第四章 部分自适应阵列处理技术

1、1第四章第四章 部分自适应阵列处理技术部分自适应阵列处理技术 4.1部分自适应概念部分自适应概念 全自适应：全自适应：对全部单元作自适应控制（使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用了全部可利用的系统自由度degree of freedom）. .部分自适应：部分自适应：对其中部分单元作自适应控制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（只使用了部分可利用的系统自由度）。自由度）。2比较：比较： 方式方式 指标指标全自适应全自适应部分自适应部分自适应自由度自由度全部全部部分部分运算量运算量大大小小收敛性收敛性慢慢快快性能性能潜在性能高潜在性能高使用性好（与理论极限使

2、用性好（与理论极限性能相比有损失）性能相比有损失）3关键：关键：如何合理设计部分自适应结构，使得性能损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。失最小而运算量显著降低。部分自适应技术的发展情况：部分自适应技术的发展情况：chapman,IEEE,Trans AP-24,1979,P685696 变换降维变换降维Morgan,Partially Adaptive Array Techniques IEEE,Trans,AP-26,1978,P823833多重旁瓣对消多重旁瓣对消 器（器（MSCGabriel, Using Spectral Estimation Techniq

3、ues in1. Adaptive Processing Antenna Systems.IEEE,AP-34,1986,No.3,P291300 自适应方法自适应方法4Adams, Adaptive Main-Beam Nulling for Narrow-Beam Antenna Arrays.IEEE,AES-16,1980,P509516VanVeenB.D,Partially Adaptive Beamformer Design Via Output Power Minimization IEEE,Trans,ASSP-35,1987,P15241532深入系统研究了广义旁瓣相消结构

4、（深入系统研究了广义旁瓣相消结构（GSC处理器）处理器）54.2阵元空间阵元空间(element space)部分部分 自适应处理自适应处理 nChapman方法：子阵级方法：子阵级对阵列数据对阵列数据 用降维矩阵作变换：用降维矩阵作变换：X11,HMNN MYT XTMN其中10XoptWR a HHHYHXRE Y t YtE T X t Xt TT R T变换前的自适应：变换前的自适应：变换后的自适应处理：变换后的自适应处理：6变换后的导向矢量为：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：由最优波束形成原理，变换域的最优权为：在变换域在变换域 用用 进行最优波束形成，实际

5、上进行最优波束形成，实际上是对是对 进行波束形成，即：进行波束形成，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 optWTW7一般地，一般地， ,此时此时 不可逆，在变换域处不可逆，在变换域处理的性能不如变换前处理的结果（有性能损失）；理的性能不如变换前处理的结果（有性能损失）；特殊地，当特殊地，当 可逆时：可逆时： ,N MTMNTT11,0XT optWTR a1,0XT optoptWTWR aWMN此时在变换域处理的结果与变换域

6、前一样，但这此时在变换域处理的结果与变换域前一样，但这时需要时需要 ，并不能降维，所以无实际意义。，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：关于变换矩阵的构造（子阵划分）问题： 简单子阵法简单子阵法 选取的子阵只是位置上靠近的阵元。选取的子阵只是位置上靠近的阵元。明显缺点：明显缺点：各子阵的相位中心通常超过半波长（甚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。至几个波长），产生子阵间栅瓣。 8几种改进方法：几种改进方法： 使子阵间栅瓣出现于子阵方向图的零点位置。使子阵间栅瓣出现于子阵方向图的零点位置。 例：例：33阵元合成为阵元合成为16个（采用滑动

7、重叠技术）个（采用滑动重叠技术）如图如图3.1所示所示d2d2d()2d图图3.1123452930 31 32331215169新阵列方向图新阵列方向图子阵方向图子阵方向图图图3.21000o11非均匀划分，使各子阵内的阵元数不等，破坏栅非均匀划分，使各子阵内的阵元数不等，破坏栅瓣的出现。瓣的出现。如图如图3.3123456123图图3.31633122、Morgan的的MSC方法：阵元级方法：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。用固定权（非自适应）进行处理。 如图如图3.4 所示所示12KN1wNwKw2w

8、01w02w ty tm有几个干扰复有几个干扰复用几个阵元进用几个阵元进行自适应处理行自适应处理相消相消图图3.413选取的阵元数选取的阵元数MNM=1 单旁瓣相消器单旁瓣相消器M 1多旁瓣相消器多旁瓣相消器 MCS中的问题：中的问题：1 、对几个点干扰抑制问题，选取自适应单元、对几个点干扰抑制问题，选取自适应单元几乎可任意。几乎可任意。2 、对很多干扰或连片的地物杂波，如何选取、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。自适应处理单元有待于进一步研究。 当当 , 全自适应全自适应 14030 26010154.3 波束空间部分自适应处理波束空间部分自适应处理 波束指

9、的是普通波束。波束指的是普通波束。波束空间波束空间自适应处理：最常见的是对傅氏基自适应处理：最常见的是对傅氏基 波束进行处理。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选取部分波束进行处理就称为波束域部分自 适应处理。适应处理。下面研究波束选取的方法下面研究波束选取的方法16 Gabriel方法：方法：分两步：首先估计干扰方向（粗分两步：首先估计干扰方向（粗略）。略）。 再选取指向干扰方向的若干波束。再选取指向干扰方向的若干波束。 Adams方法：方法：在目标邻近方向选取若干波束。在目标邻近方向选取若干波束。以等距线阵为例以等距线阵为例(间距为间距为 )。N元阵经过元阵经过butle

10、r波束形成得到波束形成得到N个波束。如图个波束。如图3.52Butler矩阵矩阵123N123N图图3.517其特点：其特点：N个波束在旁瓣区共零点。个波束在旁瓣区共零点。18已知两个干扰及其方向已知两个干扰及其方向选取两个指向干扰方向的波束。选取两个指向干扰方向的波束。一、分析一、分析Gabriel方法：方法： （干扰（干扰2） 00HytWx t 11Hy tWx t 22HytWx t(目标目标)（干扰（干扰1）最优准则：最优准则： 1122e ty ta yta yt 1 221122mina aEy ta y ta yt19图图3.7 用用“辅助天线辅助天线”的主瓣对消的主瓣对消“主

11、天线主天线”的旁瓣的旁瓣干扰干扰2021二二、分析分析Adams方法方法 注意各波束在旁瓣区共零点，可行成宽的凹口。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）。如图干扰（连片杂波）。如图3.8密集型干扰密集型干扰图图3.8 用用“辅助天线辅助天线”的旁瓣对消的旁瓣对消“主天线主天线”的旁瓣的旁瓣凹口凹口224.4 基于广义旁瓣相消器的部分基于广义旁瓣相消器的部分 自适应设计自适应设计 21211pHini iiniRIvv最优波束形成：最优波束形成：0min.1HWHWRWS t Wa10

12、optWR a211pnEVDHHiiiniiii pRvvvv 01poptiiiWav：指向目标的导向矢量（固定）。：指向目标的导向矢量（固定）。0a1piiiv12( ,)pspan v vv：23在计算最优权在计算最优权 时，实际上只需计算时，实际上只需计算 。更进一。更进一步，在已知一组基矢量步，在已知一组基矢量 时，为计算时，为计算 ，只涉及只涉及p个参数个参数 （pN）。）。：自适应权，依赖于数据。：自适应权，依赖于数据。0optAWWW0WAW：固定权（匹配：固定权（匹配filter）optWAW12,pv vvAWi更一般最优波束形成：更一般最优波束形成：（LCMV）min:

13、L 1 C:NLL.HWHHWRWFS tW CF（1)0HHHAW CW CF24令令 00HHHAW CFW CAnWC W0HHnWC C0HnC C0AW WW 而而 HH0C FWAnWC W0-HHHHHnWC WC WC CF0nWWC W满足约束方程。满足约束方程。 上述约束方程可转变为无约束上述约束方程可转变为无约束 00minHnnWWC WR WC W 10HHnnnWC RCC RW25LCMV处理框图：处理框图： X t0WnCAW 0Hm tWX t Hny tC X t HAz tWy t e t图图3.8 广义旁瓣相消器（广义旁瓣相消器（GSC) 上支路：上支路

14、：形成目标检测通道形成目标检测通道( 是匹配滤波权是匹配滤波权)下之路：下之路：形成辅助通道，用其加权求和去预测检测形成辅助通道，用其加权求和去预测检测通道中的干扰信号进而对消掉。通道中的干扰信号进而对消掉。要求：要求：下支路中不含目标信号，由下支路中不含目标信号，由 保证。保证。 0W0HnC C NNL26 0000nHHnnx ts t axtCaC CC a称称 为为信号阻塞矩阵（信号阻塞矩阵（Block Matrix） nC在上述结构中，用了在上述结构中，用了L个约束条件，全自适应处理个约束条件，全自适应处理的自由度为的自由度为NL个。由上述结构可方便设计降维个。由上述结构可方便设计

15、降维处理。如图处理。如图3.9 X t0WnCAW e tNNLTpNL d t 1Xt图图3.927方法一（方法一（Gabried法）：法）： 由指向干扰方向的由指向干扰方向的 方法二（方法二（Adams法）：法）： 由指向目标方向邻由指向目标方向邻由上图得：由上图得：10HHAnnnWC TR C TC TRW令令 （合并）（合并） nC TT 记为有两层要求：有两层要求：T对信号进行阻塞对信号进行阻塞 是降维矩阵是降维矩阵 0HT C T()NpTpNL关于关于 的设计问题：的设计问题： T傅立傅立叶变叶变换基换基矢量矢量波束作为权矢量构成的。波束作为权矢量构成的。近波束权矢量构成。近波

16、束权矢量构成。TT方法三方法三 由由R的特征分解的特征矢量构成。的特征分解的特征矢量构成。 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。能量，此时会出现严重地上下支路期望信号抵消的现象。广义旁瓣相消器广义旁瓣相消器GSC是是LCMV的一种等效的实现结构。的一种等效的实现结构。G

17、SC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，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。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：改善的方法：人工注入噪声的方法，即将泄漏的期望信号功率作为惩罚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，来提高函数，来提高GSC的稳健性（人工注入的噪声必须具有合适）的稳健性（人工注入的噪声必须具有合适）的功率。的功率。29L.J.Griffths.An alternati

18、ve approach to linearly constrained adaptive beamforming.IEEE Trans.on AP-30(1) 1982.27-34N.K.Jablon, “Adaptive beamforming with the generalized sidelobe canceller in the presence of array imperfections”1) 郭庆华，廖桂生，郭庆华，廖桂生，“一种稳健的自适应波束形成器一种稳健的自适应波束形成器”电电子与信息学报，子与信息学报，2004年第一期。年第一期。波束形成器的稳健性可用它的白噪声增益来衡量，对白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噪声增益的限制可用对自适