认知无线电中发射端多波束形成算法及接收端低旁瓣波束形成算法

在认知用户基站发射端,针对多用户产生多波束使每个波束的主瓣方向对准目标信号 而零陷对准干扰方向,实现多用户同频通信从而提高频谱的利用率。而接收端需要波束形成 算法具有抗干扰的能力,因此,本文提出了适用于授权用户基站接收端的低旁瓣波束形成算 法,在主用户面对干扰时,其接收信号质量不会大幅下降。仿真实验验证了本文的算法。     

一种广域稀布雷达低旁瓣波束形成方法

广域稀布雷达具有抗干扰、抗摧毁能力强等优点,但是其方向图会因阵元稀布而存在大量的高旁瓣。提出一种脉组内捷变频联合波束形成方法,通过在雷达的连续脉组内发射不同频率的信号,并将不同频率的信号进行相参合成,在使主瓣电平不变的情况下,得到更低的旁瓣电平。通过与遗传算法相结合,并设定适当的约束和适应度函数,经迭代优化后的布局,可以得到具有更低的旁瓣电平的方向图。仿真结果表明：经该方法优化后,广域稀布线阵旁瓣电平降低至-11.85dB,广域稀布面阵方位向和俯仰向旁瓣电平分别降低至-14.18dB及-14.73dB。该方法可以有效降低广稀疏阵列的旁瓣电平。     

一种精确控制旁瓣的自适应波束形成算法

提出了一种精确控制旁瓣和抑制干扰的自适应波束形成算法。它是通常的最小方差无畸变（MVDR）波束形成算法的改进形式，使阵列输出信号功率最小的同时，保持目标信号方向的无失真响应，并且严格保证旁瓣低于某一给定值，抑制干扰。在仿真过程中，充分应用了二阶锥规划（second—order cone programming）算法，并与MVDR波束形成算法进行比较，验证了方法的正确性，同时研究了该算法的稳健性。     

基于FFT的矩形阵波束形成算法

为提高矩形阵的波束形成算法的效率,在波束形成中引入了快速傅立叶变化.基于快速傅立叶变换,将阵所接收的数据从时域变换到频域,通过对相位进行均分,使数据在空间域上进行排序重组,再次利用快速傅立叶变换从空间域转化到波数域上,经过相位修正形成波束图.仿真实验表明,随着阵元数增大,采用快速傅立叶变换能有效降低运算量,提高运算速度,降低对硬件的要求,易于工程实现.     

六角形阵快速傅立叶变换波束形成算法

在六角形阵阵元数较多时,传统的频域相移求和波束形成方法要求的运算量很大.为此提出一种采用六角形快速傅立叶变换HFFT(Hexagonal Fast Fourier Transform)的波束形成算法.使用六角形傅立叶变换HDFT(Hexagonal Discrete Fourier Transform)完成六角形阵的波束形成,由于HDFT存在快速算法HFFT,因此能够显著降低波束形成的运算量.首先在各个通道上做FFT,将信号变换到频域,然后转角重排,再对各个阵元上相同的频点做HFFT,得到频域常规波束形成输出.理论分析表明,对于窄带信号的六角形阵波束形成,所提出的算法所需的计算量比传统的相移求和方法降低了95%以上.仿真和试验结果表明,提出的算法在不影响阵列处理性能的同时,显著降低了波束形成所需的计算量,易于工程实现.     

基于真延时的时控阵雷达波束形成方法

提出一种基于真延时的时控阵雷达方案,并给出时控阵雷达波束形成方法。该方法对信号带宽内所有频率分量实现波程差精确补偿,实现阵元回波的精确延时,解决了宽带相控阵雷达孔径渡越和频率色散的问题。文中以宽带线性调频信号为例进行了仿真。仿真结果表明,基于真延时的宽带时控阵不存在宽带相控阵的孔径渡越和频率色散的问题,提高了宽带阵列的天线增益、方位分辨率和距离分辨率。基于真延时的时控阵雷达波束形成技术对调制信号波形没有要求,可用于各种宽带和超宽带雷达。     

基于遗传算法的均匀子阵数字多波束形成研究

现代雷达系统一般采用子阵的形式减少通道数,均匀划分的子阵有利于减小微波网络的实现难度,但形成多波束时会出现栅瓣。为此提出一种基于遗传算法搜索权值,包括阵元权和通道权形成多波束,以降低栅瓣,改善多波束性能。仿真实验表明,该方法是有效可行的。     

二维面阵子阵划分及PADBF算法研究

在雷达系统抗干扰优化问题的研究中,自适应数字滤波为主要手段。应用二维面阵子阵划分方法与部分自适应数字波束形成算法中,子阵划分是部分自适应数字波束形成技术为基础。针对二维面阵子阵划分,对降低子阵划分工程实现复杂度大,提出了等功率噪声法与遗传算法(GA)相结合的子阵划分方法,可使同一子阵单元紧密相邻同时避免栅瓣出现。为改善子阵级部分自适应数字波束形成波束旁瓣电平,采用归一法的部分自适应数字波束形成算法,可有效地对干扰进行抑制,显著改善波束旁瓣电平。通过建立二维面阵信号模型,对所提方法进行了计算机仿真,仿真结果证明了所提方法的有效性,可为雷达系统性能优化提供了依据。     

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。     

基于最小二乘估计的虚拟阵元波束形成仿真

在混响干扰为主的浅海探测背景下,通常希望能得到主瓣宽度比较窄的波束.常规的波束形成方法中,对于一定频率的基阵,一般只有通过增加孔径长度来提高基阵分辨率.而这种方法又往往会受到实际工程的限制.因此提出了一种基于最小二乘估计理论的虚拟阵元波束形成算法.该方法针对有限尺度基阵,根据实际已知阵元的接收数据,运用最小二乘估计方法,估计虚拟阵元上的接收数据,使实际基阵的孔径在虚拟的意义上得到了扩大,从而实现了高指向性窄波束,提高了基阵的指向性指数.仿真实验结果也表明了该方法的有效性.     

一种新的矢量传感器线列阵波束形成算法

为了提高基于矢量线列阵的目标方位估计能力,将基于时域解析信号实现最小方差无畸变响应（ MVDR）的方法——TAMVDR算法引入到了矢量线列阵信号处理中,提出了实现矢量线列阵波束形成的VTAMVDR算法。理论分析了矢量线列阵VTAMVDR算法的原理,该算法通过Hilbert变换对时域宽带信号引入复权向量,不需要进行子带分割,且不需要对数据进行分块处理,获得稳定优化权向量估计所需要的数据长度远小于频域MVDR方法,数据长度合适时,单次快拍即可实现波束形成,大大降低了运算量。仿真和海上试验数据分析结果表明：VTMVDR算法相比于频域MVDR算法具有较好的性能,具有更高的分辨率和更窄的波束角,有更好的探测性能。     

稳健的全阵波束形成方法

由于相干干扰和角度估计误差影响波束形成性能,对此提出一种稳健的波束形成方法。采用加权空间平滑算法去除相干性;对期望信号施加约束,保证一定角度估计误差范围内算法的稳健性;进行全阵波束形成变换,避免阵列孔径损失。仿真结果表明,在相干干扰环境中,该算法的方向图在期望信号方向有明显主瓣,有利于接收期望信号;在一定的角度估计误差范围内,该算法可保持比较高的且比较平坦的输出信干噪比;随着输入信噪比的增加,输出信干噪比几乎线性增大。     

基于水平极化定向天线阵的数字波束形成算法

研究窄带多径环境下基于短波水平极化定向天线阵列的数字波束形成算法,短波定向天线阵列流型复杂无法确定建模,常采用盲波束形成算法。针对现有盲波束形成算法所需先验信息多、弱信号效果差、使用范围有限且复杂度较高等问题,设计了一种短波多极化异构阵列协同处理方案,提出了基于自适应加载投影反馈的多径增强波束形成算法。该异构阵列包含短波垂直极化全向天线阵和短波水平极化定向天线阵,充分利用两种极化阵列优点,算法综合利用空间平滑、协方差矩阵求逆和空间投影等方法,通过自适应加载处理提高波形估计的稳健性。算法计算简便,所需先验信息少,非理想条件适应性强。推导了算法的实现过程和误差分析,计算机仿真验证了算法的有效性。     

A unified systolic array for adaptive beamforming

We present a new algorithm and systolic array for adaptive beamforming. Our approach improves on McWhirter's pioneering work in two respects. First, our algorithm uses only orthogonal transformations and thus should have better numerical properties. Second, the algorithm can be implemented on one single p × p triangular array of programmable processors that offers a throughput of one residual element per cycle.     

一种基于相干波束形成的零陷加宽算法

针对干扰信号和期望信号相干导致"干扰欠相消"以及由于干扰扰动而无法去除的问题,提出了一种基于前后向空间平滑的零陷加宽算法。该算法首先通过前后空间平滑方法去相干,并利用最佳下降的递推方法求得最优权矢量。再将此权矢量作为一个"标准"的输出权值,利用二次约束的方法加宽方向图的零陷范围。通过理论分析和实验仿真验证了算法的正确性和有效性。     

基于维纳后置滤波的LS波束形成混响抑制算法

混响导致语音信号时间和频率模糊,严重时语音变得难以理解。为了提高语音质量,提出一种具有维纳后置滤波的最小二乘波束形成混响抑制算法。该算法将混响后的语音信号分为直达部分和混响部分,得到维纳后置滤波器增益估计;针对语音信号在低频部分噪声相干性较强的问题,利用最小二乘波束形成算法进行分频处理,最后求解最优权值。仿真实验表明,所提出的算法具有较好的混响抑制特性。     

基于干扰噪声矩阵重构的自适应波束形成算法

针对在自适应波束形成中,当采样次数较少或期望信号导向矢量存在误差以及训练数据中含有期望信号成分时导致波束输出信干噪比(SINR)下降的问题,提出了一种重构干扰噪声协方差矩阵并且估计期望信号导向矢量的稳健自适应波束形成方法。在期望信号波达方向的角度范围已知的条件下,首先利用多重信号分类（MUSIC）空间谱在不含期望信号的区域重构出干扰噪声协方差矩阵;然后推导了避免期望信号的导向矢量的估计值收敛到任一干扰的导向矢量或它们的线性组合的约束条件;进而以此约束条件和阵列输出功率最大化条件建立了期望信号导向矢量估计的优化问题,并使用凸优化软件估计出最优的期望信号导向矢量。讨论了该方法的计算复杂度并通过仿真实验验证了其有效性和优越性。仿真结果表明,当期望信号和干扰源存在随机指向误差和局部散射的情况下,所提方法在很大的输入信噪比范围内的输出信干噪比仍接近理论值,优于其他自适应波束形成方法。     

DOA estimation based on fourth order cumulant beamforming for nonuniform linear array of DIFAR sonobuoys

The Directional Frequency Analysis and Recording (DIFAR) sonobuoy has been widely used in underwater target localization because it can capture more information than the Low Frequency Analysis and Recording (LOFAR) omnidirectional sonobuoy. Recently, array processing for fields of DIFAR sonobuoys has attracted considerable attention in order to enhance the direction of arrival (DOA) estimation performance and accuracy. DIFAR sonobuoys may become irregularly spaced due to the deployment method and the drift experienced once deployed, resulting in a nonuniform array. In this paper, we demonstrate the fourth-order cumulant beamforming (FOC-BF) technique to estimate the DOA for a nonuniform linear array of DIFAR sonobuoys. FOC-BF was compared with the conventional beamforming (CBF) through simulation works. The results show that FOC-BF provides better spatial spectrum with lower sidelobes than CBF. Furthermore, FOC-BF provides superior DOA estimation accuracy over CBF at very low signal to noise ratios (SNR).     

Performance evaluation of uniform linear array for adaptive beamforming using a novel Fibonacci branch algorithm

A new metaheuristic algorithm Fibonacci branch search (FBS) based on two innovative criteria rules, tree's branches fundamental structure and interactive searching rules, was introduced in this paper and applied to adaptive beamforming (ABF) field for uniform linear array. The global optima in search space can be reached by FBS during the searching process by the fitness evaluation of optimization rules. In this mode, two types of multidimensional points are to construct the branch structure of FBS based on shortening fraction selected by Fibonacci series. Then, the interactive local optimization and global searching rules are implemented alternately to obtain the optimal solutions, avoiding the search points trapping and stagnating in the local optimum. The performance of global searching ability of FBS has been evaluated by standard benchmark functions. It is also used here to construct an ABF technique as a practical issue to improve the nulling level. The simulation results of implemetation of FBS are compared with the five well‐known heuristic optimization algorithms and verfied the superior of the proposed FBS approach in both locating the global optimal solution and higher precision of nulling improvement in the ABF.     

基于简化模型的动态矩阵控制算法

提出了一种改进的动态矩阵控制算法。通过将模型参数转化为控制参数,过程模型的辨训僦转化为控制器参数整定的过程,本算法特别适用于智能化数字调节仪表。