一种抗快速运动干扰的稳健虚拟阵列变换方法

1.本发明涉及通信技术领域，具体涉及一种抗快速运动干扰的稳健虚拟阵列变换方法。


背景技术：

2.自适应波束形成技术能够有效接收期望信号，并抑制干扰和噪声。常规自适应波束形成技术有一个前提，即干扰数量要小于阵列自由度，否则性能会急剧下降，无法有效抑制干扰。虚拟阵列变换(vat)技术通过构造虚拟阵元，将实际阵列转换为虚拟阵列，能够增加阵列自由度，抑制数量超过实际阵列自由度的干扰，是自适应波束形成技术的研究前沿。但vat技术形成的波束零陷较窄且较浅，且存在变换误差。现有vat技术研究，包括减小变换误差，通过正交投影技术加深零陷，以及通过对变换区域进行选择，提高变换性能等。
3.目前，未见针对vat波束形成零陷较窄问题的研究。在实际应用中，会存在快速运动干扰和阵列平台震动等问题，这种情况下，零陷宽度较窄，会出现干扰移除零陷位置的情况，导致波束形成性能急剧下降。针对该问题，本专利提出了一种抗快速运动干扰的稳健虚拟阵列变换技术，填补了相关研究的空白，对提高虚拟阵列变换技术的稳健性具有一定意义。


技术实现要素：

4.针对现有虚拟阵列变换技术，形成的波束零陷较窄，在快速运动干扰情况下会出现干扰移除零陷位置的问题，本发明提出了一种抗快速运动干扰的稳健虚拟阵列变换方法，填补了相关研究的空白，对提高虚拟阵列变换技术的稳健性具有一定意义。
5.一种抗快速运动干扰的稳健虚拟阵列变换方法，包括以下步骤：
6.s1.m个远场信号入射至n元阵列，得到接收信号x(t)＝as(t) n(t)，a表示实际阵列导向矢量矩阵，s(t)表示远场信号的复包络，n(t)表示噪声信号；
7.s2.通过变换矩阵b将实际阵列转换为虚拟阵列，对预设的虚拟阵列导向矢量矩阵进行扩展得到扩展虚拟阵列导向矢量矩阵ak，其中变换矩阵由实际阵列导向矢量矩阵a与预设的虚拟阵列导向矢量矩阵计算得到；
8.s3.获取接收信号x(t)的采样协方差矩阵r，通过变换矩阵b计算采样协方差矩阵r得到变换协方差矩阵对变换协方差矩阵进行扩展得到扩展协方差矩阵rk；
9.s4.将扩展虚拟阵列导向矢量矩阵ak中的每个扩展虚拟阵列导向矢量分别与扩展协方差矩阵rk进行运算，得到对应的权矢量，解决波束形成中的波束零陷窄且浅的问题。
10.进一步的，实际阵列导向矢量矩阵a表示为a＝[a(θ1),a(θ2),
…
,a(θm)]，其中m为实际阵列的入射信号数量，a(θm)表示a中的第m＝1,2,
…
,m个实际阵列导向矢量，n为实际阵列的阵元数，d为阵元间距，λ表示信号波长；通过变换矩阵b将实际阵列转换为虚拟阵列后，对虚拟阵列导向矢量矩阵
进行扩展，即对每个虚拟阵列导向矢量进行扩展，表示为表示表示中的第m个虚拟阵列导向矢量，ak(θm)表示第m个扩展虚拟阵列导向矢量。
[0011]
进一步的，对变换协方差矩阵进行扩展得到扩展协方差矩阵rk，表示为：
[0012][0013]
进一步的，权矢量的计算公式为：
[0014]
w＝[a
kh
(θd)r
k-1ak
(θd)]-1rk-1ak
(θd)
[0015]
其中，()h表示共轭转置运算，θd表示第d＝1,2,
…
,m个期望信号的到达角度，r
k-1
表示扩展协方差矩阵的逆，ak(θd)表示与期望信号对应的扩展虚拟阵列导向矢量。本发明的有益效果：
[0016]
本发明所提出的方案采用变换后协方差矩阵和其自身的克罗内克积，作为新的扩展协方差矩阵，同时扩展虚拟阵列的导向矢量，再采用扩展后的协方差矩阵和导向矢量，求解权矢量。在此过程中，克罗内克积运算会加强协方差矩阵中的干扰分量，并产生大量的虚拟干扰分量，从而获得更宽的波束零陷，实现基于虚拟阵列变换的波束形成零陷展宽。
[0017]
与现有虚拟阵列变换波束形成技术相比，所提出的技术能够有效扩展波束零陷，从而抑制快速运动干扰，提高波束形成对快速运动干扰的稳健性和输出性能。
附图说明
[0018]
图1为本发明实施例的方法流程图；
[0019]
图2为本发明实施例的虚拟阵列变换行的波束对比图。
具体实施方式
[0020]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0021]
在常规的虚拟阵列变换波束形成方法中，通常假设有若干个远场信号入射至n元阵列，阵列接收信号并且接收的信号表示中包含实际阵列导向矢量矩阵；通过变换矩阵将实际阵列转换为虚拟阵列，然后根据变换矩阵处理该接收信号的采样协方差矩阵，得到变换后的协方差矩阵，最后根据变换后的协方差矩阵计算权矢量。
[0022]
但这种方法在实际应用中，会存在快速运动干扰和阵列平台震动等问题，这种情况下，零陷宽度较窄，会出现干扰移除零陷位置的情况，导致波束形成性能急剧下降。
[0023]
为此本发明提供了一种抗快速运动干扰的稳健虚拟阵列变换方法，如图1所示，包括以下步骤：
[0024]
s1.m个远场信号入射至n元阵列，n元阵列为均匀直线矩阵，得到接收信号x(t)＝as(t) n(t)，a表示实际阵列导向矢量矩阵，s(t)表示远场信号的复包络，n(t)表示噪声信号；
[0025]
s2.通过变换矩阵b将实际阵列转换为虚拟阵列，对预设的虚拟阵列导向矢量矩阵
进行扩展得到扩展虚拟阵列导向矢量矩阵ak，其中变换矩阵由实际阵列导向矢量矩阵a与预设的虚拟阵列导向矢量矩阵计算得到，表示为：
[0026][0027]
s3.获取接收信号x(t)的采样协方差矩阵r，通过变换矩阵b计算采样协方差矩阵r得到变换协方差矩阵表示为：
[0028][0029]
对变换协方差矩阵进行扩展得到扩展协方差矩阵rk；
[0030]
s4.将扩展虚拟阵列导向矢量矩阵ak中的每个扩展虚拟阵列导向矢量分别与扩展协方差矩阵rk进行运算，得到对应的权矢量，解决波束形成中的波束零陷窄且浅的问题。
[0031]
具体地，实际阵列导向矢量矩阵a表示为a＝[a(θ1),a(θ2),
…
,a(θm)]，其中a(θm)表示a中的第m＝1,2,
…
,m个实际阵列导向矢量，m为实际阵列的入射信号数量，n为实际阵列的阵元数，d为阵元间距，λ表示信号波长；通过变换矩阵b将实际阵列转换为虚拟阵列后，对虚拟阵列导向矢量矩阵进行扩展，即对每个虚拟阵列导向矢量进行扩展，表示为表示中的第m个虚拟阵列导向矢量，ak(θm)表示第m个扩展虚拟阵列导向矢量，m＝1,2,
…
,m。
[0032]
具体地，对变换协方差矩阵进行扩展得到扩展协方差矩阵rk，表示为：
[0033][0034]
具体地，权矢量的计算公式为：
[0035]
w＝[a
kh
(θd)r
k-1ak
(θd)]-1rk-1ak
(θd)
[0036]
其中，()h表示共轭转置运算，θd表示第d＝1,2,
…
,m个期望信号的到达角度，r
k-1
表示扩展协方差矩阵的逆，ak(θd)表示期望信号对应的扩展虚拟阵列导向矢量。
[0037]
在一实施例中，扩展协方差矩阵rk还可以表示为：
[0038][0039]
其中，u表示采样协方差阵r的特征矢量矩阵，σ表示采样协方差阵r的特征值对角阵，表示变换协方差矩阵的特征矢量矩阵，表示变换协方差矩阵的特征值组成的对角阵，该表达式还可进一步表示为：
[0040][0041]
其中，表示扩展协方差矩阵rk中第n个特征值。
[0042]
通过上述扩展的公式可知，扩展协方差矩阵rk中的特征值经过克罗内积运算被扩大，而该特征值对应于干扰的功率大小，故扩展协方差矩阵中的干扰分量被扩展，能够形成
更深的零陷。同时，特征矢量矩阵经过克罗内克积运算后会在干扰附近形成一束虚拟的导向矢量，其中包含于干扰分量对应的虚拟阵列导向矢量，从而形成更宽的波束零陷。
[0043]
在一实施例中，假设有4元均匀直线矩阵，其阵元间距为波长，入射信号为远场非相干情况，期望信号入射角为0度，干扰入射角为-55度、-25度和40度，信噪比为0db，干扰噪声比为40db。经过虚拟阵列变换后，虚拟阵列的阵元数为6，阵元间距为半波长，虚拟区域为[-60
°
,-50
°
]、[-30
°
,-20
°
]和[35
°
,45
°
]，快拍数为200，将本发明提出的虚拟阵列变换方法与常规虚拟阵列变换方法进行对比仿真，结构如图2所示，常规虚拟阵列变换方法和所提出的抗快速运动干扰的稳健虚拟阵列变换技术都能够在干扰方向形成零陷，但本发明所提方法能够形成更宽的波束零陷，达到抗快速运动干扰，提高波束形成稳健性的目的。
[0044]
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置”、“连接”、“固定”、“旋转”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0045]
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。