一种基于互质阵结构的稳健自适应波束形成方法.pdf

(19)国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN115842577A(43)申请公布日2023.03.24(21)申请号202211501635.0(22)申请日2022.11.28(71)申请人中国科学技术大学地址230026安徽省合肥市包河区金寨路96号(72)发明人叶中付郭佳愉黄心月(74)专利代理机构北京科迪生专利代理有限责任公司11251专利代理师安丽(51)Int.Cl.H04B7/08(2006.01)权利要求书5页说明书12页附图3页(54)发明名称一种基于互质阵结构的稳健自适应波束形成方法(57)摘要本发明公开了一种基于互质阵结构的稳健自适应波束形成方法，首先构造互质阵来计算采样协方差矩阵；再进行向量化、去冗余、元素重排、插值后对应得到带有空洞的虚拟协方差矩阵，进而求出补全虚拟协方差矩阵；在期望信号角扇区谱峰搜索得到期望信号入射角，求解构造的指示函数的零点，得到正交基；利用正交基构造投影矩阵对补全虚拟协方差矩阵投影，并对应得到互质阵的干扰噪声协方差矩阵，近似计算出干扰噪声协方差矩阵的逆；求解期望信号所在的空间得到期望信号的估计导向矢量；利用干扰噪声协方差矩阵的逆和期望信号的估计导向矢量计算波束形成器的权矢量，得到具有稳健自适应的波束形成器。CN115842577ACN115842577A权利要求书1/5页1.一种基于互质阵结构的稳健自适应波束形成方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、选取一对互质数构造互质阵接收入射信号，求出入射信号的采样协方差矩阵；步骤2、对步骤1中得到采样协方差矩阵进行向量化、去冗余、元素重排得到虚拟接收数据矢量；对虚拟接收数据矢量插零值，得到带有空洞的虚拟协方差矩阵；将带有空洞的虚拟协方差矩阵补全，得到补全虚拟阵对应的补全虚拟协方差矩阵；步骤3、在期望信号角扇区谱峰搜索找到期望信号入射角；根据补全虚拟阵的结构得到期望信号的虚拟导向矢量，构造指示函数；求解指示函数的零点，得到一组空间正交基；步骤4、利用步骤3得到的一组空间正交基构造采样矩阵，对步骤2中得到的补全虚拟协方差矩阵进行投影得到虚拟干扰加噪声协方差矩阵；进而得到互质阵的干扰加噪声协方差矩阵；计算出干扰噪声协方差矩阵的逆；步骤5、利用期望信号角扇区以及基于步骤1的采样协方差矩阵得到期望信号所在子空间，并利用步骤3的期望信号入射角得到期望信号的估计导向矢量；步骤6、基于步骤5得到的估计导向矢量和步骤4得到的干扰加噪声协方差矩阵的逆，计算波束形成器的权矢量，对阵列接收数据进行稳健的波束形成。2.根据权利要求1所述的一种基于互质阵结构的稳健自适应波束形成方法，其特征在于：所述步骤1具体实现如下：步骤11、选取一对互质数M、N，M＜N，互质阵A1由两个稀疏均匀子阵A11和子阵A12构成，所述子阵A11由2M个阵元组成的间距为Nd的稀疏均匀线阵；所述子阵A12由N个阵元组成的间距为Md的稀疏均匀线阵，其中d为半波长；除了共同的参考阵元外，子阵A11、A12之间不存在重合的阵元，互质阵A1共有M′＝2M+N‑1个阵元，阵元位置记为：rid，ri是如下整数集的元素：有L+1＜M′个远场窄带互不相关信号源包括一个期望信号和L个干扰入射到互质阵A1，则入射信号的采样协方差矩阵计算为：其中，x(k)表示互质阵A1在时刻k接收的数据矢量，K表示快拍数，H表示共轭转置运算符。3.根据权利要求1所述的一种基于互质阵结构的稳健自适应波束形成方法，其特征在于：所述步骤2具体实现如下：步骤21、对采样协方差矩阵进行向量化，得到如下的矢量：其中，vec(·)表示向量化操作运算符，然后对所述矢量y进行去冗余和元素重排列，得到互质阵A1导出的虚拟差分阵A2的虚拟接收数据矢量yv，如下：2CN115842577A权利要求书2/5页其中，q表示虚拟差分阵A2的阵元位置的索引值，即是虚拟差分阵A2的阵元所在位置的集合；集合表示阵元位置索引值差为q的二元组的集合，即·表示求集合中元素的个数；表示对应阵元位置索引值差为n1‑n2处的值；yvq表示索引位置为q处yv的值，即yvq按照阵元位置索引值由小到大的顺序排列，得到虚拟差分阵A2的虚拟接收数据矢量步骤22、将所述矢量yv中阵元位置索引值不连续的元素之间的数据全部填入0，得到更高维的矢量即：其中，视为最大虚拟阵A3的最大虚拟接收数据矢量，p表示最大虚拟阵A3的阵元位置的索引值，整数集合是最大虚拟阵A3的阵元所在位置的集合，V＝2MN‑N+1；利用具有厄密特结构，即得到如下的托普利茨矩阵：称为带有空洞的虚拟协方差矩阵；步骤23、记是一个二进制矩阵，其中1元素的位置对应中的非零元素的位置；0元素的位置对应中的零元素的位置，将带有空洞的虚拟协方差矩阵补全得到补全之后的矩阵为其中，表示哈达玛乘积，表示求矩阵Froben