基于协方差矩阵加权的阵列波束优化方法

针对目前二阶统计量加权波束形成存在的能量波束输出有负值和高旁瓣问题,提出了基于协方差矩阵加权的,适用于任意阵结构和阵元指向性传感器阵列的三种优化波束形成方法.一种是设计波束以最小加权均方误差逼近期望波束方法;另一种是旁瓣约束高增益协方差矩阵加权波束形成;第三种是主瓣约束条件下最低旁瓣协方差矩阵加权波束形成.这三种波束优化问题都可以转化为二阶锥约束优化形式,应用已有内点方法求出加权矩阵的数值解.计算机仿真和实验数据处理表明,它们均克服了高旁瓣和波束输出有负值的缺点,获得了不同约束条件下的最佳协方差矩阵加权波束.     

基于粒子群优化的圆阵列波束形成方法

围绕均匀圆阵列(uniform circular array, UCA)在波束形成中存在的波束主瓣宽、旁瓣电平高的问题,提出了一种基于粒子群优化(particle swarm optimization, PSO)算法的圆阵列波束形成方法。通过对UCA的输出信号进行模式空间变换,将UCA数据转换为虚拟均匀线阵数据形式。利用PSO算法充分挖掘均匀线阵各阵元间数据信息,进行阵元拓展,从而实现阵列阵元数及孔径尺度的增加,实现降低阵列波束主瓣宽度及旁瓣电平的目的。实验结果表明,在适当增加计算复杂度的前提下,利用PSO算法对阵列进行阵元拓展可以显著地提高波束形成质量,且适用于自适应波束形成。     

基于空时二维结构的低旁瓣宽带波束形成

在分析空时自适应处理结构的基础上,提出了一种工程上易于实现的低旁瓣波束形成算法.虚拟了不同幅度、不同频点、不同方位角的干扰源,使得空时二维方向图的主瓣指向期望信号来波方向的同时,在其他方向上形成低旁瓣,达到抑制干扰和噪声的目的.由于此算法权值是已知系数矩阵与当前时刻期望信号的空时二雏导向矢量的乘积,计算量简单,避免了传统线性约束算法中多次矩阵求逆的复杂运算,既保证了抗干扰性能又便于工程实现.     

一种稳健的多主瓣干扰抑制方法

当训练数据含有期望信号时,传统的基于特征投影预处理的主瓣干扰抑制算法会产生严重退化。这是因为在期望信号的扰动下主瓣干扰对应的特征波束易产生峰值偏移,导致主瓣干扰难以完全去除,当多个主瓣干扰存在时尤为突出。通过估计信号与噪声功率并将期望信号功率置零重构干扰加噪声协方差矩阵,排除了期望信号的影响,使得主瓣干扰能够充分去除。进一步将主瓣干扰功率置零重构旁瓣干扰加噪声协方差矩阵进行波束形成,方向图较协方差重构法在旁瓣干扰方向上能够形成更深的零陷。仿真实验表明,提出的方法能够有效抑制多个主瓣干扰并具有良好的稳健性。     

基于Farrow结构的宽带同时多波束形成方法

提出基于Farrow结构的宽带同时多波束算法。在不更新固定加权端权值的情况下,仅在波束指向控制端进行多组加权,便在通带内实现了同时多波束。所提算法在满足恒定束宽的同时,降低了波束旁瓣。考虑到Farrow阵列结构存在抽头数过多、实现难度大的问题,引入了抽头稀疏优化设计思想,经过稀疏优化之后,Farrow结构的有效阶数减小,降低了工程实现的复杂度。仿真结果验证了所提方法的有效性。     

阵元失效条件下拖线阵波束形成的优化方法

阵元失效会破坏拖曳线列阵的幅相分布,导致阵列的旁瓣级出现明显升高,严重影响了阵列的性能.针对这一问题,提出了一种阵元失效条件下波束形成的优化方法.算法的基本思想是将失效阵元的权重强制为零,并使得阵列的实际响应与期望响应在主瓣区域相匹配,同时对阵列响应的旁瓣级作出限制.通过对阵列中剩余正常阵元的权值进行重优化,可以使阵列的旁瓣级重新得到抑制.仿真结果表明该方法可行、有效.     

约束优化的空间变迹算法的旁瓣抑制应用

合成孔径雷达(synthetic aperture radar, SAR)回波信号具有很高的动态范围, 会导致强目标的旁瓣覆盖临近较弱目标的主瓣, 造成漏检。传统的加窗方法在消除旁瓣的同时会导致分辨率的下降和目标主瓣能量的降低, 空间变迹(spatially variant apodization, SVA)算法的提出有效解决了这个矛盾。然而, 现有的各种SVA改进算法在有效抑制旁瓣的同时却导致了主瓣能量的降低。因此, 本文提出了一种基于约束优化的改进的SVA算法。通过严格约束滤波器的单调性和有效点的选取, 有效解决了主瓣能量降低的问题, 可以在有效抑制旁瓣的同时保留图像的细节信息, 有利于对图像目标进一步的检测与识别。     

主瓣干扰下的自适应旁瓣对消算法设计

与基于全阵列的自适应波束形成算法相比,旁瓣对消(multiple side lobe canceller,MSLC)技术具有计算量小、性能稳健的优点。一般旁瓣对消系统要求在进行权值调整时,主瓣方向无信号入射,否则系统方向图将发生畸变。提出了基于子阵列数据差分的旁瓣对消系统设计思路,即利用线性阵列性质来改变主辅天线信号相关性,消除主瓣入射信号影响。在此基础上,针对干扰情况的不同,提出了更实用的多级差分旁瓣对消和反馈差分旁瓣对消技术。仿真结果表明,所提算法在不同信号环境下,均能有效抑制旁瓣干扰,同时保持主瓣方向图不发生畸变,具有很好的稳健性。     

零点约束的有向阵元圆阵方向图最优综合

圆形阵列由于可实现全空间无模糊的波束扫描而得到广泛应用。给出了基于最小均方误差准则下有向阵元均匀圆阵的最佳方向图综合方法。在无约束和带零点约束两种情况下,分别给出了相应最优权值的求解公式。由于圆形阵列具有较高的近轴旁瓣电平,通过对主波束附近的旁瓣增加零点约束条件来达到降低近轴旁瓣电平的目的。研究表明,不同零点约束会对旁瓣电平有明显的影响,合适的零点位置能明显改善方向图的近轴性能。该方法简单易行,适合在圆形相控阵天线中使用。仿真给出了对近轴旁瓣电平改善最明显的零点位置。     

基于粒子群优化的波束空间广义旁瓣相消算法

针对广义旁瓣相消(generalized sidelobe canceller, GSC)算法运算量大, 在波束形成中存在旁瓣较高、稳健性差的问题, 提出一种基于粒子群优化(particle swarm optimization, PSO)的波束空间GSC算法。首先, 建立一种优化自适应转换矩阵将信号处理过程由阵元空间转换到波束空间, 通过减小自由度来降低算法的运算量。其次, 构建最小均方误差适应度函数, 在波束空间中利用压缩因子PSO算法充分利用接收数据的相关性, 缩减与期望信号误差并降低波束旁瓣。所提算法在降低算法运算量的同时, 解决了波束旁瓣过高的问题, 并在低快拍、强干扰条件下具有较好波束形成能力, 算法稳健性好。     

低频共形阵的宽带波束域高分辨方位估计方法

针对共形布阵技术,提出了适用于低频共形基阵的宽带波束域高分辨方位估计方法。首先利用基于二阶锥规划的波束优化技术设计适用于低频共形基阵的宽带恒定束宽波束形成器,然后用设计好的波束形成器对基阵输出数据进行空域预滤波,使宽带信号的不同频率分量能无失真地通过,同时抑制旁瓣区的干扰,最后针对滤波后的多波束输出采用波束域高分辨方位估计方法估计目标方位。由于基于二阶锥规划技术设计恒定束宽波束形成器仅需要对主波束进行拟合,提高了设计精度,减小了聚焦误差,从而提高了方位估计的性能。计算机仿真和湖上实验数据处理结果验证了该方法能有效地估计出水下低频宽带目标声源的方位。     

SRV constraint based FIB design for wideband linear array

Frequency-invariant beamformer (FIB) design is a key issue in wideband array signal processing. To use commonly wideband linear array with tapped delay line (TDL) structure and complex weights, the FIB design is provided according to the rule of minimizing the sidelobe level of the beampattern at the reference frequency while keeping the distortionless response constraint in the mainlobe direction at the reference frequency, the norm constraint of the weight vector and the amplitude constraint of the averaged spatial response variation (SRV). This kind of beamformer design problem can be solved with the interior-point method after being converted to the form of standard second order cone programming (SOCP). The computer simulations are presented which illustrate the effectiveness of our FIB design method for the wideband linear array with TDL structure and complex weights.     

多通道相控阵自适应数字单脉冲合成方法

为了在有源干扰条件下对目标到达角精确估计,提出一种二维多通道平面相控阵雷达自适应单脉冲波束合成方法。利用平面相控阵方向图的正交性,沿阵列一个方向分别合成和子阵及差子阵,对子阵输出进行自适应处理,可以在其正交方向上形成零点,同时抑制旁瓣及主瓣干扰,并保证该方向上和、差波束不发生畸变,确保该方向的测角精度。仿真结果验证了算法的有效性。     

近区低旁瓣的OFDM MIMO雷达波形设计

雷达系统在临近目标分辨中存在近区旁瓣过高的问题,导致了弱目标淹没、临近目标回波主旁瓣混叠等现象。针对这一问题,该文提出了一种抑制近区距离旁瓣的正交频分复用(orthogonalfrequency division multiplexing, OFDM) 多输入多输出雷达波形设计方法。首先,构造一组基于相位编码调制的OFDM发射波形集,在此基础上,以极小化极大原理和近区积分旁瓣水平建立目标函数,令发射波形恒模为约束条件;然后,借助发射波形与相位的对应关系,将波形设计转化为无约束优化问题,并利用Broyden-Fletcher-Goldfarb-Shanno算法求解。理论分析和仿真结果表明,该文方法较现有方法具有更好的近区旁瓣抑制特性和更低的运算复杂度。     

Adaptive broadband beamformer for nonuniform linear array based on second order cone programming

Adaptive broadband beamforming is a key issue in array applications. The adaptive broadband beamformer with tapped delay line (TDL) structure for nonuniform linear array (NLA) is designed according to the rule of minimizing the beamformer's output power while keeping the distortionless response (DR) in the direction of desired signal and keeping the constant beamwidth (CB) with the prescribed sidelobe level over the whole operating band. This kind of beamforming problem can be solved with the interior-point method after being converted to the form of standard second order cone programming (SOCP). The computer simulations are presented which illustrate the effectiveness of our bearaformer.     

基于虚拟阵元信号重构的嵌套阵稳健波束形成

由于嵌套阵中部分阵元间距远大于信号半波长,可能导致高旁瓣和栅瓣等问题.因此,通过利用均匀子阵进行信号波达方向(direction of arrival,DOA)估计,重构出虚拟阵元的接收信号,从而构建一个虚拟的稠密均匀阵列,大幅增加了波束形成算法自由度.通过估计信号功率,重构虚拟均匀阵列的干扰加噪声协方差矩阵(inte...     

基于凸约束下泰勒估计的主瓣干扰抑制算法

针对真实信号协方差矩阵估计难以直接获取及低快拍条件下传统采样协方差矩阵存在较大误差的问题,提出了基于凸约束下泰勒估计的抗主瓣干扰波束形成算法。该算法首先利用凸约束下的泰勒估计法在低快拍数条件下对信号协方差矩阵进行估计。其次利用多信号分类算法进行波达方向估计,筛选主瓣干扰对应特征矢量。而后利用特征投影矩阵法对主瓣干扰进行抑制。最后,通过添加线性约束获得权值矢量进行波束形成。仿真结果显示,在低快拍数条件下,所提算法对信号协方差矩阵具有更高的估计精度,波束形成性能稳健且具有更高的输出信干噪比。     

基于多载波信号的确定型自适应阵列波束形成方法

确定型波束形成方法利用单次采样数据完成波束形成,不需要信号的统计特性.该类方法在雷达系统中均需要两个步骤:波达方向估计和波束形成.一般为了保证系统稳定性,需要保持一定的主瓣宽度,其代价是牺牲部分波束形成自由度.研究了确定型波束形成算法在多载波扩频通信系统中的应用,提出了利用多载波调制信号的频率分集特性完成波束形成,不需要波达方向估计过程,也不需要牺牲波束形成自由度以保证系统稳定性,同时还获得相干多径合并.给出了相应的仿真实验及相关分析,验证了算法的有效性.