自适应阵列信号处理

1、自适应阵列信号处理自适应阵列信号处理ASPASP 小组报告小组报告航大航大22022-5-7阵列信号处理概述阵列信号处理概述p阵列信号处理的引入阵列信号处理的引入 一维信号一维信号 多维信号多维信号 时域时域 空域空域 阵列信号处理阵列信号处理 延伸推广 天线阵列传感器阵列ASPASP 小组报告小组报告航大航大32022-5-7阵列信号处理概述阵列信号处理概述p阵列信号模型阵列信号模型ASPASP 小组报告小组报告航大航大42022-5-7阵列信号处理概述（续）阵列信号处理概述（续）统计模型：统计模型：在第在第m个阵元上第个阵元上第k次快拍的采样值为次快拍的采样值为将各阵元上第将各阵元上第k次

2、快拍的采样写成向量形式次快拍的采样写成向量形式 ( )( )defHEkkRxx2(1) sin1( )( )( )iPjmdmimixks k enk( )( )kkkx( )Asn2( )( )( )( )HHHHEkkEkkRAssAnnAPAIS(k)和n(k)统计独立ASPASP 小组报告小组报告航大航大52022-5-7阵列信号处理概述（续）阵列信号处理概述（续） 式中式中 2( )( )HEkknnI1MHHiiiiRU Uu u211PMHHHHsssnnniiiiiii P uuuuu uu u( )( )defHEkkPss各阵元的噪声不相关，且强度相等信号子空间噪声子空间

3、ASPASP 小组报告小组报告航大航大62022-5-7p阵列信号处理的主要内容阵列信号处理的主要内容自适应波束形成技术 目的：增强有用（所需）信号，抑制干扰和噪声信号 应用：雷达、通信、声纳等领域超分辨空间谱估计技术 目的：估计空间信号的到达方向 应用：雷达、声纳、地震勘探以及射电天文等领域ASPASP 小组报告小组报告航大航大72022-5-7自适应波束形成自适应波束形成p 定义：要求自适应阵形成个很窄的主波束，自动对准所要的定义：要求自适应阵形成个很窄的主波束，自动对准所要的 观测的目标；在干扰方向上自动形成零陷，使干扰信号得到观测的目标；在干扰方向上自动形成零陷，使干扰信号得到 最大限

4、度的抑制。最大限度的抑制。p 目的目的：波束形成就是通过传感器阵列重构源信号。波束形成就是通过传感器阵列重构源信号。p 阵列采用自适应处理的动因阵列采用自适应处理的动因: 在阵列天线上容易进行自适应阵列波束形成 提高系统的可靠性 实现机扫到相扫的转变 有利于多目标远距离的监测和跟踪p 实现实现：通过增加期望信号的贡献，抑制掉干扰源来实现。通过增加期望信号的贡献，抑制掉干扰源来实现。ASPASP 小组报告小组报告航大航大82022-5-7自适应波束形成技术自适应波束形成技术普通波束形成的优缺点：普通波束形成的优缺点：优点：是一个匹配滤波器，在主瓣方向信号相干积累，实优点：是一个匹配滤波器，在主瓣

5、方向信号相干积累，实 现简单，在白噪声背景下它是最优的，在色噪声背景下，现简单，在白噪声背景下它是最优的，在色噪声背景下，维纳滤波是最优的。维纳滤波是最优的。缺点：缺点： 波束宽度限制了方向角的分辨。波束宽度限制了方向角的分辨。 存在旁瓣，强干扰信号可以从旁瓣进入。存在旁瓣，强干扰信号可以从旁瓣进入。 加窗处理可以降低旁瓣，但同时也会展宽主瓣。加窗处理可以降低旁瓣，但同时也会展宽主瓣。 总之，普通波束形成依赖于阵列几何结构和波达方总之，普通波束形成依赖于阵列几何结构和波达方向角，而与信号环境无关，且固定不变，抑制干扰能力向角，而与信号环境无关，且固定不变，抑制干扰能力差。差。ASPASP 小组

6、报告小组报告航大航大92022-5-7阵列输出经过加权求和，调整到阵列输出经过加权求和，调整到阵列接收的方向增益聚集在一个阵列接收的方向增益聚集在一个方向，相当于形成一个波束。方向，相当于形成一个波束。自适应阵列概述自适应阵列概述p自适应阵列处理目的：提取所需信号源和信号属性等自适应阵列处理目的：提取所需信号源和信号属性等信息信息p自适应阵列处理内容自适应阵列处理内容波束形成技术波束形成技术经典波束形成技术经典波束形成技术盲波束形成技术盲波束形成技术波束形成波束形成物理意义物理意义ASPASP 小组报告小组报告航大航大102022-5-7自适应阵列概述自适应阵列概述 最小均方误差最小均方误差(

7、MMSE)准则准则 p最优化准则最优化准则 最大信噪比最大信噪比(Max SNR)准则准则 线性约束最小方差线性约束最小方差(LCMV)准则准则ASPASP 小组报告小组报告航大航大112022-5-7自适应波束形成自适应波束形成 经典的方法经典的方法 （续）（续）p线性约束最小方差线性约束最小方差(LCMV)(LCMV)问题引出问题引出 期望信号幅度未知期望信号幅度未知 缺少期望信号的先验知识缺少期望信号的先验知识 不能确定参考信号不能确定参考信号解决方案解决方案 对权值进行线性约束对权值进行线性约束波束形成要求波束形成要求 期望信号的波达方向期望信号的波达方向(DOA)(缺点缺点)最大最大

8、SNRSNR失效失效SLCSLC和和MMSEMMSE失效失效LCMVLCMVASPASP 小组报告小组报告航大航大122022-5-7基于基于LCMVLCMV准则波束形成准则波束形成pMVDRMVDR最小方差无失真响应最小方差无失真响应 当当 时，时， 使使 最小化最小化 解得解得 优点：具有最佳信噪比增益优点：具有最佳信噪比增益 缺点：低的信噪比条件限制了其高分辨性能缺点：低的信噪比条件限制了其高分辨性能 ()HJwwRw0()1Hwa10100()()()HRawaRa与Max SNR准则所得 具有相同信噪比WASPASP 小组报告小组报告航大航大132022-5-7pLCMV 基本思想基

9、本思想：使感兴趣的波达方向信号以特定增益与相位使感兴趣的波达方向信号以特定增益与相位通过，而输出信号能量或方差最小化通过，而输出信号能量或方差最小化 代价函数代价函数 约束条件约束条件 输出功率最小化输出功率最小化 Lagrange法求得法求得基于基于LCMV准则波束形成准则波束形成()HJwwRw0()HgwaminHww Rw10100()()()HgR awaR aASPASP 小组报告小组报告航大航大142022-5-7最小均方最小均方(LMS)(LMS)算法算法pMSE准则：准则：p波束形成：波束形成：p期望输出：期望输出：p误差：误差：p代价函数代价函数:1owR p( )( )Hy ttw x( )d t( )( )( )e ty td t*2( )() ()HHHdJE et e tww p p w w R w*( )( )22( )( )( )( )2( )( )( )2( ) ( )HJJEttEt d tEty td tEt e twwp2RwwxxwxxxASPASP 小组报告小组报告航大航大152022-5-7最小均方最小均方(LMS)(LMS)算法算法LMSLMS思想思想