專利名稱：半盲的最小方差無失真響應(yīng)波束形成方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于接收無線傳播信號(hào)的傳感器陣列信號(hào)處理，涉及波束形成器接收的陣列信號(hào)處理方法，尤其涉及半盲的最小方差無失真響應(yīng)波束形成方法。

背景技術(shù)：
波束形成器廣泛應(yīng)用于無線電監(jiān)測(cè)、無線通信、射電天文等領(lǐng)域，其涉及的陣列信號(hào)處理，特別是波束形成的方法是波束形成器的核心，而無線傳播信號(hào)的精確波達(dá)方向估計(jì)則是高精度、高分辨的波束形成器的關(guān)鍵。
在接收無線傳播信號(hào)的陣列信號(hào)處理技術(shù)廣泛應(yīng)用的今天，高分辨的、精確的波達(dá)方向估計(jì)在無線定位、目標(biāo)跟蹤、導(dǎo)航和無線信號(hào)接收中具有重要的應(yīng)用價(jià)值。估計(jì)波達(dá)方向的常用方法包括傳統(tǒng)的波束形成方法、線性約束的最小方差波束形成方法、子空間方法、最大似然方法等等。最大似然方法具有最優(yōu)的波達(dá)方向估計(jì)性能，但是往往涉及多維非線性優(yōu)化問題的求解或多維參數(shù)搜索，需要很大的計(jì)算量，不具有實(shí)用性。當(dāng)陣列的接收向量數(shù)量較少時(shí)，由于陣列接收向量的協(xié)方差矩陣的估計(jì)誤差較大，線性約束的最小方差波束形成方法和子空間方法都難以得到較準(zhǔn)確的波達(dá)方向估計(jì)。傳統(tǒng)的波束形成方法相當(dāng)于經(jīng)典的空間傅里葉(Fourier)變換方法，適用于陣列的接收向量只有1個(gè)的情況，但是方向的分辨能力受到瑞利限(Rayleigh Limit)的限制，難以分辨方向靠得很近的兩個(gè)信號(hào)。
傳統(tǒng)的波束形成方法的方向分辨能力受到瑞利限限制的原因在于相鄰波達(dá)方向的陣列方向向量之間存在較大的相關(guān)性，即相關(guān)系數(shù)接近1。為估計(jì)各個(gè)信號(hào)的波達(dá)方向，傳統(tǒng)的波束形成器常采用迭代處理的方式首先根據(jù)陣列接收向量在陣列方向向量上的投影的最大值所在的位置估計(jì)一個(gè)信號(hào)的波達(dá)方向，再根據(jù)該信號(hào)的波達(dá)方向和陣列的接收向量確定殘差向量，然后用殘差向量替代陣列的接收向量，最后重復(fù)上述步驟直到重復(fù)次數(shù)等于信號(hào)個(gè)數(shù)或殘差向量的范數(shù)足夠小。但是，由于傳統(tǒng)的波束形成方法只利用陣列的接收向量在陣列方向向量上的投影大小來判斷信號(hào)的波達(dá)方向，而接收向量在某個(gè)陣列方向向量上的投影大小不可避免地受到與其存在較大相關(guān)性的相鄰波達(dá)方向上其它信號(hào)的影響，導(dǎo)致傳統(tǒng)的波束形成器輸出的局部最大值的個(gè)數(shù)并不等于信號(hào)個(gè)數(shù)，而且陣列接收向量在陣列方向向量上投影的最大值所在的位置也并不一定對(duì)應(yīng)某個(gè)信號(hào)的波達(dá)方向。
線性約束的最小方差波束形成方法和子空間方法突破瑞利限限制的原因在于沒有直接利用陣列的接收向量在陣列方向向量上的投影大小來判斷信號(hào)的波達(dá)方向，而是利用陣列的接收向量在另一組向量上的投影大小來判斷信號(hào)的波達(dá)方向。由于另一組向量與陣列方向向量之間的相關(guān)性在最小方差約束下得到了控制，因此抑制了相鄰波達(dá)方向上其它信號(hào)對(duì)接收向量在另一組向量中每個(gè)向量上的投影大小的影響。
線性約束的最小方差波束形成器構(gòu)造另一組向量的方法是求一個(gè)線性約束條件下的二次最優(yōu)化問題的解，而子空間方法構(gòu)造另一組向量的方法是計(jì)算正交的信號(hào)子空間或噪聲子空間。由于在構(gòu)造另一組向量時(shí)都利用了陣列的接收向量的協(xié)方差矩陣，因此與傳統(tǒng)的波束形成方法使用與陣列的接收向量無關(guān)的陣列方向向量不同，線性約束的最小方差波束形成方法和子空間方法都具有自適應(yīng)能力，即另一組向量自適應(yīng)的隨著陣列的接收向量的變化而變化。但是，當(dāng)陣列的接收向量數(shù)量較少時(shí)，由于難以準(zhǔn)確的計(jì)算陣列接收向量的協(xié)方差矩陣，線性約束的最小方差波束形成方法和子空間方法都難以得到準(zhǔn)確的波達(dá)方向估計(jì)。因此，在陣列的接收向量數(shù)量較少的條件下構(gòu)造新的另一組向量并盡可能降低與陣列方向向量之間的相關(guān)性，是在動(dòng)態(tài)變化的應(yīng)用場(chǎng)合有效提高波束形成器性能的關(guān)鍵。
在動(dòng)態(tài)變化的應(yīng)用場(chǎng)合，陣列的接收向量數(shù)量較少，甚至要求只利用1個(gè)陣列接收向量估計(jì)無線信號(hào)的波達(dá)方向。此時(shí)如果仍利用基于時(shí)間平均的方法計(jì)算陣列接收向量的協(xié)方差矩陣，將不可避免的出現(xiàn)信號(hào)模型誤差，導(dǎo)致信號(hào)波達(dá)方向估計(jì)的分辨率和精度下降，難以滿足實(shí)際應(yīng)用的需要。因此，有必要發(fā)展一種適用于陣列接收向量數(shù)量較少情況下的、高精度、高分辨的波束形成方法。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種適用于陣列接收向量數(shù)量較少情況下的、高精度、高分辨的波束形成方法，即在陣列接收向量數(shù)量較少情況下無線傳播信號(hào)波達(dá)方向的高分辨率、高精度估計(jì)方法。利用這種方法，波達(dá)方向的估計(jì)精度和分辨率大幅提高。
本發(fā)明的目的是這樣達(dá)到的 利用傳統(tǒng)的波束形成器輸出的一組最大值對(duì)應(yīng)的方向向量構(gòu)造最小方差約束矩陣，確定滿足線性約束和最小方差約束的半盲的最小方差無失真響應(yīng)波束形成器的響應(yīng)向量，根據(jù)陣列的接收向量在半盲的最小方差無失真響應(yīng)波束形成器的響應(yīng)向量上的投影的最大值所對(duì)應(yīng)的波達(dá)方向估計(jì)一個(gè)信號(hào)的波達(dá)方向，利用該信號(hào)的波達(dá)方向和陣列的接收向量確定殘差向量，用殘差向量替代陣列的接收向量，重復(fù)上述步驟，重復(fù)次數(shù)等于信號(hào)個(gè)數(shù)，或者當(dāng)殘差信號(hào)小于一定值時(shí)停止； 其具體步驟是 首先，根據(jù)陣列中各個(gè)陣元的位置，確定陣列的方向矩陣； 確定陣列的接收向量； 其次，確定傳統(tǒng)的波束形成器的輸出及其一組最大值對(duì)應(yīng)的方向向量； 確定傳統(tǒng)的波束形成器的輸出向量的各個(gè)元素的排序； 根據(jù)排序結(jié)果確定半盲的最小方差約束矩陣的各個(gè)列向量； 確定半盲的最小方差無失真波束形成器的響應(yīng)向量； 第3步，確定半盲的最小方差無失真響應(yīng)波束形成器的輸出向量； 根據(jù)半盲的最小方差無失真響應(yīng)波束形成器的輸出的最大元素對(duì)應(yīng)的位置確定信號(hào)波達(dá)方向估計(jì)； 第4步，根據(jù)信號(hào)波達(dá)方向估計(jì)和陣列的接收向量確定殘差向量； 第5步，用殘差向量替代陣列的接收向量，重復(fù)第3步和第4步兩個(gè)步驟，重復(fù)次數(shù)等于信號(hào)個(gè)數(shù)，或者當(dāng)殘差信號(hào)小于一定值時(shí)停止； 最后，由每一次重復(fù)中最大值對(duì)應(yīng)的方向確定所有信號(hào)的波達(dá)方向估計(jì)。
所述在確定傳統(tǒng)的波束形成器的輸出向量的各個(gè)元素的排序后，根據(jù)排序結(jié)果確定半盲的最小方差約束矩陣的各個(gè)列向量的步驟中，確定半盲的最小方差約束矩陣的各個(gè)列向量時(shí)，其列向量個(gè)數(shù)的選擇是在確定的矩陣A2中確定列向量的個(gè)數(shù)D，是使方向向量對(duì)應(yīng)的方向

覆蓋的方向范圍約等于陣列的主瓣寬度；同時(shí)，矩陣A2的D個(gè)列向量等于傳統(tǒng)的波束形成器的輸出向量gcbf的前D個(gè)最大元素對(duì)應(yīng)的方向向量。
確定半盲的最小方差無失真響應(yīng)波束形成器的響應(yīng)向量表示為 其中，[]H表示共軛轉(zhuǎn)置，k＝1，2，…，L， λ2是取值非負(fù)的正則化參數(shù)，()-1表示矩陣的逆，在選擇矩陣正則化參數(shù)λ2時(shí)，要使λ2約等于矩陣A2A2H的最小的非零特征值。
根據(jù)信號(hào)波達(dá)方向估計(jì)和陣列的接收向量確定殘差信號(hào)向量為 用殘存向量替代陣列的接收向量，是令x＝x′，重復(fù)進(jìn)行根據(jù)半盲的最小方差失真響應(yīng)波束形成器的輸出最大元素對(duì)應(yīng)的位置確定信號(hào)波達(dá)方向并且根據(jù)信號(hào)波達(dá)方向估計(jì)和陣列的接收向量確定殘差向量。
所述重復(fù)進(jìn)行信號(hào)波達(dá)方向估計(jì)和陣列的接收向量確定殘存向量的次數(shù)達(dá)到當(dāng)殘差向量的范數(shù)足夠小時(shí)停止，是指當(dāng)殘差信號(hào)向量的范數(shù)小于噪聲水平時(shí)停止。在沒有信號(hào)的情況下容易測(cè)量噪聲水平。
所述確定半盲的最小方差約束矩陣為A2時(shí)， 矩陣A2的D個(gè)列向量的下標(biāo)確定為[v，c]＝sort(gcbf)其中，sort()表示從小到大的排序，v＝[v1 v2…vL]T是由從小到大的值構(gòu)成的向量，v1≤v2≤…≤vL，c＝[c1 c2…cL]T是由相應(yīng)的序號(hào)構(gòu)成的向量，[]T表示轉(zhuǎn)置。
確定半盲的最小方差無失真響應(yīng)波束形成器的輸出向量表示為 其中Qsbbf＝[q1 q2…qL]。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是 使用本發(fā)明方法設(shè)計(jì)的半盲的最小方差無失真響應(yīng)波束形成方法具有分辨率高和精度高的優(yōu)點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)表明，將本發(fā)明的半盲的最小方差無失真響應(yīng)波束形成方法應(yīng)用于均勻線陣，陣元數(shù)等于16，相鄰陣元之間的間隔等于半波長(zhǎng)，在信噪比等于9dB，兩個(gè)等功率的信號(hào)分別從-3.625度和2.375度到達(dá)陣列的情況下，5000次實(shí)驗(yàn)得到的信號(hào)波達(dá)方向估計(jì)的均方根誤差分別為0.871度和0.853度，而根據(jù)傳統(tǒng)波束形成器得到的信號(hào)波達(dá)方向估計(jì)的均方根誤差分別為1.829度和1.841度，可見，由本發(fā)明設(shè)計(jì)的半盲的最小方差無失真響應(yīng)波束形成方法具有分辨率高和精度高的優(yōu)點(diǎn)。



圖1示出本發(fā)明的半盲的最小方差無失真響應(yīng)波束形成方法的設(shè)計(jì)流程圖。
圖2示出半盲的最小方差無失真響應(yīng)波束形成方法與傳統(tǒng)波束形成器、最小方差無失真響應(yīng)波束形成器分辨能力的歸一化空間譜比較圖，其中實(shí)線表示半盲的最小方差無失真響應(yīng)波束形成器的分辨圖，點(diǎn)劃線表示傳統(tǒng)波束形成器的分辨圖，虛線表示最小方差無失真響應(yīng)波束形成器的分辨圖。
圖3示出2個(gè)等功率信號(hào)到達(dá)陣列的情況下，半盲的最小方差無失真響應(yīng)波束形成器與傳統(tǒng)波束形成器估計(jì)從-3.625度到達(dá)陣列的信號(hào)的波達(dá)方向的誤差小于估計(jì)誤差的概率比較圖。其中，實(shí)線表示半盲的最小方差無失真響應(yīng)波束形成器，虛線表示傳統(tǒng)波束形成器。
圖4示出2個(gè)等功率信號(hào)到達(dá)陣列的情況下，半盲的最小方差無失真響應(yīng)波束形成器與傳統(tǒng)波束形成器估計(jì)從2.375度到達(dá)陣列的信號(hào)的波達(dá)方向的誤差小于估計(jì)誤差的概率比較圖。其中，實(shí)線表示半盲的最小方差無失真響應(yīng)波束形成器，虛線表示傳統(tǒng)波束形成器。

具體實(shí)施例方式 以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
進(jìn)行舉例說明。
實(shí)施例應(yīng)用場(chǎng)合舉例假設(shè)陣列的M個(gè)陣元都位于x軸上，離原點(diǎn)的距離分別為d1，d2，…，dM，陣列的方向向量可以表示為 其中，θ為來波方向，λ為來波波長(zhǎng)，將觀測(cè)的方向區(qū)間等間隔的劃分為L(zhǎng)個(gè)方向，分別為θ1，θ2，…，θL，陣列的方向矩陣可以表示為 A1＝[a(θ1)a(θ2)…a(θL)](2) 當(dāng)N個(gè)幅度(復(fù)數(shù))分別為

方向分別為

的窄帶信號(hào)到達(dá)陣列時(shí)，陣列的接收向量可以表示為 x＝A0s+u(3) 其中， u＝[u1 u2…uM]T(6) u1，u2，…，uM分別為M個(gè)陣元接收信號(hào)中的噪聲。
下面是估計(jì)信號(hào)來波方向的三種波束形成器，前兩種是目前常用的，第三種是本發(fā)明。
傳統(tǒng)的波束形成器只利用陣列的接收向量在方向矩陣A1各個(gè)列向量上的投影大小來判斷信號(hào)的波達(dá)方向。
傳統(tǒng)的波束形成器的輸出為 其中，||表示對(duì)向量的各個(gè)元素取絕對(duì)值。信號(hào)的波達(dá)方向估計(jì)等于向量gcbf的最大元素對(duì)應(yīng)的方向，即

其中 最小方差無失真響應(yīng)波束形成器不是直接利用陣列的接收向量在方向矩陣A1各個(gè)列向量上的投影大小來判斷信號(hào)的波達(dá)方向，而是利用陣列的接收向量在另一組向量上的投影大小來判斷信號(hào)的波達(dá)方向。另一組向量等于如下的線性約束最優(yōu)化問題的解 其中，‖‖22表示向量各元素的平方和。
線性約束(10)下的最優(yōu)化問題(9)的最小范數(shù)解為 其中，k＝1，2，…，L， λ1是取值非負(fù)的正則化參數(shù)，IM是M階單位矩陣。
最小方差無失真響應(yīng)波束形成器的輸出為 其中Wmvdr＝[w1 w2…wL]。信號(hào)的波達(dá)方向估計(jì)等于向量gmvdr的最大元素對(duì)應(yīng)的方向。
半盲的最小方差無失真響應(yīng)波束形成方法也是利用陣列的接收向量在另一組向量上的投影大小來判斷信號(hào)的波達(dá)方向，但是另一組向量等于如下的線性約束最優(yōu)化問題的解 其中， 矩陣A2的D個(gè)列向量等于向量gcbf的前D個(gè)最大元素對(duì)應(yīng)的方向向量。
稱本發(fā)明為半盲的最小方差無失真響應(yīng)波束形成方法的原因是矩陣A2的D個(gè)列向量不僅包括有信號(hào)到達(dá)的方向向量，還包括部分沒有信號(hào)到達(dá)的方向向量。由于能夠在陣列接收向量數(shù)量很少情況下有效的抑制其它方向的信號(hào)對(duì)波束形成器每個(gè)方向的輸出的影響，本發(fā)明的半盲的最小方差無失真響應(yīng)波束形成方法相對(duì)于傳統(tǒng)的波束形成器和最小方差無失真響應(yīng)波束形成器的優(yōu)點(diǎn)是一方面能提高波達(dá)方向估計(jì)精度，另一方面又具有高分辨能力。在本實(shí)施例中只使用了1個(gè)陣列接收向量，足以充分顯示出本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)。
附圖1示出本發(fā)明的半盲的最小方差無失真響應(yīng)波束形成方法的流程圖。
流程開始于步驟101。
在步驟1021，確定陣列的方向矩陣A1為 A1＝[a(θ1) a(θ2) … a(θL)](17) 在步驟1022，確定陣列的接收向量x。
x＝A0s+u(18) 在步驟1031，確定傳統(tǒng)的波束形成器的輸出為 其中，||表示對(duì)向量的各個(gè)元素取絕對(duì)值。
在步驟1032，確定傳統(tǒng)的波束形成器的輸出向量gcbf的各個(gè)元素的排序?yàn)? [v，c]＝sort(gcbf)(20) 其中，sort()表示從小到大的排序，v＝[v1 v2 … vL]T是由從小到大的值構(gòu)成的向量，v1≤v2≤…≤vL，c＝[c1 c2 … cL]T是由相應(yīng)的序號(hào)構(gòu)成的向量。
在步驟1033，確定矩陣A2的D個(gè)列向量為 在步驟1034，確定半盲的最小方差無失真響應(yīng)波束形成器的響應(yīng)向量為 其中，k＝1，2，…，L， 在步驟1041，確定半盲的最小方差無失真響應(yīng)波束形成器的輸出為 其中Qsbbf＝[q1 q2…qL]。
在步驟1042，確定信號(hào)的波達(dá)方向估計(jì)等于gsbbf的最大元素對(duì)應(yīng)的方向，即

，其中 在步驟105，利用步驟1042確定的信號(hào)波達(dá)方向估計(jì)和陣列的接收向量確定殘差信號(hào)向量為 在步驟106，令x＝x′，重復(fù)步驟104和步驟105，重復(fù)次數(shù)等于預(yù)設(shè)的到達(dá)陣列的信號(hào)個(gè)數(shù)，或者當(dāng)殘差信號(hào)向量的范數(shù)足夠小，小到當(dāng)殘差信號(hào)向量的范數(shù)小于噪聲水平時(shí)停止。這是因?yàn)樵跊]有信號(hào)的情況下容易測(cè)量噪聲水平。
根據(jù)本發(fā)明的半盲的最小方差無失真響應(yīng)波束形成方法的流程結(jié)束于步驟107，在這一步由每一次重復(fù)中最大值對(duì)應(yīng)的方向確定了所有信號(hào)的波達(dá)方向估計(jì)，完成波束形成器半盲的最小方差無失真響應(yīng)波束形成。
在確定矩陣A2的D個(gè)列向量為時(shí) 矩陣A2的D個(gè)列向量的下標(biāo)是由如下方法確定的 [v，c]＝sort(gcbf)(26) 其中，sort()表示從小到大的排序，v＝[v1 v2 … vL]T是由gcbf的從小到大的值構(gòu)成的向量，v1≤v2≤…≤vL，c＝[c1 c2 … cL]T是由相應(yīng)的序號(hào)構(gòu)成的向量。
選擇矩陣A2的列向量的個(gè)數(shù)D時(shí)，只要使方向向量對(duì)應(yīng)的方向

覆蓋的方向范圍約等于陣列的主瓣寬度即可。
在線性約束(15)下的最優(yōu)化問題(14)的解為 其中，k＝1，2，…，L， λ2是取值非負(fù)的正則化參數(shù)。
選擇矩陣正則化參數(shù)λ2時(shí)，只要使λ2約等于矩陣A2A2H的最小的非零特征值即可。
半盲的最小方差無失真響應(yīng)波束形成器的輸出為 其中Qsbbf＝[q1 q2…qL]。信號(hào)的波達(dá)方向估計(jì)等于向量gsbbf的最大元素對(duì)應(yīng)的方向，即

其中 將本發(fā)明提出的半盲的最小方差無失真響應(yīng)波束形成方法應(yīng)用于均勻線陣，陣元數(shù)等于16，相鄰陣元之間的間隔等于半波長(zhǎng)，在信噪比等于9dB，兩個(gè)等功率的信號(hào)分別從-3.625度和2.375度到達(dá)陣列的情況下，圖2示出半盲的最小方差無失真響應(yīng)波束形成方法與傳統(tǒng)波束形成器、最小方差無失真響應(yīng)波束形成器分辨能力的比較圖，圖3示出半盲的最小方差無失真響應(yīng)波束形成方法與傳統(tǒng)波束形成器估計(jì)從-3.625度到達(dá)陣列的信號(hào)的波達(dá)方向的誤差小于估計(jì)誤差的概率比較圖，半盲的最小方差無失真響應(yīng)波束形成方法與傳統(tǒng)波束形成器估計(jì)從2.375度到達(dá)陣列的信號(hào)的波達(dá)方向的誤差小于估計(jì)誤差的概率比較圖，其中，實(shí)線表示半盲的最小方差無失真響應(yīng)波束形成方法，虛線表示傳統(tǒng)波束形成器。由于最小方差無失真響應(yīng)波束形成器與傳統(tǒng)波束形成器性能接近，所以此處沒有給出最小方差無失真響應(yīng)波束形成器的誤差統(tǒng)計(jì)結(jié)果。
實(shí)驗(yàn)表明，根據(jù)本發(fā)明的半盲的最小方差無失真響應(yīng)波束形成方法5000次實(shí)驗(yàn)得到的信號(hào)波達(dá)方向估計(jì)的均方根誤差分別為0.871度和0.853度，而根據(jù)傳統(tǒng)波束形成器得到的信號(hào)波達(dá)方向估計(jì)的均方根誤差分別為1.829度和1.841度?？梢?，傳統(tǒng)的波束形成器的輸出的局部最大值的個(gè)數(shù)并不等于信號(hào)個(gè)數(shù)，而且陣列接收向量在陣列方向向量上的投影的最大值所在的位置也沒有對(duì)應(yīng)某個(gè)信號(hào)的波達(dá)方向，而本發(fā)明的半盲的最小方差無失真響應(yīng)波束形成方法具有分辨率高和精度高的優(yōu)點(diǎn)。
雖然已經(jīng)參考附圖對(duì)本發(fā)明的半盲的最小方差無失真響應(yīng)波束形成方法以舉例方式進(jìn)行了描述，但是本發(fā)明不限于上述這些細(xì)節(jié)，并且本申請(qǐng)含蓋權(quán)利要求范圍之內(nèi)的各種變型或改變。
工業(yè)應(yīng)用性 可以將本發(fā)明方法制作的半盲的最小方差無失真響應(yīng)波束器應(yīng)用于接收無線傳播信號(hào)的傳感器陣列信號(hào)處理系統(tǒng)，滿足無線電監(jiān)測(cè)、無線通信、射電天文、聲納、地震探測(cè)、超聲波、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的陣列信號(hào)處理系統(tǒng)對(duì)高分辨率、高精度波達(dá)方向估計(jì)的性能要求。
權(quán)利要求
1、一種半盲的最小方差無失真響應(yīng)波束形成方法，其特征在于利用傳統(tǒng)的波束形成器輸出的一組最大值對(duì)應(yīng)的方向向量構(gòu)造最小方差約束矩陣，確定滿足線性約束和最小方差約束的半盲的最小方差無失真響應(yīng)波束形成器的響應(yīng)向量，根據(jù)陣列的接收向量在半盲的最小方差無失真響應(yīng)波束形成器的響應(yīng)向量上的投影的最大值所對(duì)應(yīng)的波達(dá)方向估計(jì)一個(gè)信號(hào)的波達(dá)方向，利用該信號(hào)的波達(dá)方向和陣列的接收向量確定殘差向量，用殘差向量替代陣列的接收向量，重復(fù)上述步驟直到重復(fù)次數(shù)等于信號(hào)個(gè)數(shù)時(shí)停止或者殘差向量的范數(shù)足夠小時(shí)停止；其具體步驟是
首先，根據(jù)陣列中各個(gè)陣元的位置，確定陣列的方向矩陣；
確定陣列的接收向量；
其次，確定傳統(tǒng)的波束形成器的輸出及其一組最大值對(duì)應(yīng)的方向向量；
確定傳統(tǒng)的波束形成器的輸出向量的各個(gè)元素的排序；
根據(jù)排序結(jié)果確定半盲的最小方差約束矩陣的各個(gè)列向量；
確定半盲的最小方差無失真波束形成器的響應(yīng)向量；
第三步，確定半盲的最小方差無失真響應(yīng)波束形成器的輸出向量；
根據(jù)半盲的最小方差無失真響應(yīng)波束形成器的輸出向量的最大元素對(duì)應(yīng)的位置確定信號(hào)波達(dá)方向估計(jì)；
第四步，根據(jù)信號(hào)波達(dá)方向估計(jì)和陣列的接收向量確定殘差向量；
第五步，用殘差向量替代陣列的接收向量，重復(fù)進(jìn)行根據(jù)半盲的最小方差失真響應(yīng)波束形成器的輸出最大元素對(duì)應(yīng)的位置確定信號(hào)波達(dá)方向估計(jì)和根據(jù)信號(hào)波達(dá)方向估計(jì)和陣列的接收向量確定殘差向量，重復(fù)次數(shù)等于信號(hào)個(gè)數(shù)時(shí)停止，或者當(dāng)殘差向量的范數(shù)足夠小時(shí)停止；
最后，由每一次重復(fù)中最大值對(duì)應(yīng)的方向確定所有信號(hào)的波達(dá)方向估計(jì)。
2、如權(quán)利要求1所述的波束形成方法，其特征在于所述在確定傳統(tǒng)的波束形成器的輸出向量的各個(gè)元素的排序后根據(jù)排序結(jié)果確定半盲的最小方差約束矩陣的各個(gè)列向量的步驟中，確定半盲的最小方差約束矩陣為A2的各個(gè)列向量時(shí)，
其列向量個(gè)數(shù)的選擇是在確定的矩陣A2中確定列向量的個(gè)數(shù)D，是使方向向量對(duì)應(yīng)的方向
…，
覆蓋的方向范圍約等于陣列的主瓣寬度；矩陣A2的D個(gè)列向量等于傳統(tǒng)的波束形成器的輸出向量gcbf的前D個(gè)最大元素對(duì)應(yīng)的方向向量。
3、如權(quán)利要求1所述的波束形成方法，其特征在于確定半盲的最小方差無失真響應(yīng)波束形成器的響應(yīng)向量表示為
其中，[]H表示共軛轉(zhuǎn)置，k＝1，2，…，L，
λ2是取值非負(fù)的正則化參數(shù)，()-1表示矩陣的逆，在選擇矩陣正則化參數(shù)λ2時(shí)，要使λ2約等于矩陣A2A2H的最小的非零特征值。
4、如權(quán)利要求1所述的波束形成方法，其特征在于根據(jù)信號(hào)波達(dá)方向估計(jì)和陣列的接收向量確定殘差信號(hào)向量為
用殘存向量替代陣列的接收向量，是令x＝x′，重復(fù)進(jìn)行根據(jù)半盲的最小方差失真響應(yīng)波束形成器的輸出最大元素對(duì)應(yīng)的位置確定信號(hào)波達(dá)方向估計(jì)并且根據(jù)信號(hào)波達(dá)方向估計(jì)和陣列的接收向量確定殘差向量。
5、如權(quán)利要求1所述的波束形成方法，其特征在于所述重復(fù)進(jìn)行信號(hào)波達(dá)方向估計(jì)和陣列的接收向量確定殘存向量的次數(shù)達(dá)到當(dāng)殘差向量的范數(shù)足夠小時(shí)停止，是指當(dāng)殘差信號(hào)向量的范數(shù)小于噪聲水平時(shí)停止。
6、如權(quán)利要求2所述的波束形成方法，其特征在于所述確定半盲的最小方差約束矩陣為A2的各個(gè)列向量時(shí)，
矩陣A2的D個(gè)列向量的下標(biāo)確定為[v，c]＝sort(gcbf)
其中，sort()表示從小到大的排序，v＝[v1 v2 …vL]T是由從小到大的值構(gòu)成的向量，v1≤v2≤…≤vL，c＝[c1 c2 …cL]T是由相應(yīng)的序號(hào)構(gòu)成的向量。
7、如權(quán)利要求1所述的波束形成方法，其特征在于確定半盲的最小方差無失真響應(yīng)波束形成器的輸出向量表示為
其中Qsbbf＝[q1 q2 … qL]。
全文摘要
半盲的最小方差無失真響應(yīng)波束形成方法屬接收無線傳播信號(hào)的波束器陣列信號(hào)處理范疇。利用傳統(tǒng)的波束形成器輸出的一組最大值對(duì)應(yīng)的方向向量構(gòu)造最小方差約束矩陣，確定滿足線性約束和最小方差約束的半盲的最小方差無失真響應(yīng)波束形成器的響應(yīng)向量，根據(jù)陣列的接收向量在半盲的最小方差無失真響應(yīng)波束形成器的響應(yīng)向量上的投影的最大值所對(duì)應(yīng)的波達(dá)方向估計(jì)一個(gè)信號(hào)的波達(dá)方向，利用該信號(hào)的波達(dá)方向和陣列的接收向量確定殘差向量，用殘差向量替代陣列的接收向量，重復(fù)上述步驟，重復(fù)次數(shù)等于信號(hào)個(gè)數(shù)，或者當(dāng)殘差信號(hào)小于一定值時(shí)停止。本發(fā)明在陣列接收向量數(shù)量較少情況下實(shí)現(xiàn)了高精度、高分辨的波達(dá)方向估計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)了高精度波束形成。
文檔編號(hào)H04B7/06GK101344582SQ20081004581
公開日2009年1月14日 申請(qǐng)日期2008年8月15日 優(yōu)先權(quán)日2008年8月15日
發(fā)明者群 萬(wàn), 黃安民, 劉翼鵬, 冠 桂, 瑛 張, 杜亞平 申請(qǐng)人:電子科技大學(xué)