基于非圓系數(shù)估計的寬線性波束形成算法研究.pdf

1、波束形成(Beamforming)技術(shù)是陣列信號處理領(lǐng)域中的一個重要研究方向，其利用空間多傳感器所組成傳感器陣列來對空間信號進行發(fā)射或接收，廣泛應(yīng)用于雷達，聲吶，無線通信等領(lǐng)域。傳統(tǒng)的波束形成技術(shù)假設(shè)信號是圓的、平穩(wěn)的，僅僅利用了觀測矢量的協(xié)方差矩陣，然而在通信領(lǐng)域大量的人工調(diào)制信號都是非圓的、非平穩(wěn)的，不僅存在協(xié)方差矩陣而且存在偽協(xié)方差矩陣?；趫A信號假設(shè)下的波束形成技術(shù)雖然可以應(yīng)用于非圓信號，但是其性能并不能達到最優(yōu)。近些年現(xiàn)代信號

2、處理領(lǐng)域中同時利用觀測矢量及其共軛的寬線性(WL:Widely Linear)技術(shù)的不斷發(fā)展促使研究者們重新審視針對非圓信號的波束形成問題。寬線性波束形成技術(shù)通過分析信號的非圓性，同時利用了觀測矢量的協(xié)方差矩陣和偽協(xié)方差矩陣，相應(yīng)地一系列寬線性波束形成方法也陸續(xù)出現(xiàn)。
　　本文在對寬線性波束形成技術(shù)進行概述的基礎(chǔ)上，針對寬線性波束形成技術(shù)發(fā)展中存在的關(guān)鍵問題，開展基于非圓系數(shù)估計的寬線性波束形成算法研究。本研究工作的目的是在解決期

3、望信號非圓系數(shù)估計問題的基礎(chǔ)上，針對不同場景提出相應(yīng)的寬線性波束形成算法。本論文研究工作的主要貢獻與創(chuàng)新點歸納如下:
　　1.針對最優(yōu)寬線性波束形成算法中非圓系數(shù)難以估計的問題提出非圓系數(shù)估計算法，并得到了一個穩(wěn)健的對角加載權(quán)重矢量。我們研究使用最小功率無畸變(MPDR)準則，將其轉(zhuǎn)化為一個參數(shù)估計問題，通過求導得到初始估計后，分析干擾和噪聲對初始估計的影響，最后得到一個修正的估計值。在得到非圓系數(shù)估計后，使用對角加載技術(shù)減小估計

4、誤差對算法性能的影響。理論與仿真實驗同時證明所提算法對非圓系數(shù)有比較好的估計性能，而且能有效地應(yīng)用于實際場景。
　　2.針對期望信號存在偏移頻率的情況提出了頻移寬線性波束形成算法。由于存在偏移頻率的期望信號非圓系數(shù)隨觀測時間逐漸趨于零，共軛觀測矢量與觀測矢量中關(guān)于期望信號的相關(guān)信息是逐漸減少的。我們提出使用共軛循環(huán)觀測矢量代替共軛觀測矢量,其對應(yīng)的共軛循環(huán)相關(guān)系數(shù)代替非圓系數(shù)進行寬線性波束形成。所提的算法在偏移頻率為零時，等價于最

5、優(yōu)寬線性波束形成算法，在偏移頻率不為零時，優(yōu)于最優(yōu)寬線性波束形成算法。此外針對期望信號是直線信號的情況，通過分析時間平均的非圓系數(shù)與偏移頻率的關(guān)系，提出了兩種估計偏移頻率的算法。
　　3.當期望信號的偏移頻率與干擾的偏移頻率不同時，提出M階頻移寬線性波束形成算法。頻移寬線性波束形成算法僅利用了期望信號的共軛循環(huán)相關(guān)函數(shù)，當期望信號的偏移頻率與干擾的偏移頻率不同時，考慮使用多個共軛循環(huán)相關(guān)觀測矢量，通過增加M個約束使其干擾在對應(yīng)于他

6、們自己的循環(huán)頻率上的輸出為零。所提算法是頻移寬線性波束形成算法的擴展版本，不增加約束的零階算法對應(yīng)著頻移寬線性波束形成算法。當期望信號的偏移頻率與干擾的偏移頻率不同時，所提算法優(yōu)于頻移寬線性波束形成算法。
　　4.針對期望信號存在導向矢量失配的情況，引入非圓系數(shù)空間譜，提出了基于非圓系數(shù)空間譜估計的穩(wěn)健寬線性波束形成算法。所提算法重構(gòu)了干擾加噪聲協(xié)方差矩陣和干擾加噪聲偽協(xié)方差矩陣，剔除了擴展的協(xié)方差矩陣中的信號分量。在高信噪比和小