一種基于稀疏約束的波束展寬和旁瓣抑制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于接收無線傳輸信號的天線陣列信號處理范疇，特別是一種利用稀疏重 構(gòu)來實(shí)現(xiàn)波束展寬和旁瓣抑制從而使天線陣優(yōu)化的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 陣列天線易于實(shí)現(xiàn)窄波束、低副瓣和相控波束掃描，使得發(fā)現(xiàn)目標(biāo)和跟蹤目標(biāo)的 可靠性、穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)性等性能得以提高。所以天線的優(yōu)化，在現(xiàn)實(shí)生活中就尤為的重要 了。對陣列天線的優(yōu)化主要有兩方面：一是對方向性系數(shù)這一指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化，以得到具有最 大方向性系數(shù)的陣列激勵(lì)幅度和相位；一是波束賦形的優(yōu)化設(shè)計(jì)，即改變陣列激勵(lì)幅度和 /或相位使輻射方向圖為指定的波束形狀。其中波束展寬和旁瓣抑制是極其重要的兩方面， 值得深入研宄。
[0003] 在實(shí)際中，有很多關(guān)于波束展寬的算法，例如，為了滿足星載合成孔徑雷達(dá)成像幅 寬的需要而在傳統(tǒng)相位加權(quán)算法基礎(chǔ)上提出的遺傳算法與模擬退火算法。又如在研宄五 臂陣的自適應(yīng)過程中提出的零點(diǎn)展寬算法，以及加寬零陷而增加信噪比提高整體性能的算 法。同樣，線性稀疏陣壓低旁瓣也有若干方法，常見的思路無非是改進(jìn)陣元排布、設(shè)計(jì)陣元 接收的加權(quán)值omega，獲得性能較好的波束形成器、窗函數(shù)加權(quán)壓低旁瓣。但往往目前的方 法存在較大的缺陷，比如結(jié)果與真實(shí)情況相差較遠(yuǎn)；信噪比高時(shí)性能下降嚴(yán)重；穩(wěn)健性差， 對波達(dá)方向預(yù)測準(zhǔn)確率，信號導(dǎo)向矢量準(zhǔn)確率要求高，主瓣較寬，而且對于波達(dá)方向的預(yù)測 以及主瓣寬度的預(yù)測有較高要求，等等。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明目的是針對現(xiàn)有波束展寬和旁瓣抑制的觀測方向失配和導(dǎo)向矢量存在誤 差時(shí)得到的天線方向圖性能惡化，提出一種新的波束展寬和旁瓣抑制方法，實(shí)現(xiàn)了波束展 寬的同時(shí)，能夠得到較低的旁瓣電平，進(jìn)而增強(qiáng)了對干擾信號的抑制能力。
[0005] 本發(fā)明的解決方案是：首先根據(jù)所給陣列結(jié)構(gòu)設(shè)置導(dǎo)向矢量參數(shù)，再由給定的觀 測方向和旁瓣區(qū)域產(chǎn)生一個(gè)包含觀測和干擾方向信息的過完備字典，然后對空域?yàn)V波器的 權(quán)向量進(jìn)行初始化，通過對波束形成器的權(quán)值向量進(jìn)行迭代來最小化輸出功率及旁瓣增益 的lp范數(shù)的加權(quán)之和，直到迭代出的波束形成器的權(quán)值向量滿足停止準(zhǔn)則即可。
[0006] 本發(fā)明一種基于稀疏約束的波束展寬和旁瓣抑制方法，該方法的具體步驟為：
[0007] 步驟1、參數(shù)設(shè)置：
[0008] 步驟1-1、根據(jù)所給陣列結(jié)構(gòu)設(shè)置導(dǎo)向矢量的參數(shù)y、A、p，其中Y和X為后續(xù) 步驟中需要的拉格朗日乘子，A為確定稀疏約束的有效性，y為調(diào)節(jié)無失真響應(yīng)約束及稀 疏約束的影響，P調(diào)節(jié)波束的稀疏度；
[0009] 步驟1-2、根據(jù)觀測方向和旁瓣區(qū)域生成X，X=[A|?r?a(6>")]其中A表示LXN 矩陣，包括了導(dǎo)向矢量角度范圍，包含了可能存在的干擾方向；L是表示傳感器數(shù)目，N代表 了超過干擾范圍的空間抽樣數(shù)；而a=y/A為拉格朗日乘數(shù)，apj為信號源的方向向 量；
[0010] 進(jìn)一步的，所述步驟1中p< 2,x、Y為經(jīng)驗(yàn)性取值；
[0011] 步驟2、初始化：
[0012] 令迭代指數(shù)i= 0,初始權(quán)值為w(0)，其中w表示空域?yàn)V波器的權(quán)向量；w(i)表示 w在第i次迭代時(shí)的當(dāng)前權(quán)值；
[0013] 步驟3、迭代：
[0014] 步驟3-1、計(jì)算n(W(i))的值；
[0015] 其中
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于稀疏約束的波束展寬和旁瓣抑制方法，該方法的具體步驟為： 步驟1、參數(shù)設(shè)置： 步驟1-1、根據(jù)所給陣列結(jié)構(gòu)設(shè)置導(dǎo)向矢量的參數(shù)y、a、p，其中y和A為后續(xù)步驟 中需要的拉格朗日乘子，A為確定稀疏約束的有效性，y為調(diào)節(jié)無失真響應(yīng)約束及稀疏約 束的影響，P調(diào)節(jié)波束的稀疏度； 步驟1-2、根據(jù)觀測方向和旁瓣區(qū)域生成叉，S = [▲ I 其中A表示LXN矩陣， 包括了導(dǎo)向矢量角度范圍，包含了可能存在的干擾方向；L是表示傳感器數(shù)目，N代表了超 過干擾范圍的空間抽樣數(shù)；而a = y/A為拉格朗日乘數(shù)，apj為信號源的方向向量； 步驟2、初始化： 令迭代指數(shù)i = 〇,初始權(quán)值為w(0)，其中w表示空域?yàn)V波器的權(quán)向量;w(i)表示w在 第i次迭代時(shí)的當(dāng)前權(quán)值； 步驟3、迭代： 步驟3-1、計(jì)算n (w(i))的值； 其 4
而 d = [0 I a ? 1]，d* 表示 d 的共軛復(fù)數(shù)，是矩陣X的共軛轉(zhuǎn)置； 步驟3-2、通過式子
來更新的w的， 其中又=人p，Rxx是接收信號x(k)的自協(xié)方差矩陣； 步驟3-3、根據(jù)L-曲線確定新的A值，I
其中| |A| |代表的是矩陣A的范數(shù)，
為矩陣A中的第i行第j列元素； 步驟3-4、在通過式丨
獲得新的Y值； 步驟3-5、通過i = i+1使w的值改變； 步驟4、如果結(jié)果符合要求，算法終止，若不滿足，則返回步驟3利用新獲得的X和y 繼續(xù)計(jì)算； 算法停止的準(zhǔn)則可以為迭代次數(shù)達(dá)到根據(jù)經(jīng)驗(yàn)預(yù)設(shè)的次數(shù)；也可以將
5根據(jù)經(jīng)驗(yàn)預(yù)設(shè)的閾值比較，若其小于閾值，則停止計(jì)算。 步驟5、根據(jù)得到的迭代后的空域?yàn)V波器權(quán)向量w，獲得陣列天線接收信號方向圖增益 201g | wHa ( 9 ) | 〇
2. 如權(quán)利要求1所述的進(jìn)一步的一種基于稀疏約束的波束展寬和旁瓣抑制方法，其特 征在于所述步驟1中P < 2, A、y依經(jīng)驗(yàn)性取值。
【專利摘要】該發(fā)明公開了一種基于稀疏約束的波束展寬和旁瓣抑制方法，屬于接收無線傳輸信號的天線陣列信號處理范疇，特別是一種利用稀疏重構(gòu)來實(shí)現(xiàn)波束展寬和旁瓣抑制從而使天線陣優(yōu)化的方法。利用稀疏約束算法實(shí)現(xiàn)波束展寬的同時(shí)，能夠得到較低的旁瓣電平，進(jìn)而增強(qiáng)了對干擾信號的抑制能力。通過建立天線陣模型，確定導(dǎo)向矢量參數(shù)，再利用超完備字典表示觀測和干擾方向信息的矩陣，隨后初始化波束形成器的權(quán)值向量，并對其做稀疏迭代，已得到滿足條件的權(quán)值向量，從而使輸出峰值在原有基礎(chǔ)上得到有更低的旁瓣。相對于其他的算法，本算法在實(shí)現(xiàn)主瓣窄的同時(shí)做到超分辨，旁瓣低的同時(shí)又提高穩(wěn)定性。
【IPC分類】G06F19-00
【公開號】CN104615854
【申請?zhí)枴緾N201510003601
【發(fā)明人】張瑛, 趙丹旎, 王婷靜, 陳垠江, 康寧, 趙華鵬
【申請人】電子科技大學(xué)
【公開日】2015年5月13日
【申請日】2015年1月5日