【摘要】：波束形成算法被普遍應(yīng)用到無線通信、語音處理、雷達(dá)、聲吶、醫(yī)學(xué)成像和其他領(lǐng)域。然而在實際應(yīng)用中會存在各種誤差源,如陣列天線位置不理想、陣元間互耦效應(yīng)、角度估計不準(zhǔn)確、有限采樣快拍數(shù)、有色噪聲環(huán)境以及高動態(tài)環(huán)境等,以上因素均會影響波束形成器輸出性能,嚴(yán)重時甚至造成其性能失效。因此,提高非理想環(huán)境下波束形成算法的輸出性能成為眾多學(xué)者聚焦所在。本文對波束形成算法的基本理論知識進(jìn)行了簡要概述,分析了常見的非理想條件對波束形成算法的影響,并提出相應(yīng)的改進(jìn)方法。具體如下:有限快拍數(shù)和有色噪聲會導(dǎo)致自適應(yīng)波束形成算法波形發(fā)生畸變,針對該問題提出了兩種修正算法:有色噪聲下基于約束Kalman波束形成算法和雙穩(wěn)健性波束形成算法。有色噪聲下基于約束Kalman波束形成算法將Kalman濾波應(yīng)用到波束形成領(lǐng)域內(nèi),大大提高了算法的收斂速度,并通過對有色噪聲建模擴充Kalman濾波算法中的狀態(tài)方程和量測方程,來消除有色噪聲環(huán)境下波束形成算法波形畸變問題;雙穩(wěn)健性波束形成算法則是通過自適收縮因子方法來修正協(xié)方差矩陣,然后采用修正后的協(xié)方差矩陣對有色噪聲進(jìn)行估計,來消除有色噪聲環(huán)境下波束形成算法波束畸變問題。仿真結(jié)果表明有色噪聲下基于約束Kalman波束形成算法的收斂速度較快,并且算法的輸出SINR得到明顯的提升,但是該算法的復(fù)雜度較高,而雙穩(wěn)健性波束形成算法則能夠在較低復(fù)雜度的情況下仍具有較好的輸出性能。期望信號導(dǎo)向矢量角度失配會導(dǎo)致自適應(yīng)波束形成算法在期望信號方向上形成不了主波束,嚴(yán)重時會造成期望信號相消現(xiàn)象。為了解決該問題,幅值響應(yīng)約束被廣泛應(yīng)用到波束形成理論里,但是其在有限快拍數(shù)下旁瓣增益水平較高,針對該問題,提出了一種基于幅值約束與稀疏約束雙約束下穩(wěn)健波束形成算法。該算法利用陣列天線的稀疏性,在目標(biāo)函數(shù)中添加一個稀疏約束來保證期望信號方向無失真接收而其他角度方向上增益為0。該算法通過將稀疏約束添加到幅值約束算法目標(biāo)函數(shù)中,同時對波束圖的主瓣和旁瓣進(jìn)行約束,保證算法在角度失配等非理想情況下仍具有較高的輸出性能。理論分析與仿真實驗均驗證了所提算法的有效性。通常情況下陣列接收數(shù)據(jù)中都包含期望信號,直接使用陣列接收數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣求取權(quán)值矢量會導(dǎo)致波束形成算法把大功率期望信號當(dāng)成干擾信號來抑制,進(jìn)而造成期望信號的失真。針對該問題,提出一種基于有效重建協(xié)方差矩陣的穩(wěn)健自適應(yīng)波束形成算法。該算法引入了判斷因子作為其是否需要重構(gòu)協(xié)方差矩陣的標(biāo)準(zhǔn),判斷因子是通過功率譜估計算法能否將期望信號角度估計出來定義的。算法首先利用功率譜估計來估計期望信號角度方向,然后通過判斷因子來決定是否需要重構(gòu)協(xié)方差矩陣,即在低SNR下無需重構(gòu)協(xié)方差矩陣,而在高SNR下采用重構(gòu)協(xié)方差矩陣方法,最后求出波束形成算法的權(quán)值矢量。這樣就能在保證算法輸出性能的基礎(chǔ)上同時降低其復(fù)雜度,仿真驗證了所提算法的有效性。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工程大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TN957.52

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2693362