298 雷达科学与技术 第6卷第4期 法,该方法的加载值的选择是通过反复试验得出, 实现起来比L曲线方法简单。本文在前人研究的 基础上,提出了一种存在干扰的情况下,阵列天线 自适应波束形成的一种改进的旁瓣抑制方法,通 过迭代的方法来适时地确定加载值,该方法实现 起来比较简单,并且能够保证在干扰方向形成零 陷的同时,旁瓣电平也能达到期望值。 2 自适应方向图畸变机理和改进方法 2.1 自适应方向图畸变机理 在自适应波束形成中,可以采用采样矩阵求 逆(SMI)的算法l4 ],在信号干扰噪声比(SINR)意 义下该方法有较快的收敛速度。虽然SMI算法只 需要较少的采样数据就能保证SINR收敛,但希望 得到较低的自适应波束旁瓣电平,则需要更多的 采样数据。当采样数据不够多时,自适应波束的 旁瓣将会变高。针对这一问题,本文提出改进的 波束形成算法,可以获得的目标是:方向图在期望 方向 形成主波束,在干扰处形成零陷,同时压低 旁瓣。 假设有P个阵元组成的具有任意阵列几何结 构的天线阵,Q(Q≤P一1)个窄带信号从不同的 方向 , , ,…, 。到达阵列,阵列接收信号的复 包络可以表示为 Q (z )一> a(Ok) (t )+n(z )一 k ’=——l A( )S(t )+n(t ), i一1,2,…,M(1) 式中, (t )为接收数据矢量;n( )为阵列对 方向 的相应矢量(导向矢量);A( )一[n( ),a( ),…, a(0Q)];S (£ )为第k个信号在t 时刻的采样值; s(£ )一[s1(t ),S2(t ),…,SK(£ )] ;n(£ )为同 分布的零均值的高斯噪声矢量,其协方差矩阵为 I,通常假设信号矢量和噪声矢量不相关;M是快 拍数。接收数据的协方差矩阵为 R—E[ (£) “(£)]一A( )R A( )+ I(2) 假设Q个信号不相关或不完全相关,则 P Q R一∑ li一1 l 一∑ li一1 l + J 其中 。和ll 分别为R的第i个特征值和特征矢量。 将特征值由大到小排列,得到: 1≥ 2≥…≥ Q≥ 。.I一 2一…一 P一 (3) 而实际应用中,实测数据 (t )的协方差矩阵只能 由估计得到: 袁一 (£ ) “(£ ) (4)^ /Jr ‘ 、 由于快拍数M有限和噪声的影响,式(3)不再成 立,特征值的大小关系变为 1≥ 2≥ Q≥ 。.1≥…≥ P (5) 由文献[6 7],利用线性约束最小方差(LCMV)算法 准则可以得到自适应波束形成器的最优权向量为 w一 __) ㈦ (6 因为R 是正定的Hermite矩阵,对协方差矩阵进 行特征分解,得到: R 一∑ llHl+∑ llHl (7) 把式(7)代入式(6)得: w=/ ̄Ea(Oo)一∑( )ad* ](8) 以上各式中,a(0o)为期望信号的导向矢量,R 为接 受信号的自相关矩阵,通常使用 来代替式(6)中权 矢量W的分母部分,a 一 (00)。对于式(4),在空 间为白噪声和快拍数M趋于无穷大时,R的小特征 值趋于零,但是当M较小和噪声的真实协方差矩阵 偏离 I时,式(5)中 的P—Q个小特征值将很散, 表现为色噪声。即无误差时,小特征值和特征矢 量对自适应权值并无贡献,当有误差存在时,杂波 大特征值的个数有变化,小特征值起伏较大。由 权矢量式(8)可以看出,小特征值发散后,小特征 波束将加到自适应波束中去。小特征波束是一个 随机波动的波束,它的发散程度越大,随机波束的 起伏越大,自适应方向图的畸变就越严重。即小 特征值的发散,使自适应波束旁瓣电平变高。 2.2 自适应方向图的改善方法 抑制小特征值影响的有效方法是对角加载技 术,它等效为注入白噪声,或者人为施加干扰源。 假定有大量的空间相近的干扰信号从旁瓣对 应的方位区域入射到阵列,干扰信号的个数选择 为阵元数的2~3倍。在自适应阵列理论中,一个 M元阵列的方向图有M~1个自由度,在期望信号 方向上形成主波束需要一个自由度,剩余的M一2 个自由度可以用来对干扰信号形成零陷。如果干 扰信号个数不大于M一2个,那么自适应阵列方向 维普资讯 http://www.cqvip.com
2008年第4期 谭晓斐:阵列天线自适应波束形成的一种改进方法 299 图可以在每个干扰方向上形成零陷;如果干扰个 数大于M一2,那么自适应方向图一般不会在干扰 的上下限时为零(避免主波束位置加干扰),其他 为max[0,1"i(是)],其中, r (k)一 (k)+K[P( ,k)一d( ,k) (11) 式中,P( ,k)表示第k次迭代中方向图在0 方向 方向形成零陷,取而代之的是一种折衷的方向图, 使得阵列输出中的总干扰功率最小。因此,当加多 个干扰时,自适应方向图不能在每个干扰方向形 成零陷,而在加干扰方向,自适应方向图电平会降 低,旁瓣电平降低的幅度由所加干扰的能量决定, 而所加的干扰信号的能量是迭代的,直到旁瓣达 的电平值;K是放大系数,称为迭代增益。其中,迭 代增益的大小是通过反复试验得到。设置上L,干扰 信号后,信号矢量变为 J X:===X +> X (12) 到要求(一般都用一目标函数D( )来判定)为止, 本文即根据这一理论,提出新的旁瓣抑制算法,具 体实现方法如下: 假定设计目标是使0方向的旁瓣电平比主峰 电平低D( )dB,初始状态为:假定已经存在几个大 干扰(干扰个数远远小于阵元数),此时的信号只 有这几个大干扰和噪声,因此非期望信号为这几 个大干扰和噪声。根据式(6)计算其权值向量,然 后根据 P( )一f “口( )f (9) 得到初始状态方向图,初始步骤成为第k一0次 迭代。 在后续的每一步迭代中,旁瓣电平和期望值 D( )作比较,然后根据比较的结果对干扰的功率 作相应的修改。假定0 表示第i个干扰信号(此处 的干扰为人为所加的空问相近的大量干扰之一) 的来波方向,其中i===2,3,…,L,+1,如果方向图在 0 处的旁瓣电平高于期望电平D( ),那么增加0 方向的干扰信号的功率;反之,减小此方向的功 率。算法中不允许出现负功率,因此当干扰功率在 迭代过程中为负值时就设置为零。第一次迭代时, 在整个 (∈Eo。,180。])每间隔a(∈[2。,5。])方向 均匀施加干扰于阵列。 第是次迭代中,在设置干扰功率前要重新计算 0 方向的干扰信号的期望电平值d( ,k),即 d(O )一 (10) 式中,p(是)为第k次迭代时的方向图主瓣电平值。 因为主瓣电平值p(k)在每次迭代中会有变化(变 化不大),因此每次迭代都要重新计算d(O,,k)。在 要求精度不高的情况下,为降低计算量,d( ,是)可 视为一与迭代次数无关的量。 令 (是)表示第k次迭代中第 个信号的INR, 那么第k+1次迭代的INR,当0 处于主波束区域 m一】 式中,X 表示未注入大量干扰时的信号矢量,即仅 有几个大干扰和噪声的信号矢量;X 表示新加的 第m个干扰信号矢量。信号的协方差矩阵变为 Q 』 R=cr EI+∑z M M +∑8(k)a(Oi)a“( )](13) i一】 州一l 式中的前两项为第一次迭代前噪声和初始的几个 大干扰信号的协方差矩阵,后一项为冲入的L,个 小干扰信号的协方差矩阵。将式(13)的计算结果 代入式(6)即可得到第k次迭代的最优权值,迭代 在方向图达到目标函数D( )的要求时停止。 3 性能仿真 采用16元的均匀线阵,阵元问距为二分之一 信号波长。试验中期望信号的波达方向为90。。 干扰波达方向分别为55。,69。,81。和122。,图1~6 中星花表示干扰所在的方位角。输入信噪比为30 dB,输入干噪比为60 dB(初始状态假定的4个干 扰与噪声比)。方向图设计目标函数为D( ),0∈ Eo。,180。],即在0。~180。范围内,期望得到的方向 图为主瓣电平比旁瓣电平高2O dB。 第4号多普勒通道 、 、 ’\ / { J ● -20 j 驴 . ’ 7弋: ∞ 警圳 ●- } ● ● 椒 一印 { 一 0 30 60 90 l20 150 l80 方位角,(。) 图l 未经改进得到的自适应方向图 维普资讯 http://www.cqvip.com
300 雷达科学与技术 第6卷第4期 第4号多普勒通道 \ \ 、 f 、 1 , -20 ∞ 罂_40 、厂 _ 懈 、 椒 60 f ‘_l。_ 一一 30 60 90 12o l50 18o 方位角,(o) 经过一次迭代的自适应方向图 第4号多普勒通道 / t/、 —20 __fJ、 _ ∞ ~ f. 罩 墨-4o -‘● ●●● ●。… 椒 { 一60 .e 30 60 90 120 150 180 方位角,(o) 经过7次迭代的自适应方向图 i, 一2o 1 1 厶 ∞ 罩 罂一4o 、 — I r Ⅳ、 一 _ 椒 一6O 30 60 90 120 150 180 方位角,(o) 经过13次迭代的自适应方向图 4 一20 ∞ 广 罩 I ][-40椒 I .__ 30 60 90 120 150 180 方位角,(o) 经过27次迭代的自适应方向图 第4号多普勒通道 n 、 。一20 -。●。 ∞ 墨-4o 『、 椒 f 1 ●_ _ /\\ ; -60 . 一。 一、’ o 30 oo 9o Izo l3o 方位角,(o) 图6经过38次迭代的自适应方向图 图1为未经过对角加载得到的方向图,整个线 阵为16个阵元,初始状态所加干扰为4个,在干扰 方向能形成很深的零陷,但旁瓣性能比较差,图中 箭头方向旁瓣电平太高。图2为在原来的基础上 在O。~180。之间每隔5。的方向均匀施加小干扰(干 扰个数为37,同时避开在主波束附近加干扰)于阵 列,从图中可以看出,经过1次迭代,方向图性能整 体有所提高,而且在大干扰位置仍然能形成比较 深的零陷。而在O。~180。范围内,在图2中箭头位 置方向图仍有超过20 dB的旁瓣。因此在后续迭 代时,在这些位置注入小干扰,进行迭代。依次类 推,图3~6分别为迭代7次、13次、27次和38次 维普资讯 http://www.cqvip.com
2008年第4期 谭晓斐:阵列天线自适应波束形成的一种改进方法 301 的结果,从图中可以看出,随着迭代次数的增加, I.eveI Determination in Adaptive Beamforming Ec]// Conference on Signals,Systems and Computers, 旁瓣性能变好,同时,形成的零陷却有所降低,但 仍能对消干扰,经过38次迭代(图6所示),方向 图已基本达到目标函数D( )的要求。通过试验得 到:迭代1~10次时,迭代增益在1.5左右;迭代 11~25次时,迭代增益取1.0;迭代大于26次时, 迭代增益取0.7,算法都能比较稳定。显然,经过 [s.I.]:Is.n.],2002:1261 1266. E32 Olen C A,Compton R T.A Numerical Pattern Syn— thesis Algorithm for Arrays[c]//Antennas and Prop agation Society International Symposium,Dallas,Tx, USA:Is.n.],1990:828—831. [4]Hudson J E.Adaptive Array Principles[M].New 改进后的方法处理后,在期望信号方向形成高增 益,同时降低了旁瓣电平,与未经过处理的算法相 比,旁瓣电平降低了10~1 5 dB,改善了系统信噪 比,充分证明了该方法具有较好的鲁棒性。 4 结论 本文通过对角加载技术来实现方向图在期望 方向0。形成主波束,同时压低旁瓣。通过仿真试 验可以看出,该方法能有效地改善自适应波束的 主副瓣比,同时在干扰方向又能形成很好的凹口, 可以有效地抑制干扰。本方法的局限性为随着迭 代次数的逐渐加大,运算量变大,同时,干扰处形 成的零陷会有所降低,算法中迭代增益不能取得 很大,否则算法会不稳定。迭代增益的选择取决于 期望旁瓣深度。旁瓣越低,迭代增益越大;迭代增 益的选择是很关键的,通过大量的仿真试验得到: 迭代1~10次时,迭代增益在1.5左右,迭代 11~25次时,迭代增益取1.0,迭代大于26次时, 迭代增益取0.7,算法都能比较稳定。当迭代增 益选择适当时,该方法有效地对协方差矩阵估 计进行了修正,增强了空时波束形成算法的鲁 棒性 参考文献: [1]Calson B D.Covariance Matrix Estimation Errors and Diagonal Loading in Adaptive Arrays[J].IEEE Trans on AES,1 988,24(4):397—401. [2]Hiemstra J I),Weippert M E,Goldstein J S,et aI. Application of the I.-Curve Technique tO I oading York:Pereginus I.td,1981. [5]石镇.自适应天线原理[M].北京:国防工业出版社, 1998. [63张光义.相控阵雷达系统[M].北京:国防工业出版 社,1994. [7]Compton R T.Adaptive Arrays Concepts and Per— formance[M].Englewood Cliffs,NJ:Prentice—Hail, 1988. E82保铮,廖桂生,吴仁彪,等.相控阵机载雷达杂波抑制 的时一空二维自适应滤波[J].电子学报,1993,21 (9):1-7. BAO Zheng,I IAO Guisheng,WU Renbiao,et aI.2 D Temporal—Spatial Adaptive Clutter Suppression for Phased Array Airborne Radars[J].Acta Electronica Sinica,1993,21(9):卜7.(in Chinese) 作者简介 谭晓斐 女,1982年7月出生于山东 莱芜,现为西安电子科技大学雷达信 号处理重点实验室硕士生,研究方向 为空时二维自适应信号处理。 田北京 男,1983年4月出生于陕西西安,现为西安 电子科技大学雷达信号处理重点实验室硕士生,研究方向 为空时二维自适应信号处理。 王 彤 男,1974年3月出生于陕西西安,博士后,副 教授,从事信号与信息处理研究工作,特别是针对雷达探测 方向的阵列信号处理、包括空时二维自适应处理、雷达成像 和地面动目标检测等,承担和参加过多项国家自然科学基 金项目和总装备部国防科技预先研究项目。
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