第四章 部分自适应阵列处理技术

1第四章部分自适应阵列处理技术§4.1部分自适应概念全自适应：对全部单元作自适应控制（使用了全部可利用的系统自由度degreeoffreedom）.部分自适应：对其中部分单元作自适应控制（只使用了部分可利用的系统自由度）。西安电子科技大学雷达信号处理实验室2比较：方式指标全自适应部分自适应自由度全部部分运算量大小收敛性慢快性能潜在性能高使用性好（与理论极限性能相比有损失）西安电子科技大学雷达信号处理实验室3关键：如何合理设计部分自适应结构，使得性能损失最小而运算量显著降低。部分自适应技术的发展情况：1.chapman,IEEE,TransAP-24,1979,P685~696变换降维2.Morgan,PartiallyAdaptiveArrayTechniquesIEEE,Trans,AP-26,1978,P823~833多重旁瓣对消器（MSC）3.Gabriel,UsingSpectralEstimationTechniquesinAdaptiveProcessingAntennaSystems.IEEE,AP-34,1986,No.3,P291~300自适应方法西安电子科技大学雷达信号处理实验室44.Adams,AdaptiveMain-BeamNullingforNarrow-BeamAntennaArrays.IEEE,AES-16,1980,P509~516用几个指向目标临近方向的波束进行对消5.VanVeenB.D,PartiallyAdaptiveBeamformerDesignViaOutputPowerMinimizationIEEE,Trans,ASSP-35,1987,P1524~1532深入系统研究了广义旁瓣相消结构（GSC处理器）西安电子科技大学雷达信号处理实验室5§4.2阵元空间(elementspace)部分自适应处理1.Chapman方法：子阵级对阵列数据用降维矩阵作变换：X11,HMNNMYTXTMN其中10XoptWRaHHHYHXREYtYtETXtXtTTRT变换前的自适应：变换后的自适应处理：西安电子科技大学雷达信号处理实验室6变换后的导向矢量为：由最优波束形成原理，变换域的最优权为：在变换域用进行最优波束形成，实际上是对进行波束形成，即：00HTaTa1,010()YToptTHHXWRaTRTTaY,ToptWX,,,HHHToptToptHToptHdtWYtWTXtTWXtWXt其中：,ToptWTW西安电子科技大学雷达信号处理实验室7一般地，,此时不可逆，在变换域处理的性能不如变换前处理的结果（有性能损失）；特殊地，当可逆时：,NMTMNTT11,0XToptWTRa1,0XToptoptWTWRaWMN此时在变换域处理的结果与变换域前一样，但这时需要，并不能降维，所以无实际意义。关于变换矩阵的构造（子阵划分）问题：简单子阵法选取的子阵只是位置上靠近的阵元。明显缺点：各子阵的相位中心通常超过半波长（甚至几个波长），产生子阵间栅瓣。西安电子科技大学雷达信号处理实验室8几种改进方法：1)使子阵间栅瓣出现于子阵方向图的零点位置。例：33阵元合成为16个（采用滑动重叠技术）如图3.1所示d2d2d()2d图3.1123452930313233121516西安电子科技大学雷达信号处理实验室9新阵列方向图子阵方向图图3.2西安电子科技大学雷达信号处理实验室10子阵均匀划分法，来波方向为00o西安电子科技大学雷达信号处理实验室112)非均匀划分，使各子阵内的阵元数不等，破坏栅瓣的出现。如图3.3123456123图3.31633西安电子科技大学雷达信号处理实验室122、Morgan的MSC方法：阵元级选取部分单元进行自适应加权控制，而其余单元用固定权（非自适应）进行处理。如图3.4所示12KN1wNwKw2w01w02wtytm有几个干扰复用几个阵元进行自适应处理相消图3.4西安电子科技大学雷达信号处理实验室13选取的阵元数MNM=1单旁瓣相消器M1多旁瓣相消器MCS中的问题：1、对几个点干扰抑制问题，选取自适应单元几乎可任意。2、对很多干扰或连片的地物杂波，如何选取自适应处理单元有待于进一步研究。当,全自适应西安电子科技大学雷达信号处理实验室14来波方向，干扰方向和03026010西安电子科技大学雷达信号处理实验室15§4.3波束空间部分自适应处理波束指的是普通波束。波束空间自适应处理：最常见的是对傅氏基波束进行处理。选取部分波束进行处理就称为波束域部分自适应处理。下面研究波束选取的方法西安电子科技大学雷达信号处理实验室161.Gabriel方法：分两步：首先估计干扰方向（粗略）。再选取指向干扰方向的若干波束。2.Adams方法：在目标邻近方向选取若干波束。以等距线阵为例(间距为)。N元阵经过butler波束形成得到N个波束。如图3.52Butler矩阵123N123N图3.5西安电子科技大学雷达信号处理实验室17其特点：N个波束在旁瓣区共零点。西安电子科技大学雷达信号处理实验室18已知两个干扰及其方向选取两个指向干扰方向的波束。一、分析Gabriel方法：（干扰2）00HytWxt11HytWxt22HytWxt(目标)（干扰1）最优准则：1122etytaytayt1221122minaaEytaytayt西安电子科技大学雷达信号处理实验室19图3.7用“辅助天线”的主瓣对消“主天线”的旁瓣干扰西安电子科技大学雷达信号处理实验室20西安电子科技大学雷达信号处理实验室21二、分析Adams方法注意各波束在旁瓣区共零点，可行成宽的凹口。可用较少的波束进行自适应处理来抑制密集型的多干扰（连片杂波）。如图3.8密集型干扰图3.8用“辅助天线”的旁瓣对消“主天线”的旁瓣凹口西安电子科技大学雷达信号处理实验室22§4.4基于广义旁瓣相消器的部分自适应设计21211pHiniiiniRIvv最优波束形成：0min.1HWHWRWStWa10optWRa211pnEVDHHiiiniiiipRvvvv01poptiiiWav：指向目标的导向矢量（固定）。0a1piiiv12(,,,)pspanvvv：西安电子科技大学雷达信号处理实验室23在计算最优权时，实际上只需计算。更进一步，在已知一组基矢量时，为计算，只涉及p个参数（pN）。：自适应权，依赖于数据。0optA0WAW：固定权（匹配filter）optWAW12,,,pvvvAWi更一般最优波束形成：（LCMV）min:L1C:NLL.HWHHWRWFStWCF（1)0HHHAWCWCF西安电子科技大学雷达信号处理实验室24令00HHHAWCFWCAnWCW0HHnWCC0HnCC0A＝而HH0CFW＝AnWCW＝0-HHHHHnWCWCWCCF＝＝0nWWCW满足约束方程。上述约束方程可转变为无约束00minHnnWWCWRWCW10HHnnnWCRCCRW西安电子科技大学雷达信号处理实验室25LCMV处理框图：Xt0WnCAW0HmtWXtHnytCXtHAztWytet图3.8广义旁瓣相消器（GSC)上支路：形成目标检测通道(是匹配滤波权)下之路：形成辅助通道，用其加权求和去预测检测通道中的干扰信号进而对消掉。要求：下支路中不含目标信号，由保证。0W0HnCCNNL西安电子科技大学雷达信号处理实验室260000nHHnnxtstaxtCaCCCa称为信号阻塞矩阵（BlockMatrix）nC在上述结构中，用了L个约束条件，全自适应处理的自由度为N－L个。由上述结构可方便设计降维处理。如图3.9Xt0WnCAWetNNLTpNLdt1Xt图3.9西安电子科技大学雷达信号处理实验室27方法一（Gabried法）：由指向干扰方向的方法二（Adams法）：由指向目标方向邻由上图得：10HHAnnnWCTRCTCTRW令（合并）nCTT记为有两层要求：T1)对信号进行阻塞2)是降维矩阵0HTCT()NpTpNL关于的设计问题：T傅立叶变换基矢量波束作为权矢量构成的。近波束权矢量构成。TT方法三由R的特征分解的特征矢量构成。西安电子科技大学雷达信号处理实验室28由于阵列天线误差的存在，广义旁瓣相消器的阻塞矩阵并不能很好地将期望信号阻塞，而使其一部分能量泄漏到辅助支路中，当信噪比比较高时，辅助支路也含有相当地期望信号能量，此时会出现严重地上下支路期望信号抵消的现象。广义旁瓣相消器GSC是LCMV的一种等效的实现结构。GSC结构将自适应波束形成的约束化问题转化成无约束化问题，分为自适应和非自适应的两个支路：期望信号只能从非自适应支路通过，而自适应支路仅含干扰和噪声分量。改善的方法：西安电子科技大学雷达信号处理实验室人工注入噪声的方法，即将泄漏的期望信号功率作为惩罚函数，来提高GSC的稳健性（人工注入的噪声必须具有合适）的功率。29参考文献：1)L.J.Griffths.Analternativeapproachtolinearlyconstrainedadaptivebeamforming.IEEETrans.onAP-30(1)1982.27-342)N.K.Jablon,“Adaptivebeamformingwiththegeneralizedsidelobecancellerinthepresenceofarrayimperfections”3)郭庆华，廖桂生，“一种稳健的自适应波束形成器”《电子与信息学报》，2004年第一期。西安电子科技大学雷达信号处理实验室波束形成器的稳健性可用它的白噪声增益来衡量，对白噪声增益的限制可用对自适应权向量进行二次不等约束来代替，使自适应权向量的范数小于一定的值。对阻塞矩阵进行改进，即把期望信号的理想导向矢量向信号子空间作投影，得到的导向矢量更加接近于实际的导向矢量。30§4.5频率波数处理WkCW：时间频率，数字信号处理，时域采样。k：空间频率矢量，只能离散处理，空间采样。W－k处理：就是W－方向处理。仅方向滤波问题（仅考虑波束形成）。宽带阵列信号：同时刻的不同阵元信号的复包络不尽相同W－方向的滤波问题:(宽带阵列信号处理)西安电子科技大学雷达信号处理实验室31频域表示：21112211NjtjtjtNNstextxtstextxtste211NjjSSeXSe12jtjtxtXedXxtedt西安电子科技大学雷达信号处理实验室32宽带阵列处理方法：一般结构：多通道横向滤波器。频域处理：FFTFFTFFT阵列处理IFFT对同频数据进行类似于窄带阵列处理图3.10西安电子科技大学雷达信号处理实验室