糊算法

本文针对机载气象雷达前视快速扫描下的多普勒模糊问题,提出了两种多普勒解模糊算法：基于改进方位向波束形成算法和基于阻塞矩阵算法。基于改进方位向波束形成算法在传统的Capon波束形成的基础上,利用空间谱积分的方法对非期望信号协方差矩阵进行重构和对导向矢量进行估计,进一步提高了算法的鲁棒性,降低方位角估计误差;基于阻塞矩阵算法需要估计导向矢量,并利用导向矢量计算阻塞矩阵,将接收信号进行多普勒模糊相消预处理,阻塞每个多普勒频点的模糊多普勒分量,以达到解模糊的目的。通过仿真实验证明,两种方法均可以有效地恢复信号的多普勒信息,其中基于阻塞矩阵算法与基于改进方位向波束形成算法相比,有更优良的性能,并有更小的运算量。     

基于斜投影的波束形成算法

采样协方差矩阵求逆（SMI）的波束形成方法在少快拍数、高信噪比和相干信源情况下波束形成性能下降。对角线加载技术能改善方向图畸变,但是加载量的确定一直是一个比较困难的问题。该文提出基于斜投影的波束形成算法,它对接收信号斜投影,可有效消除干扰,进而提高波束形成的鲁棒性。仿真结果表明：该算法在高、中、低信噪比下都具有较好的波束形成性能：且在少快拍数和相干信源情况下仍具有较好的波束形成性能。该算法只需要期望信号的方向矢量和接收信号,是～种性能优越且鲁棒的波束形成算法。     

基于斜投影的波束形成算法

采样协方差矩阵求逆(SMI)的波束形成方法在少快拍数、高信噪比和相干信源情况下波束形成性能下降。对角线加载技术能改善方向图畸变,但是加载量的确定一直是一个比较困难的问题。该文提出基于斜投影的波束形成算法,它对接收信号斜投影,可有效消除干扰,进而提高波束形成的鲁棒性。仿真结果表明:该算法在高、中、低信噪比下都具有较好的波束形成性能;且在少快拍数和相干信源情况下仍具有较好的波束形成性能。该算法只需要期望信号的方向矢量和接收信号,是一种性能优越且鲁棒的波束形成算法。     

基于协方差矩阵重构和导向矢量估计的稳健自适应波束形成

实际应用中, 当假定的与真实的期望信号导向矢量之间存在一定误差时, 波束形成器的性能会急剧下降, 特别是当期望信号功率很强的时候.为解决这个问题, 提出了一种新的算法.当信源数小于阵元数时, 干扰加噪声协方差矩阵具有稀疏性.新方法首先利用该特性重构干扰加噪声协方差矩阵并由此得到与干扰导向矢量正交的子空间, 使接收的数据通过该子空间得到只含有期望信号和噪声的混合信号, 然后,对该混合信号基于最大化输出功率原理估计期望信号导向矢量, 最后,把得到的导向矢量和正交子空间来构造阵列加权值.仿真结果表明:该算法分别在假定的期望信号导向矢量存在误差、期望信号很强和低快拍数时仍然具有良好的性能.     

基于协方差矩阵双层重构的稳健自适应单脉冲测角

常规自适应单脉冲方法在主瓣干扰下会引起自适应波束形成性能恶化并导致其单脉冲比曲线严重失真,影响被动雷达的测角精度与跟踪性能。针对此问题,提出了一种适用于平面阵的基于协方差矩阵双层重构的稳健自适应单脉冲测角方法。首先,利用Capon功率谱通过稀疏重构法初步估计出干扰加噪声协方差矩阵,通过干扰导向矢量估计完成对协方差矩阵的优化校正以提高自适应波束形成性能;然后,基于线性约束最小方差(Linearly Constrained Minimum Variance, LCMV)准则对方位角和俯仰角进行联合线性约束以避免单脉冲比曲线在主瓣干扰下严重失真;最后,根据自适应单脉冲比值求出目标与波束指向之间的偏转角以实现目标测角。与常规方法相比,所提方法在干扰抑制能力与测角精度上都有显著提升。     

转弯畸变拖曳阵声呐鲁棒Capon波束形成方法

针对柔性拖曳阵转弯机动过程,在积累时间内阵形变化导致自适应波束形成性能下降的问题,该文提出一种基于时变阵形聚焦和降维处理的低复杂度鲁棒波束形成方法。首先,基于阵列Water-Pulley模型估计时变阵形,以基准阵形为参考采用预成导向方法对阵形进行聚焦,消除数据中阵形模型偏差;然后,以阵形聚焦后数据协方差矩阵的共轭梯度方向矢量构成降维矩阵,构造大孔径阵列降维鲁棒Capon波束形成器。仿真结果表明:所提方法能够提高转弯机动拖曳阵波束形成输出信号-干扰噪声比(SINR)。海试验证表明:该方法能够提高测向空间谱上目标输出信噪比,提高大孔径阵列机动状态下对弱目标检测能力,同时能区分目标左右舷。     

多子阵互耦影响下的非圆信号自校正算法

针对多子阵互耦影响下的非圆信号波达方向(Direction-Of-Arrival,DOA)估计问题,给出了一种针对最大非圆率信号的互耦自校正算法.该算法利用均匀线阵互耦矩阵的带状、对称Toeplitz性和多子阵互耦矩阵的块状对角特性,能够与传统的互耦秩减估计器一样避免多维搜索和迭代运算.并且通过结合信号的非圆特性来扩展数据模型,使得其估计精度较传统的互耦秩减估计算法有明显提升,可分辨信源数也有所增加.对该算法的理论性能进行研究,分析了其对未知参数的可辨识性必要条件,并基于最大非圆率信号模型给出了相应的克拉美罗界(Cramér-Rao Bound,CRB).仿真结果表明,该算法较传统的互耦秩减估计算法在低信噪比、小快拍数下有更强的鲁棒性.     

迭代对角加载采样矩阵求逆鲁棒自适应波束形成

为有效克服导向矢量大失配误差对自适应波束形成器的影响,该文提出了一种迭代对角加载采样矩阵求逆鲁棒自适应波束形成算法。该算法对传统对角加载算法进行了迭代运算,基于Capon波束形成器的最优权矢量与假定导向矢量的基本关系,将每一步得到的权矢量,对应反解出一个比导向矢量假定值更为准确的导向矢量,并替代假定值,最终逼近真实的期望信号导向矢量。提出的方法在迭代过程中只需一步递推,无需对导向矢量建立不确定集,避免了在每步迭代中运用拉格朗日数值法或凸优化法,且明显提高了波束形成器的输出信干噪比。仿真结果验证了算法的正确性和有效性。     

基于稳健最小二乘的鲁棒波束形成

为解决Capon波束形成器在存在导向矢量失配时的性能急剧下降问题,提出了一种结合广义旁瓣对消器和稳健最小二乘的鲁棒波束形成算法.该算法利用广义旁瓣对消器原理将Capon波束形成器转化为最小二乘问题,然后在数据协方差矩阵误差的范数约束下将其转化为二阶锥规划问题,并利用高效内点法得到最优解.所提出的算法经推导证明属于对角加载类.仿真分析表明,该算法在导向矢量失配和快拍不足时仍具有较好的性能.     

一种联合修正的稳健Capon波束形成算法

指出了水平定向天线阵波束形成的主要难点,没有固定相位中心和受交叉极化来波的影响。阵列受随机性误差使得导向矢量存在较大失配,从而导致传统Capon算法性能下降甚至失效。在阵列误差模型下,给出了基于协方差矩阵与导向矢量联合修正的稳健Capon波束形成算法。该算法首先基于收缩得到一个增强的协方差矩阵,然后通过最大化Capon输出功率实现对导向矢量的修正,同时增加二次型约束防止修正的导向矢量接近于干扰导向矢量上。该算法可转化为二次约束二阶规划问题,并通过凸优化进行求解。仿真结果表明,该算法对天线阵模型中误差矩阵具有一定的稳健性,且较其他稳健算法具有较好的性能。     

改进的双约束稳健Capon波束形成算法

传统双约束稳健Capon波束形成算法采用牛顿迭代法求解最优加载量,存在计算精度低且运算量大的问题。该文提出一种改进的双约束稳健Capon波束形成(DCRCB)算法,该算法对信号协方差矩阵进行重构,基于期望信号导向矢量在噪声子空间的投影最优,将重构后的干扰加噪声协方差矩阵投影到噪声子空间,得到基于噪声子空间的双约束算法模型。该算法中通过模约束的辅助约束作用,将改进的双约束算法模型转化为单约束问题,最终解得最优对角加载量的解析表达式。仿真结果表明改进算法能通过调整主瓣宽度优化波束旁瓣,有效提高了抗矢量偏差的鲁棒性,同时降低了运算量。     

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。