第四章部分自適應(yīng)陣列處理技術(shù)ppt課件

1、第四章第四章 部分自適應(yīng)陣列處理技術(shù)部分自適應(yīng)陣列處理技術(shù) 4.1部分自適應(yīng)概念部分自適應(yīng)概念 全自適應(yīng)：全自適應(yīng)：對(duì)全部單元作自適應(yīng)控制使對(duì)全部單元作自適應(yīng)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(yīng)：部分自適應(yīng)：對(duì)其中部分單元作自適應(yīng)控制對(duì)其中部分單元作自適應(yīng)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(yīng)全自適應(yīng)部分自適應(yīng)部分自適應(yīng)自由度自由度全部全部部分部分運(yùn)算量運(yùn)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(jì)部分自適應(yīng)結(jié)構(gòu)，使得性能損如何合理設(shè)計(jì)部分自適應(yīng)結(jié)構(gòu)，使得性能損失最小而運(yùn)算量顯著降低。失最小而運(yùn)算量顯著降低。部分自適應(yīng)技術(shù)的發(fā)展情況：部分自適應(yīng)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(duì)多重旁瓣對(duì)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(yīng)方法適應(yīng)方法Adams, Adaptive Main-Beam Nulling for Narrow-Beam Antenna Arrays.IEEE,AES-16,1980,P509516 用幾個(gè)指向目標(biāo)臨近方向的波束進(jìn)行對(duì)消用幾個(gè)指向目標(biāo)臨近方向的波束進(jìn)行對(duì)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(yīng)處理自適應(yīng)處理 nChapman方法：子陣級(jí)方法：子陣級(jí)對(duì)陣列數(shù)據(jù)對(duì)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(yīng)：變換前的自適應(yīng)：變換后的自適應(yīng)處理：變換后的自適應(yīng)處理：變換后的導(dǎo)向矢量為：變換后的導(dǎo)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(jìn)行最優(yōu)波束形成，實(shí)際上進(jìn)行最優(yōu)波束形成，實(shí)際上是對(duì)是對(duì) 進(jìn)行波束形成，即：進(jìn)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(shí)此時(shí) 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(dāng)特殊地，當(dāng) 可逆時(shí)：可逆時(shí)： ,N

6、MTMNTT11,0XT optWTR a1,0XT optoptWTWR aWMN此時(shí)在變換域處理的結(jié)果與變換域前一樣，但這此時(shí)在變換域處理的結(jié)果與變換域前一樣，但這時(shí)需要時(shí)需要 ，并不能降維，所以無(wú)實(shí)際意義。，并不能降維，所以無(wú)實(shí)際意義。關(guān)于變換矩陣的構(gòu)造子陣劃分問(wèn)題：關(guān)于變換矩陣的構(gòu)造子陣劃分問(wèn)題： 簡(jiǎn)單子陣法簡(jiǎn)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(diǎn)：各子陣的相位中心通常超過(guò)半波長(zhǎng)甚明顯缺點(diǎn)：各子陣的相位中心通常超過(guò)半波長(zhǎng)甚至幾個(gè)波長(zhǎng)），產(chǎn)生子陣間柵瓣。至幾個(gè)波長(zhǎng)），產(chǎn)生子陣間柵瓣。 幾種改進(jìn)方法：幾種改進(jìn)方法： 使子陣間柵瓣出現(xiàn)于子陣方向圖的

7、零點(diǎn)位置。使子陣間柵瓣出現(xiàn)于子陣方向圖的零點(diǎn)位置。 例：例：3333陣元合成為陣元合成為1616個(gè)采用滑動(dòng)重疊技術(shù)）個(gè)采用滑動(dòng)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(jí)方法：陣元級(jí)選取部分單元進(jìn)行自適應(yīng)加權(quán)控制，而其余單元選取部分單元進(jìn)行自適應(yīng)加權(quán)控制，而其余單元用固定權(quán)非自適

8、應(yīng)進(jìn)行處理。用固定權(quán)非自適應(yīng)進(jìn)行處理。 如圖如圖3.4 3.4 所示所示12KN1wNwKw2w01w02w ty tm有幾個(gè)干擾復(fù)有幾個(gè)干擾復(fù)用幾個(gè)陣元進(jìn)用幾個(gè)陣元進(jìn)行自適應(yīng)處理行自適應(yīng)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(wèn)題：中的問(wèn)題：1 、對(duì)幾個(gè)點(diǎn)干擾抑制問(wèn)題，選取自適應(yīng)單元、對(duì)幾個(gè)點(diǎn)干擾抑制問(wèn)題，選取自適應(yīng)單元幾乎可任意。幾乎可任意。2 、對(duì)很多干擾或連片的地物雜波，如何選取、對(duì)很多干擾或連片的地物雜波，如何選取自適應(yīng)處理單元有待于進(jìn)一步研究。自適應(yīng)處理單元有待于進(jìn)一步研究。 當(dāng)當(dāng) , 全自適應(yīng)全自

9、適應(yīng) 030 260104.3 波束空間部分自適應(yīng)處理波束空間部分自適應(yīng)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(yīng)處理：最常見(jiàn)的是對(duì)傅氏基波束空間自適應(yīng)處理：最常見(jiàn)的是對(duì)傅氏基 波束進(jìn)行處理。波束進(jìn)行處理。選取部分波束進(jìn)行處理就稱為波束域部分自選取部分波束進(jìn)行處理就稱為波束域部分自 適應(yīng)處理。適應(yīng)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(jì)干擾方向粗方法：分兩步：首先估計(jì)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(biāo)鄰近方向選取若干波束。方法：在目標(biāo)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(guò)元陣經(jīng)過(guò)butler波束形成得到波束形成得到N個(gè)波束。如圖個(gè)波束。如圖3.52Butler矩陣矩陣123N123N圖圖3.5其特點(diǎn)：其特點(diǎn)：N個(gè)波束在旁瓣區(qū)共零點(diǎn)。個(gè)波束在旁瓣區(qū)共零點(diǎn)。已知兩個(gè)干擾及其方向已知兩個(gè)干擾及其方向選取兩個(gè)指向干擾方向的波束。選取兩個(gè)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(zhǔn)則：最優(yōu)準(zhǔn)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(duì)消輔助天線的主瓣對(duì)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(diǎn)，可行成寬的凹口。注意各波束在旁瓣區(qū)共零點(diǎn)，可行成寬的凹口?？捎幂^少的波束進(jìn)行自適應(yīng)處理來(lái)抑制密集型的多可用較少的波束進(jìn)行自適應(yīng)處理來(lái)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(duì)消輔助天線的旁瓣對(duì)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(yīng)設(shè)計(jì)自適應(yīng)設(shè)計(jì) 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(biāo)的導(dǎo)向矢量固定）。：指向目標(biāo)的導(dǎo)向矢量固定）。0a1piiiv12( ,)pspan v vv：在計(jì)算最優(yōu)權(quán)在計(jì)算最優(yōu)權(quán) 時(shí)，實(shí)際上只需計(jì)算時(shí)，實(shí)際上只需計(jì)算 。更進(jìn)一。更進(jìn)一步，在已知一組基矢量步，在已知一組基矢量 時(shí)，為計(jì)算時(shí)，為計(jì)算 ，只涉及只涉及p個(gè)參數(shù)個(gè)參數(shù) （pN）。）。：自適應(yīng)權(quán)，依賴于數(shù)據(jù)。：自適應(yīng)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(wú)約束上述約束方程可轉(zhuǎn)變?yōu)闊o(wú)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(biāo)檢測(cè)通道上支路：形成目標(biāo)檢測(cè)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(yù)測(cè)檢測(cè)下之路：形成輔助通道，用其加權(quán)求和去預(yù)測(cè)檢測(cè)通道中的干擾信號(hào)進(jìn)而對(duì)消掉。通道中的干擾信號(hào)進(jìn)而對(duì)消掉。要求：下支路中不含目標(biāo)信號(hào)，由要求：下支路中不含目標(biāo)信號(hào)，由 保證。保證。 0W0HnC C NNL 0000nHHnnx ts t axtCaC CC a稱稱 為信號(hào)阻塞矩陣為信號(hào)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(gè)約束條件，全自適應(yīng)處理個(gè)約束條件，全自適應(yīng)處理的自由度為的

15、自由度為NL個(gè)。由上述結(jié)構(gòu)可方便設(shè)計(jì)降維個(gè)。由上述結(jié)構(gòu)可方便設(shè)計(jì)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(biāo)方向鄰由指向目標(biāo)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(duì)信號(hào)進(jìn)行阻塞對(duì)信號(hào)進(jìn)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(jì)問(wèn)題：的設(shè)計(jì)問(wèn)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(hào)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(hào)阻塞，而使其一部分能量泄漏到輔助支路中，當(dāng)信噪比比較高時(shí)，輔助支路也含有相當(dāng)?shù)仄谕盘?hào)路中，當(dāng)信噪比比較高時(shí)，輔助支路也含有相當(dāng)?shù)仄谕盘?hào)能量，此時(shí)會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重地上下支路期望信號(hào)抵消的現(xiàn)象。能量，此時(shí)會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重地上下支路期望信號(hào)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(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)。的一種等效的實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)。GSC結(jié)構(gòu)將自適應(yīng)波束形成的約束化問(wèn)題轉(zhuǎn)化成無(wú)約束化問(wèn)題，結(jié)構(gòu)將自適應(yīng)波束形成的約束化問(wèn)題轉(zhuǎn)化成無(wú)約束化問(wèn)題，分為自適應(yīng)和非自適應(yīng)的兩個(gè)支路：期望信號(hào)只能從非自適分為自適應(yīng)和非自適應(yīng)的兩個(gè)支路：期望信號(hào)只能從非自適應(yīng)支路通過(guò)，而自適應(yīng)支路僅含干擾和噪聲分量。應(yīng)支路通過(guò)，而自適應(yīng)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(hào)功率作為懲罰人工注入噪聲的方法，即將泄漏的期望信號(hào)功率作為懲罰函數(shù)，來(lái)提高函數(shù)，來(lái)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(xué)報(bào)，電子與信息學(xué)報(bào)，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(lái)衡量，對(duì)白波束形成器的穩(wěn)健性可用它的白噪聲增益來(lái)衡量，對(duì)白噪聲增益的限制可用對(duì)自適應(yīng)權(quán)向量進(jìn)行二次不等約束來(lái)噪聲增益的限制可用對(duì)自適應(yīng)權(quán)向量進(jìn)行二次不等約束來(lái)替代，使自適應(yīng)權(quán)向量的范數(shù)小于一定的值。替代，使自適應(yīng)權(quán)向量的范數(shù)小于一定的值。對(duì)阻塞矩陣進(jìn)行改進(jìn)，即把期望信號(hào)的理想導(dǎo)向矢量向?qū)ψ枞仃囘M(jìn)行改進(jìn)，即把期望信號(hào)的理想導(dǎo)向矢量向信號(hào)子空間作投影，得到的導(dǎo)向矢量更加接近于實(shí)際的導(dǎo)信號(hào)子空間作投影，得到的導(dǎo)向矢量更加接近于實(shí)際的導(dǎo)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(shí)間頻率，數(shù)字信號(hào)處理，時(shí)域采樣。：時(shí)間頻率，數(shù)字信號(hào)處理，時(shí)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?yàn)V波問(wèn)題僅考慮波束形成）。僅方向?yàn)V波問(wèn)題僅考慮波束形