自适应波束成型.doc
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1、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
2、应波束形成,Bartlett/Capon波束形成器ABSTRACTArray sigal processing is an important branch of signal processing and its applicationsinvolve many areas, such as radar, communications and medical imaging. Beamforming is an important research direction in the array signal processing. Aiming at achieving the best r
3、eceiver in some criterions and attaining the purpose of the spatialfilter, we adjust the weight vector to change the pattern of the array, which makes pointing the beam main lobe at the desired signal, sidelobes null at the interfering signals, so that the SINR of the output can be improved.In this
4、thesis, based on narrowband system, we built the mathematical model of an array antenna through modeling which is the foundation of the next study, and introduced the Mean Square Error , one of the performance metrics commonly used in adaptive control algorithm, and compared the advantages and disad
5、vantages with other performance metrics. We introduced the process of beamforming and studied two classic beamforming algorithms, named Bartlett beamformer and Capon beamformer. Then, we used MATLAB to simulate their beamformsand compared their performance under different circumstances and gain idea
6、l result.Key Words: array signal processing, beamforming, Bartlett/Capon beamformer目录摘要2ABSTRACT21. 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104.2 Bartlett波束形成器104.3 Capon波束形成器
7、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
8、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
9、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(Maximum Entropy, ME)估计、最大似然(Maximum likelihood,
10、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
11、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算法均建立在信号不相干或是低相干的情况下,这两种算法在多径传播的情况之下就
12、会失效。然而在实际应用环境中,由于山脉、云层、建筑物等因素的存在及一些人为和非人为的因素,多径传播是无法避免的。正是由于这些原因,现在有越来越多的研究人员开始研究多径传播情况下DOA估计的算法,希望能够通过这些算法估计可以获得更多的有用信息,直接用于军事与生产生活。无论是传统常规波束形成器,还是Capon最小方差无失真响应MVDR波束形成器,在波束形成时,均需要事先知道基阵对期望信号的方向向量这个先验信息,才能够进一步构造波束形成器的权向量来完成波束形成任务。MUSIC、WSF等高分辨算法对多个信号具有高分辨能力以及对信号的参数可以行高精度估计,但这些依赖于阵列流形的高分辨算法主要是利用了信号
13、的空域先验知识,如:阵列几何结构、阵元的幅相响应、目标源信号的波达方向等。当这些先验信息完全精确(即假设的阵列流形与实际的完全相同时,高分辨算法都具有很好的性能。但是在实际应用场合,这些先验信息往往不是很精确,很小的阵列流形误差也可能导致高分辨处理性能的严重恶化,这正是理论上高性能的阵列信号高分辨处理方法还没有获得广泛实际应用的一个主要原因。同时,为了克服高分辨算法在应用上的不足,研究阵列误差校正问题也是非常重要的。但是因为必须进行频繁的阵列校正,每次校正均需要储存阵列流形信息,而且还需校正信号源,况且校正算法造成的很小的误差均会大大降低系统性能,所以想要用于实际情况,还得花费很多精力进行研究
14、。针对以上问题研究人员提出了很多盲波束形成算法,这些算法的共同特点在于不需要阵列校验、波达方向、训练序列、干扰和噪声的空间自相关矩阵等先验信息,它是利用信号本身特性实现波束形成的。信号本身特性包含非高斯性、循环平稳性与恒模性等。非高斯性就是指数字调制信号的分布为非高斯分布,利用该性质的算法的计算比较复杂。循环平稳性是很多通信信号都具有的统计特征,利用该性质已经发展出了很多算法,这些算法也包含非常常见的SCORE算法,这类算法的收敛比较慢,而且不能够区分出多径信号。恒模性就是指很多常见的信号具有恒定的包络,恒模算法(CMA)就是基于信号的恒模性提出来的。常见的恒模算法有随机梯度恒模算法、最小二乘
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