专利名称：一种近场范围内鲁棒多波束形成方法
技术领域：
本发明涉及一种阵列信号处理方法，特别是涉及一种近场鲁棒多波束形成的方法。
背景技术：
波束形成算法实质是天线阵列对准某一特定方向接收信号并处理，使得传感器阵列的输出信号性能最佳，进而达到实现空间指向性的目的，信号与干扰噪声的比常作为衡量算法优劣的标准。随着阵列信号处理的发展以及实际应用的需要，单一方向指向的波束形成算法已经不能满足实际需求。同时对多个方向上的来波信号进行接收并保证波束形成方法的鲁棒性，改善波束形成方法输出性能已经逐步成为波束形成方法研究的主要方向。由于多波束形成方法在多目标多任务信号接收上的优势，其在海洋探测、雷达以及卫星通信等领域有着较高的实用性。多波束形成方法一类是Victor1. Djigan在第九届东西设计与测试讨论会(ESDTS)上发表的 Adaptive signal processing in mult1-beam arrays 文章中使用子阵列模型实现多波束的接收方法。在文章中使用递推最小二乘法(RLS)对每个来波信号分别进行优化。在对某一方向进行优化时，其他方向上的信号都被当作干扰信号抑制掉。优化后会形成不同的权重向量，然后综合输出，可以得到所有的信号。采用子阵列模型的多波束接收需要阵列有较多的阵元个数，应用起来不方便，不容易调整，而且在信号采样时可能会出现不同时性，这样子信号输出就不能保证最优。为了改善子阵列模型在多波束形成方面的不足。另一类为 YuLei 在文章 A Robust Adaptive Beamformer for Mult1-path SignalReception中采用的一个天线阵列完成多个信号的接收。这种只使用一副天线完成多个信号的接收方法相对于前者来说，接收信号时只需要对不同的算法进行优化，而不需要硬件的调整，阵列也不需要很多的阵元个数，减少了优化过程中的数据量，相比而言具有一定的优势。Yu Lei采用的方法主要思想是将整个空间域分成相互独立的几个部分，在每个小空间内假定都有不同的来波信号，然后在每个小空间域中都利用适用于导向向量失配鲁棒波束形成方法进行优化。每个空间内的优化都是互不影响的，这样一方面保证了信号接收的鲁棒性，另一方面也确保了每个空间域的信号信息可以完全采集，提高了信号的输出性能。虽然Yu Lei的方法实现了对多信号的接收，不过由于提高信号接收的鲁棒性，在算法优化过程中，将实际导向向量约束在一个不确定集中，然后对不确定集进行处理，而实际应用中，不确定集边界的不同选择将会影响算法的性能。不确定集的确定会使得一定范围内的信号无法正确检测，即相邻的信号间隔过小，该鲁棒性算法将不能很好的分辨每个来波信号。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够提高信号接收的鲁棒性，减小导向向量误差对算法性能的影响，能够抑制干扰和噪声对输出信号的影响，在干扰方向上产生较深的零陷的鲁棒多波束形成方法。本发明的目的是这样实现的(I)确定信号源，接收天线阵列的位置参数，以及相关的环境参数；(2)利用近场与远场环境对信号的影响，确定近场球面波信号以及导向向量；(3)确定评估信号接收性能的指标，即信号与干扰噪声比准则；(4)通过最差环境下鲁棒波束形成方法过程，确定源信号可能的来波方向，求得此时阵列天线的权重向量；(5)对经过检测后存在信号的范围进行空间扫描，采用旁瓣功率最小化准则确定该范围内源信号的精确位置得到此时的权重向量；(6)使用上述步骤中得到的两个权重向量分步对源信号进行接收，实现来波信号的精确定位。所述的最差环境下鲁棒波束形成方法是将所有可能的实际导向向量看作一个不确定集，而对不确定集中的所有向量进行期望响应无畸变输出，可以转化为对不确定集中向量对应的实际响应值的最差性能进行最优化，转变为最差环境下鲁棒波束形成问题。所述的对经过检测后存在信号的范围进行空间扫描的方法是在同一时刻对存在信号的空间域逐点进行采样，求相应的旁瓣均方响应，然后使得该响应最小，进而求得此时的最优权重向量，用以获取精确的信号来波方向以及对应的输出性能。本发明的主要优点是本发明的核心技术内容在于复杂的近场环境中来波信号的精确定位。本发明解决了一般鲁棒波束形成方法无法精确定位小间隔信号的不足。其主要思想是解决不确定集边界选择存在偏差时，对距离较近的来波信号不可以正确的分辨，从而导致系统的输出性能下降的问题。在鲁棒波束形成方法中，实际方向向量误差值的选择源于实际经验，但是这样选择的边界值往往存在一定的偏差，无法保证在有偏差边界值选择的前提下系统有最优的输出性能。而本发明中，在采用鲁棒波束形成方法之后，再次对感兴趣范围内的信号再次进行检测，避免了对信号的漏检，错检等问题。总之，本发明克服信号不能完全被检测的不足，在保证算法鲁棒性之后，对同一时刻的特定空间进行扫描，加入算法准则，对小范围内的信号进行精确的检测。
图1为发散播近场与远场不同波前示意图；图2为本发明中适用的M元均匀圆形阵列，其中各个阵元性质相同且具有全向响应特性；图3为本发明接收系统示意图。
具体实施例方式下面结合附图和具体实施例对本文作进一步具体说明近场信号与远场信号的波前示意图如图1所示，从图中可以清晰的看出近场信号是球面波前，而远场信号时平面波前。在远场范围内，由于距离对信号的影响并不显著，所以远场信号可看作是平面波，而天线阵列各个阵元接收到的来波信号的区别在于距离差产生的延迟，这样，在处理的时候就会简单很多。而在近场范围内，距离对信号产生的影响显著，在设计信号模型时，若再以平面波信号作为传输信号，那么算法的输出性能会下降。因此在这种情况下，就不能再用平面波检验算法的性能，因而采用球面波信号就很好必要性。这也是近场与远场的主要区别。在近场范围，距离除了会使接收信号产生一个延迟，同时对信号的能量也产生影响，距离越远，信号强度越小。假定信号源位于接收天线阵列的近场范围，在此空间域中有来自不同方向上的干扰信号以及带提取的期望信号，同时存在有白噪声。信源P与阵列的相对位置为(Γ，民_，其中，r为信号源到阵列中心的距离，Θ为信源的俯仰角，￠)则为方位角。阵列是由M个性质相同也具有全向响应的传感器组成的半径为R的均匀圆形阵列，其示意图是图2所示。1.近场模型假定圆形阵列第m个阵元与X轴的夹角为I，信源在x_y平面投影与其的距离为Iffl,信源与第m个阵元的距离为dm。可得第m个阵元接收到球面波信号为
权利要求
1.一种近场范围内鲁棒多波束形成方法，其特征在于包括以下步骤(1)确定信号源，接收天线阵列的位置参数，以及相关的环境参数；(2)利用近场与远场环境对信号的影响，确定近场球面波信号以及导向向量；(3)确定评估信号接收性能的指标，即信号与干扰噪声比准则；(4)通过最差环境下鲁棒波束形成方法过程，确定源信号可能的来波方向，求得此时阵列天线的权重向量；(5)对经过检测后存在信号的范围进行空间扫描，采用旁瓣功率最小化准则确定该范围内源信号的精确位置得到此时的权重向量；(6)使用上述步骤中得到的两个权重向量分步对源信号进行接收，实现来波信号的精确定位。
2.根据权利要求书I所述的近场范围内鲁棒多波束形成方法，其特征是所述的最差环境下鲁棒波束形成方法是将所有可能的实际导向向量看作一个不确定集，而对不确定集中的所有向量进行期望响应无畸变输出，可以转化为对不确定集中向量对应的实际响应值的最差性能进行最优化，转变为最差环境下鲁棒波束形成问题。
3.根据权利要求书I所述的近场范围内鲁棒多波束形成方法，其特征是所述的对经过检测后存在信号的范围进行空间扫描的方法是在同一时刻对存在信号的空间域逐点进行采样，求相应的旁瓣均方响应，然后使得该响应最小，进而求得此时的最优权重向量，用以获取精确的信号来波方向以及对应的输出性能。
全文摘要
本发明提供了一种近场鲁棒多波束形成的方法。包括确定信号源，接收天线阵列的位置参数，以及相关的环境参数；利用近场与远场环境对信号的影响，确定近场球面波信号以及导向向量；确定评估信号接收性能的指标；通过最差环境下鲁棒波束形成方法过程，确定源信号可能的来波方向，求得此时阵列天线的权重向量；对经过检测后存在信号的范围进行空间扫描，采用旁瓣功率最小化准则确定该范围内源信号的精确位置得到此时的权重向量；使用上述步骤中得到的两个权重向量分步对源信号进行接收，实现来波信号的精确定位。本发明采用的多波束形成算法很好地解决了近场方向向量失配的问题，算法的鲁棒性较好，易于实施，而且改善了输出信号的性能。
文档编号H04B7/08GK102998660SQ20121048724
公开日2013年3月27日 申请日期2012年11月26日 优先权日2012年11月26日
发明者廖艳苹, 焦艳敏, 陈立伟, 刘玉梅, 汤春明 申请人:哈尔滨工程大学