基于单通道接收机的鲁棒自适应波束形成算法

专利名称：一种基于子阵划分的鲁棒自适应波束形成定向拾音方法
专利类型：发明专利
发明人：厉剑,万成,孟维鑫,郑成诗,李晓东
申请号：CN202110769912.5
申请日：20210707
公开号：CN113593596B
公开日：
20220531
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明公开了一种基于子阵划分的鲁棒自适应波束形成定向拾音方法，该方法包括：对均匀面阵列接收的时域信号进行短时傅立叶变换，得到频域信号；对均匀面阵列按照均匀有重叠阵元的方式得到若干个子阵；对每个子阵的频域信号使用延时求和波束形成器；依据延时求和波束形成器的输出结果，进行DOA估计，判断当前帧是否有目标信号，并进行DOA信息标记；使用MVDR波束形成算法对各个子阵的输出信号进行预增强，得到预增强结果；根据DOA信息标记结果及预增强结果，进行迭代处理，得到估计噪声协方差矩阵；依选取KP形成器的两个虚拟子阵，分别使用自适应波束形成，采用虚拟子阵相互迭代的方式计算得到权系数，进而得到最终的波束形成输出。

申请人：中国科学院声学研究所
地址：100190 北京市海淀区北四环西路21号
国籍：CN
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鲁棒自适应波束形成方法研究摘要阵列信号处理技术作为信号处理领域中的一个重要分支，在雷达、通信、海洋监测、超声成像等领域都有着广泛的应用，其研究内容主要分为两大类：自适应波束形成和波达方向估计。

自适应波束形成主要是利用期望信号与干扰、噪声之间的空域差别，通过对权矢量进行调整，实现增强期望信号，抑制干扰和噪声的目的。

本文阐述了常规波束形成和三种统计最优波束形成准则，介绍了传统自适应波束形成技术，研究了鲁棒自适应波束形成算法，并给出了各种算法的性能仿真分析图。

与常规波束形成相比，自适应波束形成技术的优势在于抗干扰能力更强、空间分辨率更高等，但其对于模型误差较为敏感，微小的误差也可能导致其性能严重下降。

对此，许多研究者致力于自适应波束形成算法的鲁棒性研究，其中，基于对角加载的自适应波束形成算法是一种简单有效的鲁棒算法。

该算法的缺陷在于对角加载因子只能根据经验确定，不能随实际的变化而自适应调整，会影响波束形成器的输出性能。

曾有文献提出了一种基于非圆信号的特征恢复方法，但该方法需要预知期望信号的非圆率。

为了克服这一缺点，本文提出了一种基于非圆信号的对角加载波束形成算法，该算法的主要思想是利用阵列输出信号与参考信号的互相关系数最大化准则确定代价函数。

首先根据期望信号的非圆特性构造参考信号，然后将构造的参考信号代入上述准则确定代价函数，最后由计算机搜索出一个正则化参数，使代价函数取最优值。

仿真结果表明，该算法针对模型失配具有较好的鲁棒性，阵列的输出信干噪比也得到了改善。

关键词：鲁棒自适应波束形成，导向矢量失配，对角加载，非圆信号Research on Robust Adaptive BeamformingElectronic Information Science and Technology 11-2 Lu YingSupervisor Zhang QianAbstractAs an important branch in the field of signal processing, the array signal processing technique has been widely used in many areas such as radar, wireless communications, sea monitoring, ultrasonic imaging, which was divided into two categories: the adaptive beamforming and the direction of arrival estimation. By using the spatial difference between the desired signal and the interference, noise, the adaptive beamformers can adjust the weight vector and enhance the desired signal while suppress the interference and noise.In this thesis, we describe the conventional beamformers and three optimal criterions of beamforming, introduce several traditional adaptive beamforming technologies, emphasize to study robust adaptive beamforming. We also give the algorithm performance simulation diagram. Although the adaptive beamformers can have better interference rejection and resolution capability than the conventional beamformers, they are much more sensitive to model errors, the adaptive beamformers may suffer severe performance decline even if there are slight errors. In this regard, much effort has been devoted to devise robust adaptive beamformers. Among them, the diagonal loading is a simple and effective algorithm to improve the robustness of adaptive beamformers. However, the diagonal loading factor is determined only by experience, it may not adjust itself adaptively with the change of environment, which will affect the output performance of the beamformers.An noncircularity restoral based method has been proposed for selecting the diagonal loading factor, while this method has to predict the noncircularity of the desired signal. To overcome this shortcoming, we proposed a kind of diagonal loading algorithm based on noncircular signals. The main idea of this algorithm is to determine a cost function by maximizing the cross correlation coefficient between the output and the reference signal. Firstly, constructing the reference signal according to the characteristic of the noncircular desired signal. Then determining the cost function and search an optimal regularization parameter. The simulation results show that, this algorithm can provide robustness against the mismatches and the output SINR has been improved simultaneously.Key word: robust adaptive beamforming, steering vector error, diagonal loading, noncircular signal目录1 绪论 (1)1.1引言 (1)1.2研究背景及意义 (1)1.3国内外研究现状 (1)1.4本文主要研究内容及结构安排 (3)2阵列信号处理基础理论 (4)2.1引言 (4)2.2阵列信号处理基础 (4)2.2.1阵列信号输出模型 (4)2.2.2阵列输出信号二阶统计量 (5)2.2.3波束方向图函数 (6)2.3本章小结 (7)3 自适应波束形成算法 (8)3.1引言 (8)3.2常规波束形成 (8)3.3统计最优波束形成 (10)3.3.1最大输出信干噪比波束形成算法 (10)3.3.2最小方差无失真响应波束形成算法 (11)3.3.3最小均方误差波束形成算法 (12)3.3.4算法仿真与性能分析 (12)3.3.5算法小结 (15)3.4 自适应波束形成算法 (15)3.4.1 采样矩阵求逆算法 (15)3.4.2最小均方算法 (16)3.5本章小结 (17)4 鲁棒波束形成算法 (18)4.1引言 (18)4.2特征子空间波束形成算法 (18)4.2.1算法描述 (18)4.2.2算法仿真与性能分析 (19)4.2.3算法小结 (21)4.3线性约束波束形成算法 (21)4.3.1算法描述 (21)4.3.2典型约束条件 (21)4.3.3算法仿真与性能分析 (22)4.3.4算法小结 (23)4.4对角加载波束形成算法 (23)4.4.1算法描述 (23)4.4.2对角加载因子确定 (24)4.4.3基于信号非圆特征恢复方法 (24)4.4.4算法仿真与性能分析 (25)4.4.5算法小结 (28)4.5本章小结 (28)5基于非圆信号的对角加载波束形成算法 (29)5.1引言 (29)5.2 算法描述 (29)5.2.1互相关系数最大化准则 (29)5.2.2参考信号构造 (29)5.2.3 代价函数确定 (31)5.3 算法性能仿真分析 (32)5.3.1 圆特性干扰 (32)5.3.2 非圆特性干扰 (36)5.4 算法小结 (40)5.5本章小结 (40)6结束语 (41)6.1全文总结 (41)6.2未来工作展望 (41)致谢 (42)参考文献 (43)附录 (45)1 绪论1.1引言阵列信号处理是指由空间位置不同的多个传感器组成的阵列对信号进行接收和处理，增强期望信号，抑制干扰和噪声，其在雷达、通信、声呐、超声成像、医疗卫生等领域都具有广泛的应用[1]。

一种简化的鲁棒波束形成算法
刘春静;张曙
【期刊名称】《哈尔滨工程大学学报》
【年(卷),期】2009(030)009
【摘要】在阵列导向矢量不存在误差的条件下,传统的最小方差波束形成器(MVB)具有良好的分辨精度和抗干扰能力.然而,MVB算法的主要问题在于不具有鲁棒性,不能克服未知导向矢量误差的影响.因此对角加载以及相应的扩展算法已经成为一种提高MVB算法鲁棒性的常用方法.该文对基于椭球形导向矢量不确定集的鲁棒MVB算法进行了简化,该简化算法是在对导向矢量附加一个球形不确定集约束的条件下推导出来的,具有较低的计算复杂度和更高的数字稳定性.仿真结果表明,在导向矢量误差存在的情况下该算法是有效的.
【总页数】5页(P1061-1065)
【作者】刘春静;张曙
【作者单位】哈尔滨工程大学,信息与通信工程学院,黑龙江,哈尔滨,150001;哈尔滨工程大学,信息与通信工程学院,黑龙江,哈尔滨,150001
【正文语种】中文
【中图分类】TN911
【相关文献】
1.一种改进的迭代型鲁棒波束形成算法 [J], 金伟;赵建勋;张峰干;贾维敏;姚敏立
2.一种零陷展宽鲁棒自适应波束形成算法 [J], 范展;梁国龙;王逸林
3.一种分解迭代二阶锥规划鲁棒自适应波束形成算法 [J], 金伟;贾维敏;姚敏立;邹翔
4.一种基于对角载入的鲁棒MVDR波束形成算法 [J], 施荣华;孟秋杰;董健;郭迎
5.一种导向矢量失配的鲁棒波束形成算法 [J], 崔琳;张熠鑫;焦亚萌
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基于波束空间的自适应波束形成算法
程春悦;吕英华
【期刊名称】《无线电工程》
【年(卷),期】2005(035)007
【摘要】提出了一种稳健的波束形成算法.该算法利用干扰信号的导引向量和噪声向量对接收信号的协方差矩阵进行重构,经此处理后的协方差矩阵的信号子空间中不再包含期望信号成分,使得当期望信号功率较强时应用LCMV算法也不会对期望信号进行抑制.此外,算法还引入了锥形方差矩阵技术增强算法抑制干扰的能力.最后仿真证明了该算法的有效性.
【总页数】3页(P39-41)
【作者】程春悦;吕英华
【作者单位】北京邮电大学,北京,100876;北京邮电大学,北京,100876
【正文语种】中文
【中图分类】TN911.7
【相关文献】
1.-种改进的波束空间自适应波束形成算法 [J], 张孟达;朱子平;岳玫君;
2.一种改进的波束空间自适应波束形成算法 [J], 张孟达;朱子平;岳玫君
3.基于特征空间的自适应波束形成算法 [J], 游伟
4.基于空间平滑的超声自适应波束形成算法实现 [J], YUAN Jin;QIN Yun
5.基于特征空间自适应波束形成的近程杂波抑制算法 [J], 刘涛;张永;栾金龙;刘振华;马红光
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基于鲁棒Capon波束形成的探地雷达成像算法周琳;黄春琳;粟毅【期刊名称】《电子与信息学报》【年(卷),期】2012(034)005【摘要】The conventional Ground Penetrating Radar (GPR) imaging algorithms are data-independent, which cause lots of interference like side lobes and clutter. However, the data-adaptive methods have remarkable capability of interference suppression. A data-adaptive GPR imaging algorithm based on the theory of Robust Capon Beamforming (RCB) is proposed. The refraction phenomenon of electromagnetic wave is fully considered, and the generation of covariance matrix is also deeply discussed. The sidelobes and clutter can be suppressed dramatically, as well as the imaging resolution can be slightly improved. The experimental results show the validity of the proposed algorithm.%传统的探地雷达(Ground Penetrating Radar,GPR)成像算法属于非自适应方法,其成像结果中存在较强的旁瓣和杂波干扰,而自适应方法具有很强的干扰抑制能力.该文利用鲁棒Capon波束形成(Robust CaponBeamforming,RCB)理论,提出了一种自适应的基于RCB的GPR成像算法,不仅考虑了GPR工作场景下电磁波折射现象,同时研究了适用于GPR成像的协方差矩阵构造方法.所提算法可大幅降低成像结果中旁瓣和杂波能量,并在一定程度上提高成像分辨率,实测数据的实验结果证明了算法的有效性.【总页数】6页(P1024-1029)【作者】周琳;黄春琳;粟毅【作者单位】国防科技大学电子科学与工程学院长沙410073;国防科技大学电子科学与工程学院长沙410073;国防科技大学电子科学与工程学院长沙410073【正文语种】中文【中图分类】TN957.52【相关文献】1.一种改进的Capon波束形成算法在超声成像中的研究 [J], 杜春宁;彭虎2.转弯畸变拖曳阵声呐鲁棒Capon波束形成方法 [J], 薄连坤;张晓勇;熊瑾煜3.MIMO雷达迭代鲁棒Capon波束形成算法 [J], 周淑华;谭志浩;金伟;贾维敏4.基于高斯-勒让德积分的鲁棒波束形成算法 [J], 程永杰;刘帅;张雪;金铭5.基于导向矢量失配估计的鲁棒波束域自适应波束形成算法 [J], 陶震因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

低复杂度的鲁棒自适应波束形成方法及装置随着通信技术的不断发展，波束形成技术在无线通信系统中扮演着重要的角色。

波束形成技术可以提高信号的接收质量和抑制干扰，从而提高系统的性能。

然而，传统的波束形成方法存在复杂度高、鲁棒性差等问题。

为了解决这些问题，研究人员提出了一种低复杂度的鲁棒自适应波束形成方法及装置。

该方法的核心思想是通过自适应算法来调整波束的权重，以适应不同的信道条件和干扰情况。

具体而言，该方法首先通过接收阵列中的天线接收到的信号，利用空间滤波器对信号进行加权叠加，形成波束。

然后，通过估计信道的特性和干扰的统计特性，采用自适应算法来调整波束的权重，使得波束对目标信号增益最大化，对干扰信号抑制最大化。

与传统的波束形成方法相比，该方法具有以下优点。

首先，该方法的复杂度较低，适用于实际应用场景。

其次，该方法具有较好的鲁棒性，能够适应不同的信道条件和干扰情况。

此外，该方法还能够提供较高的波束形成增益和干扰抑制能力，从而提高系统的性能。

为了实现该方法，研究人员设计了一种鲁棒自适应波束形成装置。

该装置包括接收阵列、空间滤波器、自适应算法模块和控制模块。

接收阵列用于接收信号，空间滤波器用于加权叠加信号，自适应算法模块用于调整波束的权重，控制模块用于控制整个系统的运行。

在实际应用中，该装置可以广泛应用于无线通信系统中。

例如，在移动通信系统中，该装置可以用于提高信号的接收质量和抑制多径干扰。

在雷达系统中，该装置可以用于提高目标检测和跟踪的性能。

此外，该装置还可以应用于无线电天文学、声纳等领域。

低复杂度的鲁棒自适应波束形成方法及装置是一种有效的波束形成技术。

该方法通过自适应算法调整波束的权重，以适应不同的信道条件和干扰情况。

该装置可以广泛应用于无线通信系统中，提高系统的性能。

未来，随着技术的进一步发展，该方法及装置有望在实际应用中发挥更大的作用。

一种具有双重鲁棒性的自适应波束形成算
法
自适应波束形成是无线信号传输技术中一个重要组成部分，它可
以有效地利用收发电子信号所产生的聚焦效应，使信号可以有效地传播，从而提高传输效率。

随着技术进步，已发展出具有双重鲁棒性的
自适应波束形成算法。

双重鲁棒性的自适应波束形成算法的工作原理是基于自适应算法
的原理来调整射频天线的传输功率，使接收到的信号直流功率有所提高，射频信号可以被有效地传播到每一个用户那里去，从而提高了系
统的整体效率。

针对不同系统环境下的自适应波束形成算法，该算法
引入了双重鲁棒性的设计，确保在各种系统环境下计算都可以取得预
期的性能，同时减少该算法的收敛时间，使最终的性能更加可靠。

首先，双重鲁棒性的自适应波束形成算法采用可变信道速率技术，解决了传统自适应算法在某些系统参数变化的情况下，收敛精度低甚
至无法收敛的问题，这样可以提高系统的稳定性和灵敏度。

其次，双
重鲁棒性的自适应波束形成算法采用称为加速低阶滤波器的技术，它
可以简化自适应的滤波器的设计，减少滤波器的发挥效果的延迟时间，从而可以提高算法的收敛速度，以及减少设计时间。

最后，该算法采
用LMS算法，采用模糊控制，优化传输功率，实现可靠的数据传输，
提高信号接收的质量。

综上所述，双重鲁棒性的自适应波束形成算法非常有效，它能够
在更大范围内改善系统性能，提高信号接收质量，减少收敛时间，并
降低设计时间。

因此，双重鲁棒性的自适应波束形成算法被广泛应用
于无线信号传输技术中，它能够有效地将收发电子信号的聚焦效应利
用起来，提高传输效率，为实现良好的信号传输提供更多帮助。

基于压缩感知的单通道鲁棒自适应波束形成算法李洪涛;贺亚鹏;肖瑶;朱晓华【期刊名称】《电子与信息学报》【年(卷),期】2012(34)10【摘要】针对在低快拍以及导向矢量存在误差等情况下自适应波束形成鲁棒性下降的问题,该文提出一种基于压缩感知(CS)的单通道鲁棒波束形成算法.首先提出一种新的单通道阵列体制,建立阵列信号压缩感知模型,并验证其感知矩阵满足约束等容(RIP)条件,在此基础上,采用快速的鲁棒平滑L0(RSL0)算法重构信号干扰矩阵,最后以表征阵列鲁棒性的阵列灵敏度作为目标函数,以干扰矩阵作为约束条件,形成有效波束.计算机仿真表明算法只需一个射频通道,即可在低快拍下有效抑制相干、非相干干扰信号,并可避免因通道间不一致造成的鲁棒性问题,验证了算法的有效性和优越性.%To solve the degradation of robustness against array steering vector error with finite snapshot in the adaptive beamformer, a novel single-channel robust adaptive beamforming algorithm based on Compressive Sensing (CS) is derived. A single-channel array system is first presented, and then the array signal module based on CS is build, in which the sensing matrix satisfies the Restricted Isometry Property (RIP). The signal and interference matrix can be recovered by fast Robust Smoothed L0 (RSLO) norm algorithm. Finally, the effective beam can be formed with the objective function and constraint setting to be array sensitivity function and interference matrix respectively. Computer simulation shows that the presented algorithm can suppress interferences with anycoherence in case of one single-channel of radio frequency and finite snapshots, confirming the validity and superiority of the proposed algorithm.【总页数】6页(P2421-2426)【作者】李洪涛;贺亚鹏;肖瑶;朱晓华【作者单位】南京理工大学电子工程与光电技术学院南京210094;南京理工大学电子工程与光电技术学院南京210094;南京理工大学电子工程与光电技术学院南京210094;南京理工大学电子工程与光电技术学院南京210094【正文语种】中文【中图分类】TN911.7【相关文献】1.基于Bayesian准则的鲁棒自适应波束形成算法 [J], 杨杰;李春晓;马永阳2.基于单通道接收机的鲁棒自适应波束形成算法 [J], 金伟;贾维敏;张峰干;姚敏立3.基于导向矢量估计的鲁棒自适应波束形成算法 [J], 李洪涛;陈诚;曾文浩;朱晓华4.基于协方差矩阵锥化和导向矢量估计的鲁棒自适应波束形成算法 [J], 郭云舟;贾维敏;金伟;朱丰超5.基于导向矢量失配估计的鲁棒波束域自适应波束形成算法 [J], 陶震因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

专利名称：基于交替方向乘子法的鲁棒自适应波束形成算法专利类型：发明专利
发明人：王彤,苏昱煜,冯建婷,路彤
申请号：CN201911347121.2
申请日：20191224
公开号：CN110988854A
公开日：
20200410
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明属于雷达信号处理领域，公开了一种基于交替方向乘子法的鲁棒自适应波束形成算法，该算法解决了已有算法中存在阵列或感兴趣信号的精度不够等误差问题，通过重构干扰加噪声协方差矩阵以求解信号SV的鲁棒自适应波束形成算法，该算法在保留模约束的基础上，提高了约束对真实数据的适应性，相比传统的RAB方法，本发明所提算法计算复杂度更低，具有更好的性能，提高自适应波束形成算法对未知误差的鲁棒性。

申请人：西安电子科技大学
地址：710071 陕西省西安市太白南路2号
国籍：CN
代理机构：西安睿通知识产权代理事务所(特殊普通合伙)
代理人：包春菊
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卫星通信中高鲁棒性自适应波束赋形算法张颉;徐厚东;王海;贺洪星;李里;傅宁;涂斌【期刊名称】《西南交通大学学报》【年(卷),期】2024(59)3【摘要】在卫星通信中,采用自适应波束赋形技术能极大提升导航接收机的抗干扰性能,然而,传统自适应波束赋形算法对模型失配极为敏感.针对传统自适应波束赋形算法在期望信号导向矢量和协方差矩阵失配时,输出性能急剧下降的问题,本文提出了一种高鲁棒性自适应波束赋形算法.该算法首先估计期望信号的输入信噪比(SNR),再根据SNR构造投影矩阵来估计期望信号导向矢量和干扰信号导向矢量;接着,基于不确定集优化方法再次校正期望信号导向矢量和干扰信号导向矢量;最后,估计信号功率并重构干扰加噪声协方差矩阵.仿真结果表明,相比于协方差矩阵重构波束赋形算法,本文算法具有更优异的输出信干噪比(SINR)性能,当SNR为10.0 dB并存在期望信号波达方向(DOA)估计失配时,本文算法的输出SINR增益可达1.9 dB;当存在波前扰动失真时,输出SINR增益约1.5 dB;当存在局部相干散射时,输出SINR 增益约1.6 dB.【总页数】8页(P556-563)【作者】张颉;徐厚东;王海;贺洪星;李里;傅宁;涂斌【作者单位】国网四川省电力公司电力科学研究院;国网四川省电力公司;西南交通大学信息科学与技术学院;国网思极神往位置服务(北京)有限公司;国网四川省电力公司雅安供电公司【正文语种】中文【中图分类】TN911.7【相关文献】1.多输入多输出单载波频分多址系统的鲁棒波束赋形算法2.具有自适应可调误差半径的鲁棒波束赋形算法3.基于导向矢量失配估计的鲁棒波束域自适应波束形成算法4.RIS辅助的MISO系统安全鲁棒波束赋形算法5.可重构智能反射面辅助太赫兹通信系统鲁棒波束赋形算法因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。