一種增強零陷的穩(wěn)健Capon波束形成器設計

鄭義　陳方舟　馮超

摘 要：陣列天線因其分辨率高、增益強、方便控制等特點，在民用以及軍用通信、雷達、探測等領域的作用不言而喻。其中，自適應波束形成技術是陣列天線信號處理的重要組成部分，本質(zhì)是空域濾波技術，可有效抑制干擾，定向控制波束方向，以充分發(fā)揮雷達性能。因此，設計一種增強零陷的穩(wěn)健Capon波束形成器，用于提升陣列天線在角度失配條件下的性能。通過重構協(xié)方差矩陣預先估計導引矢量，引入零陷寬度，增強天線性能。經(jīng)經(jīng)仿真分析，該算法在角度失配條件下具備良好的性能。

關鍵詞：陣列天線;自適應波束形成算法;協(xié)方差矩陣;空域濾波技術;零陷寬度

中圖分類號：TN911.7 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）32-0081-03

Design?of?Robust?Capon?Beamformer?with?Enhanced?Nulling

ZHENG?Yi1 CHEN?Fangzhou2 FENG?Chao1

（1.66133?Troops?of?the?Chinese?People's?Liberation?Army，Beijing?100041;2.Department?of?Aerospace?Systems?of?the?PLA?Strategic?Support?Force，Beijing?100089）

Abstract：?Due?to?its?high?resolution，?strong?gain，?and?convenient?control，?array?antennas?are?self-evident?in?the?fields?of?civil?and?military?communications，?radar，?and?detection.?Among?them，?the?adaptive?beamforming?technology?is?an?important?part?of?the?array?antenna?signal?processing.?The?essence?is?the?spatial?domain?filtering?technology，?which?can?effectively?suppress?the?interference?and?directionally?control?the?beam?direction?to?fully?exert?the?radar?performance.?Therefore，?a?robust?capon?beamforming?with?enhanced?nulling?is?designed?to?improve?the?performance?of?the?array?antenna?under?angular?mismatch?conditions.?The?steering?vector?is?estimated?in?advance?by?reconstructing?the?covariance?matrix，?and?the?null?width?is?introduced?to?enhance?the?antenna?performance.?After?simulation?analysis，?the?algorithm?has?good?performance?under?angle?mismatch?conditions.

Keywords：?array?antenna;adaptive?beamforming?algorithm;covariance?matrix;airspace?filtering?technique;width?of?the?depression

自適應波束形成技術在無線電通信、雷達、聲吶等領域具有廣泛的應用[1，2]。傳統(tǒng)的自適應波束形成方法，如標準的Capon波束形成器（standardcapon?beamformer，SCB），是通過自適應地選擇加權向量來最小化陣列輸出功率，同時施加一個線性約束，以保證期望信號無失真。然而，Capon波束形成器的最優(yōu)性能是建立在采樣快拍數(shù)足夠多以及對期望信號導向矢量精確已知的前提之上。當快拍數(shù)較少時，Capon波束形成器會產(chǎn)生高旁瓣的波束響應，降低陣列輸出信干噪比（signal?to?interference-plus-noise?ratio，SINR）并提高系統(tǒng)的虛警概率。存在角度失配時，Capon波束形成器會將期望信號誤當作干擾而抑制，嚴重削弱其波束形成性能[3，4]。常用的提高Capon波束形成器穩(wěn)健性的方法有對角加載方法和基于特征空間的方法等。對角加載可以在一定程度上提高Capon波束形成器的穩(wěn)健性，但在實際應用中如何確定最優(yōu)加載量是一個難題。

目前，自適應波束形成技術（尤其是傳統(tǒng)的穩(wěn)健Capon波束形成器）在角度失配的情況下仍然可以實現(xiàn)波束對準，但是性能會有一定程度的損失[5-6]。本文力圖通過重構信號協(xié)方差矩陣預先估計期望信號的導引矢量，從而準確掌握期望信號方向，校準自適應波束形成器的矢量權值。不僅如此，加入一定范圍的零陷寬度，會使得自適應波束形成器的干擾零陷加寬，從而實現(xiàn)一箭雙雕的效果。

1 穩(wěn)健Capon波束形成器增強零陷設計

設計模型為[M]陣元陣列天線，波束形成器接受[Q]個窄帶信號，這里需要假設信源之間是相互獨立的[7，8]。使用[xs（k）]表示第[k]個快拍中的期望信號，[xj（k）]表示第[k]個快拍中的[Q-1]個干擾成分，[n（k）]表示高斯白噪聲，則信號表示為：

對比理想Capon波束形成器的穩(wěn)健波束形成算法和有關研究中的兩種穩(wěn)健波束形成算法[2，3]，其方向圖如圖1所示。

Capon波束形成器建立在最大信噪比準則上，然而其實際性能受陣列信號采樣快拍數(shù)的影響較大。設計的增強零陷的穩(wěn)健Capon波束形成器，可以正確指示來波方向，形成較寬的零陷。

3 結論

本文針對標準Capon波束形成器中旁瓣過高和導向矢量角度失配而導致的性能下降問題，提出一種增強零陷的穩(wěn)健Capon波束形成器。它克服了角度失配下導引矢量估計難題，可以正確指示來波方向，形成較寬零陷，有利于實際運用。與目前已有的約束波束形成方法相比，本文提出的方法實現(xiàn)了在低采樣快拍數(shù)條件下同時兼顧低旁瓣級、干擾零陷深度、導向矢量角度失配穩(wěn)健性等多個指標。

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