一种基于协方差矩阵重构的矢量阵波束形成方法.pdf

(19)国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN115913305A(43)申请公布日2023.04.04(21)申请号202211440725.3(22)申请日2022.11.17(71)申请人哈尔滨工程大学地址150001黑龙江省哈尔滨市南岗区南通大街145号哈尔滨工程大学科技处知识产权办公室申请人南方海洋科学与工程广东省实验室（广州）(72)发明人生雪莉冀国梁董航苍思远穆梦飞(51)Int.Cl.H04B7/06(2006.01)H04B7/0408(2017.01)权利要求书3页说明书8页附图2页(54)发明名称一种基于协方差矩阵重构的矢量阵波束形成方法(57)摘要本发明的目的在于提供一种基于协方差矩阵重构的矢量阵波束形成方法，其特征是：包括如下步骤：建立环形不确定集，得到矩阵重构积分公式；通过离散点求和近似求解矩阵重构积分公式；近似估计噪声协方差矩阵，得到重构干扰加噪声协方差矩阵；估计期望信号导向向量；计算波束形成权向量。本发明在当存在阵型失配和波达方位估计误差时，可以实现对直达波干扰的有效抑制。CN115913305ACN115913305A权利要求书1/3页1.一种基于协方差矩阵重构的矢量阵波束形成方法，其特征是：(1)建立环形不确定集，得到矩阵重构积分公式；(2)通过离散点求和近似求解矩阵重构积分公式；(3)近似估计噪声协方差矩阵，得到重构干扰加噪声协方差矩阵；(4)估计期望信号导向向量；(5)计算波束形成权向量。2.根据权利要求1所述的一种基于协方差矩阵重构的矢量阵波束形成方法，其特征是：所述步骤(1)具体为：利用Capon功率谱积分，重构协方差矩阵表示为上式中，Θ表示包含所有期望信号的方向范围，是Θ在整个空间域中的互补范围，Rxx是接收信号样本协方差矩阵，为阵列结构的假定导向向量，采取矢量阵：ap(θ)是相同阵元排布的声压阵对应的阵列流形，u＝[1,cosθ,sinθ]T是阵元的方向列向量；设Θint是干扰信号的角度扇区，考虑球面不确定集上式中，ε是常数，θ∈Θint，将归一化，即因子ε满足不等式将所有的球面不确定集合成一个大的不确定集上式看作是一个高维的环带，将Capon谱积分与其相结合，得到直观的重构干扰协方差矩阵上式看作是体积分，Sa(θ∈Θint)是由多个向量集构成，且向量集中的元素是相互共线的，从每个共线向量集中提取一个代表来参与计算，选择Sa(θ∈Θint)的曲面积分来代替上式作为重构干扰协方差矩阵，即3.根据权利要求1所述的一种基于协方差矩阵重构的矢量阵波束形成方法，其特征是：所述步骤(2)具体为：2CN115913305A权利要求书2/3页步骤(1)得到的矩阵重构积分公式根据圆环对应的角度Θint改写为其中表示球形不确定集的表面，r(θ)表示矩阵的一个切片，即对于θi∈Θint，该曲面积分近似通过离散点求和求解L表示中的采样点数，ail是以为球心，ε为半径的球面上的采样点，干扰协方差矩阵计算为I为Θint表示角度区域中的采样点数，对于任意θi∈Θint，在上的导向向量采样点表示为M是阵元个数，将该方程看作是一个映射函数，通过对的离散化，形成一个从到ail的映射，间接离散化得到采样点，设n0为每个变量在[0,2π)上的采样点数，有M个这样的变量，对于每个θi∈Θint，上共有个采样点。4.根据权利要求1所述的一种基于协方差矩阵重构的矢量阵波束形成方法，其特征是：步骤(3)具体为：对于用样本协方差矩阵Rxx的最小特征值近似估计噪声协方差矩阵，得到重构干扰加噪声协方差矩阵5.根据权利要求1所述的一种基于协方差矩阵重构的矢量阵波束形成方法，其特征是：所述步骤(4)具体为：利用重构的干扰加协方差矩阵估计新的期望信号导向矢量，此时的波束形成的输出功率为估计的导向矢量a0使得输出功率最大化，即最小化，则形成优化问题：3CN115913305A权利要求书3/3页约束条件表示期望信号导向向量所在的不确定集，利用假定的导向矢量引入误差变量将优化问题转化为关于误差变量的等价优化问题：假定的导向矢量依据结构先验信息准确的阵列，即直线阵的期望信号波达方向估计值求得，失配向量e分解为两个相互垂直的分量，即e＝e⊥+e||，其中分量e⊥和分量e||分别与垂直和平行，原优化问题转化为求e⊥的优化问题：该优化问题用CVX工具箱来求解，将该优化问题的最优解表示为导向向量的估计值表示为6.根据权利要求1所述的一种基于协方差矩阵重构的矢量阵波束形成方法，其特征是：步骤(5)具体为：综合得到的重构干扰加噪声协方差矩阵和修正的导向向量，计算波束形成权向量为4CN115913305A说明书1/8页一种基于协方差矩阵重构的矢量阵波束形成方法技术领域[0001]本发明涉及的是一种阵列信号处理方法，具体地说是矢量阵波束形成方法