自适应波束成型

新技术讲座阵列天线波束形成研究姓名：席艺学号：151130108摘要阵列信号处理是现代信号处理技术中一个重要的分支，它的应用涉及到雷达、通信及射电天文等多个领域，而波束形成是阵列信号处理中的重要研究方向，为了实现在一定准则下的最佳接收和空间滤波，我们通过调整权重向量来改变阵列方向图，使得波束主瓣指向信号，旁瓣指向干扰，从而提高输出信噪比。本文在窄带信号的情况下，建立了均匀线阵和均匀圆阵的基本模型，为后续研究打下了良好的理论基础；介绍了均方误差性能量度，这是波束形成的关键；系统的介绍了波束形成的原理过程，并研究了两种经典波束形成算法，并进行仿真，取得了理想的成果。关键词：阵列信号处理，自适应波束形成，Bartlett/Capon波束形成器ABSTRACTArraysigalprocessingisanimportantbranchofsignalprocessinganditsapplicationsinvolvemanyareas,suchasradar,communicationsandmedicalimaging.Beamformingisanimportantresearchdirectioninthearraysignalprocessing.Aimingatachievingthebestreceiverinsomecriterionsandattainingthepurposeofthespatialfilter,weadjusttheweightvectortochangethepatternofthearray,whichmakespointingthebeammainlobeatthedesiredsignal,sidelobesnullattheinterferingsignals,sothattheSINRoftheoutputcanbeimproved.Inthisthesis,basedonnarrowbandsystem,webuiltthemathematicalmodelofanarrayantennathroughmodelingwhichisthefoundationofthenextstudy,andintroducedtheMeanSquareError,oneoftheperformancemetricscommonlyusedinadaptivecontrolalgorithm,andcomparedtheadvantagesanddisadvantageswithotherperformancemetrics.Weintroducedtheprocessofbeamformingandstudiedtwoclassicbeamformingalgorithms,namedBartlettbeamformerandCaponbeamformer.Then,weusedMATLABtosimulatetheirbeamformsandcomparedtheirperformanceunderdifferentcircumstancesandgainidealresult.KeyWords:arraysignalprocessing,beamforming,Bartlett/Caponbeamformer目录摘要................................................................................................................................2ABSTRACT.......................................................................................................................21.绪论..........................................................................................................................41.1研究背景及意义............................................................................................41.2国内外研究状况............................................................................................41.3本文主要研究内容........................................................................................52.阵列天线理论基础..................................................................................................62.1理性条件假设................................................................................................62.2阵列天线数学模型........................................................................................62.2.1阵列天线的基本模型.........................................................................62.2.2均匀线阵模型.....................................................................................72.2.3均匀圆阵模型.....................................................................................82.3阵列信号处理的统计模型............................................................................93.自适应控制算法......................................................................................................94.波束形成算法........................................................................................................104.1最佳权向量..................................................................................................104.2Bartlett波束形成器......................................................................................104.3Capon波束形成器........................................................................................115.总结与展望............................................................................................................12参考文献......................................................................................................................121.绪论1.1研究背景及意义随着通信卫星技术的飞速发展，星上天线技术也得到了快速发展，从天线波束功能来分，现已研制出多种类型的卫星天线，如全球波束天线、点波束天线、成形波束天线、可重构波束天线、多波束天线、扫描点波束天线等。天线正在从单波束天线向多波束天线发展，而天线的波束形成技术是其中的关键技术之一。有了波束形成技术阵列天线才能发挥它波束扫描、实现极低副瓣和多波束等优势。波束形成是通过对阵列中阵元方向图的加权叠加来实现接收某些角度的信号并提高其信噪比，而对另外一些角度的信号进行抑制。波束形成技术可以用到接收系统和发射系统中。通常阵列天线波束形成可分为非自适应波束形成与自适应波束形成。在非自适应波束形成中，阵元激励在阵列设计时已经给定而并不随着外界环境的改变而改变。但在很多应用中，由于外界环境的改变，为了最大化接收目标信号并且抑制干扰和噪声而采用自适应天线系统。自适应天线能根据环境的变化，在特定的方向上形成主波束接收有用信号并且通过在干扰方向上形成零点来抑制其它方向的干扰信号，从而在给定的优化准则下自动的调整权值，实质上是一种具有多个通道的阵列信号处理系统。它不同于一般信号的时域处理与频域处理，是一种空域滤波概念。叠加在一起或同时到达的几个信号因为占有的频带相同，所以一般的时域滤波与频域滤波已经不能分开它们。但这些信号的来向一般不同，波束形成技术就是利用这种空域的分离性来实现信号的空域处理的。自适应天线系统有广泛的应用，如在军事应用中，自适应波束赋形可以降低某个角度的敏感度从而抵消敌对发射机发射的干扰信号。1.2国内外研究状况阵列信号处理的理论研究开始于上世纪六十年代，迄今为止已经有五十多年的历史了。它主要经历了如下的三个阶段：上世纪六十年代的研究热点主要聚集于自适应波束控制上，例如自适应相控天线等，而上世纪七十年代的研究热点主要是自适应零点控制，例如自适应滤波和自适应干扰置零等技术，上世纪八十年代的研究热门是空间谱估计，例如最大熵(MaximumEntropy,ME)估计、最大似然(Maximumlikelihood,ML)估计等。人们的不断研究使得阵列信号处理理论日臻完善。波束形成技术是使得阵列方向图的主瓣指向所需的方向，从而提高阵列输出需要的信号强度；零点技术是将天线的零点对准干扰信号方向，从而降低干扰信号强度。以上所述技术的目的均是提高阵列输出信噪比。另一种技术是空间谱估计技术，该技术则侧重于研究多传感器阵列对感兴趣的信号包含的多种参数进行准确估计的能力，该技术主要用来对信号的信源位置或空域参数进行估计。“空间谱”用来表示信号在空间各方向上的能量分布。这样一来，若是能够得到信号的“空间谱”就能得到信号的波达方向(DOA)，因此，空间谱估计常被称作“DOA估计”。从二十世纪七十年代末开始，在DOA估计技术上出现了大量的研究成果及文献，许多研究人员在国际相关的学术会议及重要的学术期刊上发表了大量文章。这些文章中以美国Schmidt等人提出的多重信号分类MUSIC算法最为突出，该算法不仅实现了向现代超分辨测向技术的飞跃，也促进了基于特征值分解的子空间技术的兴起。不过此类算法需要空间谱计算及谱峰扫描，大大增加了计算复杂度。之后Roy及Kailath提出了ESPRIT算法，该算法通过应用子空间的旋转不变特性进行DOA估计，接着该算法被成功推广到二维DOA估计当中，此类算法的优点是运算量大大降低。可是MUSIC算法与ESPRIT算