第四章部分自適應陣列處理技術(shù)ppt課件

1、第四章第四章 部分自適應陣列處理技術(shù)部分自適應陣列處理技術(shù) 4.1部分自適應概念部分自適應概念 全自適應：全自適應：對全部單元作自適應控制使對全部單元作自適應控制使用了全部可利用的系統(tǒng)自由度用了全部可利用的系統(tǒng)自由度degree of freedomdegree of freedom）. .部分自適應：部分自適應：對其中部分單元作自適應控制對其中部分單元作自適應控制只使用了部分可利用的系統(tǒng)只使用了部分可利用的系統(tǒng)自由度）。自由度）。比較：比較： 方式方式 目的目的全自適應全自適應部分自適應部分自適應自由度自由度全部全部部分部分運算量運算量大大小小收斂性收斂性慢慢快快性能性能潛在性能高潛在性能高

2、使用性好與理論極限使用性好與理論極限性能相比有損失）性能相比有損失）關(guān)鍵：關(guān)鍵：如何合理設(shè)計部分自適應結(jié)構(gòu)，使得性能損如何合理設(shè)計部分自適應結(jié)構(gòu)，使得性能損失最小而運算量顯著降低。失最小而運算量顯著降低。部分自適應技術(shù)的發(fā)展情況：部分自適應技術(shù)的發(fā)展情況：chapman,IEEE,Trans AP-24,1979,P685696 變換降維變換降維Morgan,Partially Adaptive Array Techniques IEEE,Trans,AP-26,1978,P823833多重旁瓣對多重旁瓣對消消 器器MSC）Gabriel, Using Spectral Estimation

3、Techniques in A d a p t i v e P r o c e s s i n g A n t e n n a Systems.IEEE,AP-34,1986,No.3,P291300 自自適應方法適應方法Adams, Adaptive Main-Beam Nulling for Narrow-Beam Antenna Arrays.IEEE,AES-16,1980,P509516 用幾個指向目標臨近方向的波束進行對消用幾個指向目標臨近方向的波束進行對消VanVeenB.D,Partially Adaptive Beamformer Design Via Output Powe

4、r Minimization IEEE,Trans,ASSP-35,1987,P15241532 深入系統(tǒng)研究了廣義旁瓣相消結(jié)構(gòu)深入系統(tǒng)研究了廣義旁瓣相消結(jié)構(gòu)GSC處理器處理器） 4.2陣元空間陣元空間(element space)部分部分 自適應處理自適應處理 nChapman方法：子陣級方法：子陣級對陣列數(shù)據(jù)對陣列數(shù)據(jù) 用降維矩陣作變換：用降維矩陣作變換：X11,HMNN MYT XTMN其中10XoptWR a HHHYHXRE Y t YtE T X t Xt TT R T變換前的自適應：變換前的自適應：變換后的自適應處理：變換后的自適應處理：變換后的導向矢量為：變換后的導向矢量為：由

5、最優(yōu)波束形成原理，變換域的最優(yōu)權(quán)為：由最優(yōu)波束形成原理，變換域的最優(yōu)權(quán)為：在變換域在變換域 用用 進行最優(yōu)波束形成，實際上進行最優(yōu)波束形成，實際上是對是對 進行波束形成，即：進行波束形成，即： 00HTaTa 1,010()YT optTHHXWR aT R TT aY,T optWX ,HHHT optT optHT optHd tWY tWTX tTWX tWX t其中：其中： ,T optWTW一般地，一般地， ,此時此時 不可逆，在變換域處不可逆，在變換域處理的性能不如變換前處理的結(jié)果有性能損失）；理的性能不如變換前處理的結(jié)果有性能損失）；特殊地，當特殊地，當 可逆時：可逆時： ,N

6、MTMNTT11,0XT optWTR a1,0XT optoptWTWR aWMN此時在變換域處理的結(jié)果與變換域前一樣，但這此時在變換域處理的結(jié)果與變換域前一樣，但這時需要時需要 ，并不能降維，所以無實際意義。，并不能降維，所以無實際意義。關(guān)于變換矩陣的構(gòu)造子陣劃分問題：關(guān)于變換矩陣的構(gòu)造子陣劃分問題： 簡單子陣法簡單子陣法 選取的子陣只是位置上靠近的陣元。選取的子陣只是位置上靠近的陣元。明顯缺點：各子陣的相位中心通常超過半波長甚明顯缺點：各子陣的相位中心通常超過半波長甚至幾個波長），產(chǎn)生子陣間柵瓣。至幾個波長），產(chǎn)生子陣間柵瓣。 幾種改進方法：幾種改進方法： 使子陣間柵瓣出現(xiàn)于子陣方向圖的

7、零點位置。使子陣間柵瓣出現(xiàn)于子陣方向圖的零點位置。 例：例：3333陣元合成為陣元合成為1616個采用滑動重疊技術(shù)）個采用滑動重疊技術(shù)）如圖如圖3.13.1所示所示d2d2d()2d圖圖3.1123452930 31 3233121516新陣列方向圖新陣列方向圖子陣方向圖子陣方向圖圖圖3.200o非均勻劃分，使各子陣內(nèi)的陣元數(shù)不等，破壞柵非均勻劃分，使各子陣內(nèi)的陣元數(shù)不等，破壞柵瓣的出現(xiàn)。如圖瓣的出現(xiàn)。如圖3.3123456123圖圖3.316332、Morgan的的MSC方法：陣元級方法：陣元級選取部分單元進行自適應加權(quán)控制，而其余單元選取部分單元進行自適應加權(quán)控制，而其余單元用固定權(quán)非自適

8、應進行處理。用固定權(quán)非自適應進行處理。 如圖如圖3.4 3.4 所示所示12KN1wNwKw2w01w02w ty tm有幾個干擾復有幾個干擾復用幾個陣元進用幾個陣元進行自適應處理行自適應處理相消相消圖圖3.4選取的陣元數(shù)選取的陣元數(shù)MNM=1 單旁瓣相消器單旁瓣相消器M 1多旁瓣相消器多旁瓣相消器 MCS中的問題：中的問題：1 、對幾個點干擾抑制問題，選取自適應單元、對幾個點干擾抑制問題，選取自適應單元幾乎可任意。幾乎可任意。2 、對很多干擾或連片的地物雜波，如何選取、對很多干擾或連片的地物雜波，如何選取自適應處理單元有待于進一步研究。自適應處理單元有待于進一步研究。 當當 , 全自適應全自

9、適應 030 260104.3 波束空間部分自適應處理波束空間部分自適應處理 波束指的是普通波束。波束指的是普通波束。波束空間自適應處理：最常見的是對傅氏基波束空間自適應處理：最常見的是對傅氏基 波束進行處理。波束進行處理。選取部分波束進行處理就稱為波束域部分自選取部分波束進行處理就稱為波束域部分自 適應處理。適應處理。下面研究波束選取的方法下面研究波束選取的方法 Gabriel方法：分兩步：首先估計干擾方向粗方法：分兩步：首先估計干擾方向粗略）。略）。 再選取指向干擾方向的若干波束。再選取指向干擾方向的若干波束。 Adams方法：在目標鄰近方向選取若干波束。方法：在目標鄰近方向選取若干波束。

10、以等距線陣為例以等距線陣為例(間距為間距為 )。N元陣經(jīng)過元陣經(jīng)過butler波束形成得到波束形成得到N個波束。如圖個波束。如圖3.52Butler矩陣矩陣123N123N圖圖3.5其特點：其特點：N個波束在旁瓣區(qū)共零點。個波束在旁瓣區(qū)共零點。已知兩個干擾及其方向已知兩個干擾及其方向選取兩個指向干擾方向的波束。選取兩個指向干擾方向的波束。一、分析一、分析GabrielGabriel方法：方法： （干擾（干擾2） 00HytWx t 11Hy tWx t 22HytWx t(目的目的)（干擾（干擾1）最優(yōu)準則：最優(yōu)準則： 1122e ty ta y ta yt 1 221122mina aEy

11、ta y ta yt圖圖3.7 用用“輔助天線的主瓣對消輔助天線的主瓣對消“主天線的旁瓣主天線的旁瓣干擾干擾二、分析二、分析AdamsAdams方法方法 注意各波束在旁瓣區(qū)共零點，可行成寬的凹口。注意各波束在旁瓣區(qū)共零點，可行成寬的凹口?？捎幂^少的波束進行自適應處理來抑制密集型的多可用較少的波束進行自適應處理來抑制密集型的多 干擾連片雜波）。如圖干擾連片雜波）。如圖3.8密集型干擾密集型干擾圖圖3.8 用用“輔助天線的旁瓣對消輔助天線的旁瓣對消“主天線的旁瓣主天線的旁瓣凹口凹口4.4 基于廣義旁瓣相消器的部分基于廣義旁瓣相消器的部分 自適應設(shè)計自適應設(shè)計 21211pHini iiniRIvv

12、最優(yōu)波束形成：最優(yōu)波束形成：0min.1HWHWRWS t Wa10optWR a211pnEVDHHiiiniiii pRvvvv 01poptiiiWav：指向目標的導向矢量固定）。：指向目標的導向矢量固定）。0a1piiiv12( ,)pspan v vv：在計算最優(yōu)權(quán)在計算最優(yōu)權(quán) 時，實際上只需計算時，實際上只需計算 。更進一。更進一步，在已知一組基矢量步，在已知一組基矢量 時，為計算時，為計算 ，只涉及只涉及p個參數(shù)個參數(shù) （pN）。）。：自適應權(quán)，依賴于數(shù)據(jù)。：自適應權(quán)，依賴于數(shù)據(jù)。0optAWWW0WAW：固定權(quán)匹配：固定權(quán)匹配filter）optWAW12,pv vvAWi更一

13、般最優(yōu)波束形成：（更一般最優(yōu)波束形成：（LCMV）min:L 1 C:NLL.HWHHWRWFS tW CF（1)0HHHAW CW CF令令 00HHHAW CFW CAnWC W0HHnWC C0HnC C0AWWW 而而 HH0C FWAnWC W0-HHHHHnW C W C W C CF0nWWC W滿足約束方程。滿足約束方程。 上述約束方程可轉(zhuǎn)變?yōu)闊o約束上述約束方程可轉(zhuǎn)變?yōu)闊o約束 00minHnnWWC WR WC W 10HHnnnWC RCC RWLCMV處理框圖：處理框圖： X t0WnCAW 0Hm tWX t Hny tCX t HAz tWy t e t圖圖3.8 廣義

14、旁瓣相消器廣義旁瓣相消器GSC) 上支路：形成目標檢測通道上支路：形成目標檢測通道( 是匹配濾波權(quán)是匹配濾波權(quán))下之路：形成輔助通道，用其加權(quán)求和去預測檢測下之路：形成輔助通道，用其加權(quán)求和去預測檢測通道中的干擾信號進而對消掉。通道中的干擾信號進而對消掉。要求：下支路中不含目標信號，由要求：下支路中不含目標信號，由 保證。保證。 0W0HnC C NNL 0000nHHnnx ts t axtCaC CC a稱稱 為信號阻塞矩陣為信號阻塞矩陣Block MatrixBlock Matrix） nC在上述結(jié)構(gòu)中，用了在上述結(jié)構(gòu)中，用了L個約束條件，全自適應處理個約束條件，全自適應處理的自由度為的

15、自由度為NL個。由上述結(jié)構(gòu)可方便設(shè)計降維個。由上述結(jié)構(gòu)可方便設(shè)計降維處理。如圖處理。如圖3.9 X t0WnCAW e tNNLTpNL d t 1Xt圖圖3.9方法一方法一Gabried法）：法）： 由指向干擾方向的由指向干擾方向的 方法二方法二Adams法）：法）： 由指向目標方向鄰由指向目標方向鄰由上圖得：由上圖得：10HHAnnnWC TR C TC TRW令令 （合并）（合并） nC TT 記為有兩層要求：有兩層要求：T對信號進行阻塞對信號進行阻塞 是降維矩陣是降維矩陣 0HT C T()NpTpNL關(guān)于關(guān)于 的設(shè)計問題：的設(shè)計問題： T傅立傅立葉變?nèi)~變換基換基矢量矢量波束作為權(quán)矢量

16、構(gòu)成的。波束作為權(quán)矢量構(gòu)成的。近波束權(quán)矢量構(gòu)成。近波束權(quán)矢量構(gòu)成。TT方法三方法三 由由R R的特征分解的特征矢量構(gòu)成。的特征分解的特征矢量構(gòu)成。 由于陣列天線誤差的存在，廣義旁瓣相消器的阻塞矩陣并不由于陣列天線誤差的存在，廣義旁瓣相消器的阻塞矩陣并不能很好地將期望信號阻塞，而使其一部分能量泄漏到輔助支能很好地將期望信號阻塞，而使其一部分能量泄漏到輔助支路中，當信噪比比較高時，輔助支路也含有相當?shù)仄谕盘柭分校斝旁氡缺容^高時，輔助支路也含有相當?shù)仄谕盘柲芰?，此時會出現(xiàn)嚴重地上下支路期望信號抵消的現(xiàn)象。能量，此時會出現(xiàn)嚴重地上下支路期望信號抵消的現(xiàn)象。廣義旁瓣相消器廣義旁瓣相消器GSC是是L

17、CMV的一種等效的實現(xiàn)結(jié)構(gòu)。的一種等效的實現(xiàn)結(jié)構(gòu)。GSC結(jié)構(gòu)將自適應波束形成的約束化問題轉(zhuǎn)化成無約束化問題，結(jié)構(gòu)將自適應波束形成的約束化問題轉(zhuǎn)化成無約束化問題，分為自適應和非自適應的兩個支路：期望信號只能從非自適分為自適應和非自適應的兩個支路：期望信號只能從非自適應支路通過，而自適應支路僅含干擾和噪聲分量。應支路通過，而自適應支路僅含干擾和噪聲分量。改善的方法：改善的方法：人工注入噪聲的方法，即將泄漏的期望信號功率作為懲罰人工注入噪聲的方法，即將泄漏的期望信號功率作為懲罰函數(shù)，來提高函數(shù)，來提高GSC的穩(wěn)健性人工注入的噪聲必須具有合適）的穩(wěn)健性人工注入的噪聲必須具有合適）的功率。的功率。電子與

18、信息學報，電子與信息學報，2019年第一期。年第一期。波束形成器的穩(wěn)健性可用它的白噪聲增益來衡量，對白波束形成器的穩(wěn)健性可用它的白噪聲增益來衡量，對白噪聲增益的限制可用對自適應權(quán)向量進行二次不等約束來噪聲增益的限制可用對自適應權(quán)向量進行二次不等約束來替代，使自適應權(quán)向量的范數(shù)小于一定的值。替代，使自適應權(quán)向量的范數(shù)小于一定的值。對阻塞矩陣進行改進，即把期望信號的理想導向矢量向?qū)ψ枞仃囘M行改進，即把期望信號的理想導向矢量向信號子空間作投影，得到的導向矢量更加接近于實際的導信號子空間作投影，得到的導向矢量更加接近于實際的導向矢量。向矢量。4.5 頻率波數(shù)處理頻率波數(shù)處理WkC W：時間頻率，數(shù)字信號處理，時域采樣。：時間頻率，數(shù)字信號處理，時域采樣。k：空間頻率矢量，只能離散處理，空間：空間頻率矢量，只能離散處理，空間 采樣。采樣。Wk處理：就是處理：就是W方向處理。方向處理。 僅方向濾波問題僅考慮波束形成）。僅方向濾波問題僅考慮波束形