一种鲁棒低旁瓣宽带自适应波束形成方法及装置

本技术涉及阵列信号处理领域，尤其涉及一种鲁棒低旁瓣宽带自适应波束形成方法及装置。

背景技术：

1、在阵列信号处理领域，传统宽带波束形成技术虽然在理论上能够实现频率不变波束，但在实际工程应用中存在显著的技术局限性。首先，这类算法缺乏自适应处理能力，无法根据实际信号环境动态调整波束特性，导致其在复杂电磁环境下的适应性不足。更为关键的是，现有的宽带自适应频率不变波束形成算法虽然解决了自适应处理的问题，但仍存在两个主要技术缺陷：一方面，其波束旁瓣电平普遍偏高，难以有效抑制强干扰信号；另一方面，当系统存在指向误差时，算法的信干噪比性能会显著下降，严重影响系统的实际使用效果。

技术实现思路

1、本技术提供一种鲁棒低旁瓣宽带自适应波束形成方法及装置，解决了现有技术同时实现频率不变波束和自适应处理时，旁瓣电平偏高和指向误差导致信干噪比下降的技术问题。

2、为达到上述目的，本技术采用如下技术方案：

3、第一方面，提供一种鲁棒低旁瓣宽带自适应波束形成方法，包括：

4、s1、建立阵列空间响应偏差模型srv；

5、s2、基于srv构建多目标优化问题；

6、s3、对多目标优化问题进行求解，得到最优的权向量；

7、s4、根据权向量设计波束形成器；

8、s5、通过波束形成器接收若干来波信号并加权求和，得到信号波束。

9、基于上述技术方案，在本技术提供的一种鲁棒低旁瓣宽带自适应波束形成方法中，通过建立srv精确表征实际阵列特性，并构建稀疏约束下的多目标优化问题，在保证主瓣指向精度的同时实现了三大性能突破：一是引入稀疏约束显著降低波束旁瓣电平，有效抑制非目标方向干扰；二是增强算法对指向误差的鲁棒性，克服阵列失配和环境扰动影响；三是优化宽带信号处理能力，显著改善输出信干噪比性能。另外，通过凸优化求解最优权向量，在复杂电磁环境下既能维持稳定的主瓣增益，又具备优异的干扰抑制能力，同时兼顾了计算效率和工程实用性，为宽带雷达、通信等系统提供了高性能的波束形成解决方案。

10、结合上述第一方面，在一种可能的实现方式中，所述srv为实际阵列与理想模型的偏差；其中，所述srv为：

11、；

12、式中，为来波信号的频率范围；为潜在目标的来波方向集合；w为权向量，，m为天线阵元的数量，j为波束形成器的阶数，为复数域；a(f,θ)为来波信号的导向矢量，f为来波信号的频率，fr为来波信号的参考频率，θ为来波信号的方向；为根据srv定义的共轭对称矩阵；其中，所述q为：

13、。

14、结合上述第一方面，在一种可能的实现方式中，所述多目标优化问题的表达式为：

15、；

16、其中，rx为来波信号的协方差矩阵；为控制波束频率不变特性的权重；θ0为期望信号的来波方向；为控制旁瓣抑制强度的权重；为信号波束的第k个角度离散网格；为信号波束的旁瓣区域，为预设的离散角个数。

17、结合上述第一方面，在一种可能的实现方式中，所述对多目标优化问题进行求解，包括：

18、s41、对多目标优化问题进行cholesky分解；

19、s42、将分解后的多目标优化问题转化为标准二阶锥规划形式；

20、s43、对标准二阶锥规划形式的多目标优化问题进行求解，得到最优的权向量。

21、结合上述第一方面，在一种可能的实现方式中，所述对多目标优化问题进行cholesky分解，包括：

22、s51、对rx和q分别进行cholesky分解，得到：；其中，u和q1为下三角矩阵；

23、s52、将多目标优化问题表达式中的和替换为和；

24、s53、使最小化等价于最小化，对多目标优化问题的表达式进行等价转化，得到等价公式：

25、；

26、s54、引入变量代数，对等价公式进行等价转化，得到转换公式：

27、。

28、结合上述第一方面，在一种可能的实现方式中，所述将分解后的多目标优化问题转化为标准二阶锥规划形式，包括：

29、s61、定义变量，将转换公式中的转换为标准二阶锥规划表达式；其中，所述标准二阶锥规划表达式为：

30、，

31、；

32、s62、将记为，对转换公式中的等式约束用零锥的定义表示，得到零锥公式；其中，所述零锥公式为：

33、；

34、s63、对转换公式中的转化为标准二阶锥规划形式，得到旁瓣约束；其中，所述旁瓣约束的表达式为：

35、；

36、s64、定义，，，结合等价公式、转换公式、标准二阶锥规划表达式、零锥公式和旁瓣约束，将多目标优化问题的表达式转化为标准二阶锥规划形式，得到：

37、。

38、结合上述第一方面，在一种可能的实现方式中，所述对标准二阶锥规划形式的多目标优化问题进行求解的方式为采用sedumi凸优化算法，获得全局最优解；所述最优的权向量w为全局最优解中最后的mj个分量。

39、结合上述第一方面，在一种可能的实现方式中，所述波束形成器由天线阵、a/d转换器、延迟线、乘法器和求和器组成。

40、结合上述第一方面，在一种可能的实现方式中，所述信号波束的表达式为：

41、；

42、其中，为第n次快拍接收到的来波信号，。

43、第二方面，提供一种通信装置，包括：通信单元和处理单元；所述通信单元，用于接收来波信号；所述处理单元，用于建立阵列空间响应偏差模型srv；基于srv构建多目标优化问题；对多目标优化问题进行求解，得到最优的权向量；根据权向量设计波束形成器；通过波束形成器对若干来波信号进行加权求和，得到信号波束。

44、第三方面，本技术提供了一种通信装置，包括：处理器和存储介质；存储介质包括指令，处理器用于运行指令，以实现如第一方面和第一方面的任一种可能的实现方式中所描述的方法。该通信装置可以是电子设备，也可以是电子设备中的芯片。

45、第四方面，本技术提供一种鲁棒低旁瓣宽带自适应波束形成系统，包括：天线阵列模块、数字信号处理模块和控制与接口模块；其中，天线阵列模块用于接收来波信号；数字信号处理模块用于建立阵列空间响应偏差模型srv；基于srv构建多目标优化问题；对多目标优化问题进行求解，得到最优的权向量；根据权向量设计波束形成器；通过波束形成器对若干来波信号进行加权求和，得到信号波束；控制与接口模块用于将天线阵列接收的来波信号传输至数字信号处理模块。

46、第五方面，本技术提供了一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质中存储有指令，当该指令在通信装置上运行时，使得通信装置执行如第一方面和第一方面的任一种可能的实现方式中所描述的方法。

47、第六方面，本技术提供一种包含指令的计算机程序产品，当该计算机程序产品在通信装置上运行时，使得通信装置执行如第一方面和第一方面的任一种可能的实现方式中所描述的方法。

48、本技术提供一种鲁棒低旁瓣宽带自适应波束形成方法及装置，通过建立srv精确表征实际阵列特性，并构建稀疏约束下的多目标优化问题，在保证主瓣指向精度的同时实现了三大性能突破：一是引入稀疏约束显著降低波束旁瓣电平，有效抑制非目标方向干扰；二是增强算法对指向误差的鲁棒性，克服阵列失配和环境扰动影响；三是优化宽带信号处理能力，显著改善输出信干噪比性能。另外，通过凸优化求解最优权向量，在复杂电磁环境下既能维持稳定的主瓣增益，又具备优异的干扰抑制能力，同时兼顾了计算效率和工程实用性，为宽带雷达、通信等系统提供了高性能的波束形成解决方案。

49、应当理解的是，本技术中对技术特征、技术方案、有益效果或类似语言的描述并不是暗示在任意的单个实施例中可以实现所有的特点和优点。相反，可以理解的是对于特征或有益效果的描述意味着在至少一个实施例中包括特定的技术特征、技术方案或有益效果。因此，本说明书中对于技术特征、技术方案或有益效果的描述并不一定是指相同的实施例。进而，还可以任何适当的方式组合本实施例中所描述的技术特征、技术方案和有益效果。本领域技术人员将会理解，无需特定实施例的一个或多个特定的技术特征、技术方案或有益效果即可实现实施例。在其他实施例中，还可在没有体现所有实施例的特定实施例中识别出额外的技术特征和有益效果。