一種增強(qiáng)零陷的穩(wěn)健Capon波束形成器設(shè)計(jì)

鄭義　陳方舟　馮超

摘 要：陣列天線因其分辨率高、增益強(qiáng)、方便控制等特點(diǎn)，在民用以及軍用通信、雷達(dá)、探測(cè)等領(lǐng)域的作用不言而喻。其中，自適應(yīng)波束形成技術(shù)是陣列天線信號(hào)處理的重要組成部分，本質(zhì)是空域?yàn)V波技術(shù)，可有效抑制干擾，定向控制波束方向，以充分發(fā)揮雷達(dá)性能。因此，設(shè)計(jì)一種增強(qiáng)零陷的穩(wěn)健Capon波束形成器，用于提升陣列天線在角度失配條件下的性能。通過重構(gòu)協(xié)方差矩陣預(yù)先估計(jì)導(dǎo)引矢量，引入零陷寬度，增強(qiáng)天線性能。經(jīng)經(jīng)仿真分析，該算法在角度失配條件下具備良好的性能。

關(guān)鍵詞：陣列天線;自適應(yīng)波束形成算法;協(xié)方差矩陣;空域?yàn)V波技術(shù);零陷寬度

中圖分類號(hào)：TN911.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2019）32-0081-03

Design?of?Robust?Capon?Beamformer?with?Enhanced?Nulling

ZHENG?Yi1 CHEN?Fangzhou2 FENG?Chao1

（1.66133?Troops?of?the?Chinese?People's?Liberation?Army，Beijing?100041;2.Department?of?Aerospace?Systems?of?the?PLA?Strategic?Support?Force，Beijing?100089）

Abstract：?Due?to?its?high?resolution，?strong?gain，?and?convenient?control，?array?antennas?are?self-evident?in?the?fields?of?civil?and?military?communications，?radar，?and?detection.?Among?them，?the?adaptive?beamforming?technology?is?an?important?part?of?the?array?antenna?signal?processing.?The?essence?is?the?spatial?domain?filtering?technology，?which?can?effectively?suppress?the?interference?and?directionally?control?the?beam?direction?to?fully?exert?the?radar?performance.?Therefore，?a?robust?capon?beamforming?with?enhanced?nulling?is?designed?to?improve?the?performance?of?the?array?antenna?under?angular?mismatch?conditions.?The?steering?vector?is?estimated?in?advance?by?reconstructing?the?covariance?matrix，?and?the?null?width?is?introduced?to?enhance?the?antenna?performance.?After?simulation?analysis，?the?algorithm?has?good?performance?under?angle?mismatch?conditions.

Keywords：?array?antenna;adaptive?beamforming?algorithm;covariance?matrix;airspace?filtering?technique;width?of?the?depression

自適應(yīng)波束形成技術(shù)在無線電通信、雷達(dá)、聲吶等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用[1，2]。傳統(tǒng)的自適應(yīng)波束形成方法，如標(biāo)準(zhǔn)的Capon波束形成器（standardcapon?beamformer，SCB），是通過自適應(yīng)地選擇加權(quán)向量來最小化陣列輸出功率，同時(shí)施加一個(gè)線性約束，以保證期望信號(hào)無失真。然而，Capon波束形成器的最優(yōu)性能是建立在采樣快拍數(shù)足夠多以及對(duì)期望信號(hào)導(dǎo)向矢量精確已知的前提之上。當(dāng)快拍數(shù)較少時(shí)，Capon波束形成器會(huì)產(chǎn)生高旁瓣的波束響應(yīng)，降低陣列輸出信干噪比（signal?to?interference-plus-noise?ratio，SINR）并提高系統(tǒng)的虛警概率。存在角度失配時(shí)，Capon波束形成器會(huì)將期望信號(hào)誤當(dāng)作干擾而抑制，嚴(yán)重削弱其波束形成性能[3，4]。常用的提高Capon波束形成器穩(wěn)健性的方法有對(duì)角加載方法和基于特征空間的方法等。對(duì)角加載可以在一定程度上提高Capon波束形成器的穩(wěn)健性，但在實(shí)際應(yīng)用中如何確定最優(yōu)加載量是一個(gè)難題。

目前，自適應(yīng)波束形成技術(shù)（尤其是傳統(tǒng)的穩(wěn)健Capon波束形成器）在角度失配的情況下仍然可以實(shí)現(xiàn)波束對(duì)準(zhǔn)，但是性能會(huì)有一定程度的損失[5-6]。本文力圖通過重構(gòu)信號(hào)協(xié)方差矩陣預(yù)先估計(jì)期望信號(hào)的導(dǎo)引矢量，從而準(zhǔn)確掌握期望信號(hào)方向，校準(zhǔn)自適應(yīng)波束形成器的矢量權(quán)值。不僅如此，加入一定范圍的零陷寬度，會(huì)使得自適應(yīng)波束形成器的干擾零陷加寬，從而實(shí)現(xiàn)一箭雙雕的效果。

1 穩(wěn)健Capon波束形成器增強(qiáng)零陷設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)模型為[M]陣元陣列天線，波束形成器接受[Q]個(gè)窄帶信號(hào)，這里需要假設(shè)信源之間是相互獨(dú)立的[7，8]。使用[xs（k）]表示第[k]個(gè)快拍中的期望信號(hào)，[xj（k）]表示第[k]個(gè)快拍中的[Q-1]個(gè)干擾成分，[n（k）]表示高斯白噪聲，則信號(hào)表示為：

對(duì)比理想Capon波束形成器的穩(wěn)健波束形成算法和有關(guān)研究中的兩種穩(wěn)健波束形成算法[2，3]，其方向圖如圖1所示。

Capon波束形成器建立在最大信噪比準(zhǔn)則上，然而其實(shí)際性能受陣列信號(hào)采樣快拍數(shù)的影響較大。設(shè)計(jì)的增強(qiáng)零陷的穩(wěn)健Capon波束形成器，可以正確指示來波方向，形成較寬的零陷。

3 結(jié)論

本文針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)Capon波束形成器中旁瓣過高和導(dǎo)向矢量角度失配而導(dǎo)致的性能下降問題，提出一種增強(qiáng)零陷的穩(wěn)健Capon波束形成器。它克服了角度失配下導(dǎo)引矢量估計(jì)難題，可以正確指示來波方向，形成較寬零陷，有利于實(shí)際運(yùn)用。與目前已有的約束波束形成方法相比，本文提出的方法實(shí)現(xiàn)了在低采樣快拍數(shù)條件下同時(shí)兼顧低旁瓣級(jí)、干擾零陷深度、導(dǎo)向矢量角度失配穩(wěn)健性等多個(gè)指標(biāo)。

參考文獻(xiàn)：

[1]Jian?L，Petre?S，Zhisong?W.On?robust?Capon?beamforming?and?diagonal?loading[J].IEEE?Transactions?on?Signal?Processing，2003（7）：1702-1715.

[2]Zhang?W，Wang?J，Wu?S.Robust?Capon?beamforming?against?large?DOA?mismatch[J].IEEE?Transactions?on?Signal?Processing，2013（4）：804-810.

[3]Yunxiao?J.Robust?adaptive?beamforming?with?null?widening?under?quadratic?constraint[J].IEEE?Transactions?on?Signal?Processing，2017（4）：971-987.

[4]劉振，孫超，劉雄厚，等.一種加權(quán)稀疏約束穩(wěn)健Capon波束形成方法[J].物理學(xué)報(bào)，2016（10）：151-159.

[5]郭拓，王英民，任笑瑩，等.采用空間譜加權(quán)稀疏約束的穩(wěn)健Capon波束形成方法[J].聲學(xué)學(xué)報(bào)，2018（4）：10-11.

[6]郗潤平，馮杰.基于子空間的穩(wěn)健自適應(yīng)波束形成方法[J].計(jì)算機(jī)仿真，2008（1）：351-354.

[7]趙宇，李文興，毛曉軍，等.一種抗陣列流型誤差的波束形成零陷展寬方法[J].哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2018（1）：163-168.

[8]張妍潔，周淵平.一種有限快拍情況下基于特征空間的穩(wěn)健波束形成算法[J].四川大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2011（2）：93-96.

[9]黃超，張劍云，朱家兵，等.基于二階錐規(guī)劃的相干信號(hào)深零陷自適應(yīng)波束形成[J].電子信息對(duì)抗技術(shù)，2016（5）：76-82.