鲁棒自适应波束成形研究

论文摘要

作为信号处理领域的一个重要分支,阵列信号处理被广泛的应用于雷达、声纳、射电天文学、地震学、定向/定位、无线通信以及医疗诊断等众多领域。自适应波束成形器能够根据阵列接收到的信号,选择适当的波束成形权值矢量,达到增强期望信号,抑制干扰和噪声的目的。虽然相比于经典的波束成形器而言,自适应波束成形器有着更好的分辨能力和更强的干扰抑制能力,但是自适应波束成形器对于模型的误差是非常敏感,即便是轻微的模型失配也可能导致自适应波束成形器严重的性能衰落,这给自适应波束成形算法应用于实际系统造成了困难。为此,在过去的三十多年中,众多研究者致力于自适应波束成形算法的鲁棒性研究,并取得了很多研究成果。本文将在现有工作的基础上,研究了几种新的鲁棒自适应波束成形算法,以便能适应更为复杂、更为恶劣的环境。本文首先提出了一种基于二次采样的贝叶斯自适应波束成形算法。在该算法中,期望信号的波达方向被看作是一个定义在若干候选波达方向上的离散随机变量,由阵列接收信号计算出各候选波达方向的后验概率,并将后验概率的分布作为是否需要进行二次采样的判断标准;随后,对各波达方向上的波束成形权值线性加权,便可得到自适应波束成形器,权系数为各候选波达方向的后验概率值。研究表明,这种基于二次采样的贝叶斯自适应波束成形算法,能跟踪目标移动引起的波达方向变化。接着,论文研究了一种基于等效波达角方法的自适应波束成形算法。本文首次提出了“等效波达角”的概念,将所有导致期望信号导引矢量不确定的因素都归结为波达方向一个因素的不确定。通过对导引矢量的元素作互不相关的假设,阵列中各个阵元的等效波达角可以被一一估计出来。根据已知的阵列结构,可以得到期望信号导引矢量的估计值及其对应的自适应波束成形器。研究表明,基于等效波达角方法的自适应波束成形算法能有效提高波束成形器的鲁棒性。考虑到基于最坏情况性能优化的自适应波束成形算法的保守性,本文最后研究了一类基于概率约束的鲁棒自适应波束成形问题,其在设计上更为灵活。当期望信号导引矢量的误差量服从零均值复高斯分布时,本文在基于概率约束和基于最坏情况性能优化这两种鲁棒自适应波束成形算法之间建立起一种精确的联系。研究表明,本文建立的精确联系对于导引矢量较大的不确定具有更好的鲁棒性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 主要符号对照表
• 第一章 绪论
• 1.1 论文的研究背景和意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 理论研究
• 1.2.2 工程应用
• 1.2.3 应用实例
• 1.2.3.1 前视探地雷达自适应成像实验
• 1.2.3.2 声纳数据处理
• 1.3 本文研究的主要内容
• 第二章 鲁棒的自适应波束成形
• 2.1 波束成形技术介绍
• 2.2 自适应波束成形器设计准则
• 2.2.1 最小均方误差（MMSE）准则
• 2.2.2 最小二乘（LS）准则
• 2.2.3 最大信干噪比（MSINR）准则
• 2.2.4 线性约束最小方差（LCMV）准则
• 2.2.5 最大似然（ML）准则
• 2.2.6 基本波束成形准则的特性比较
• 2.3 自适应波束成形方法
• 2.3.1 Capon最小方差法（Capon Minimum Variance Method）
• 2.4 鲁棒的自适应波束成形方法
• 2.4.1 对角加载方法（Diagonal Loading Method）
• 2.4.2 基于特征空间的方法（Eigenspace-Based Approach）
• 2.4.3 贝叶斯方法（Bayesian Approach）
• 2.4.4 基于最坏情况性能优化的方法（Worst-case Performance Optimization-based Approach）
• 2.4.5 基于概率约束的方法（Probability-constrained Approach）
• 第三章 基于二次采样的贝叶斯自适应波束成形
• 3.1 引言
• 3.2 问题描述
• 3.3 基于二次采样的贝叶斯自适应波束成形
• 3.4 仿真实验验证
• 3.4.1 仿真参数
• 3.4.2 例1:波达方向确知
• 3.4.3 例2:波达方向有偏差，但实际波达方向在（?）的覆盖范围之内
• 3.4.4 例3:波达方向有偏差，且实际波达方向在（?）的覆盖范围之外
• 3.4.5 讨论与分析
• 3.5 本章小结
• 第四章 基于等效DOA方法的鲁棒自适应波束成形
• 4.1 引言
• 4.2 背景
• 4.3 基于等效波达角（DOA）方法的鲁棒自适应波束成形
• 4.4 仿真实验验证
• 4.4.1 仿真参数
• 4.4.2 例1:导引矢量确切已知
• 4.4.3 例2:期望信号波达角误差
• 4.4.4 例3:导引矢量的元素存在着随机扰动
• 4.5 本章小结
• 第五章 基于概率约束的鲁棒自适应波束成形
• 5.1 引言
• 5.2 问题描述
• 5.3 基于概率约束优化的鲁棒自适应波束成形
• 5.3.1 莱斯（Ricean）分布
• 5.3.2 瑞利（Rayleigh）分布
• 5.4 性能比较
• 5.5 本章小结
• 第六章 结束语
• 6.1 全文总结
• 6.2 未来研究设想
• 参考文献
• 攻博期间完成论文
• 致谢