部分自适应阵列处理技术

1、1,第四章 部分自适应阵列处理技术,4.1部分自适应概念,全自适应：,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degree of freedom）.,部分自适应：,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自由度）。,西安电子科技大学雷达信号处理实验室,2,比较：,西安电子科技大学雷达信号处理实验室,3,关键： 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。,部分自适应技术的发展情况： chapman,IEEE,Trans AP-24,1979,P685696 变换降维 Morgan,Partially Adaptive Array Techniques

2、IEEE,Trans,AP-26,1978,P823833多重旁瓣对消 器（MSC） Gabriel, Using Spectral Estimation Techniques in Adaptive Processing Antenna Systems.IEEE,AP-34,1986,No.3,P291300 自适应方法,西安电子科技大学雷达信号处理实验室,4,Adams, Adaptive Main-Beam Nulling for Narrow-Beam Antenna Arrays.IEEE,AES-16,1980,P509516 用几个指向目标临近方向的波束进行对消 VanVeenB

3、.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（GSC处理器）,西安电子科技大学雷达信号处理实验室,5,4.2阵元空间(element space)部分 自适应处理,Chapman方法：子阵级,对阵列数据 用降维矩阵作变换：,变换前的自适应： 变换后的自适应处理：,西安电子科技大学雷达信号处理实验室,6,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：,在变换域 用 进行最优波束形成，实际上是

4、对 进行波束形成，即：,其中：,西安电子科技大学雷达信号处理实验室,7,一般地， ,此时 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）； 特殊地，当 可逆时：,此时在变换域处理的结果与变换域前一样，但这时需要 ，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：,简单子阵法,选取的子阵只是位置上靠近的阵元。 明显缺点：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。,西安电子科技大学雷达信号处理实验室,8,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。,例：33阵元合成为16个（采用滑动重叠技术）,如图3.1所示,图3.1,1,2,3,

5、4,5,29,30,31,32,33,1,2,15,16,西安电子科技大学雷达信号处理实验室,9,新阵列方向图,子阵方向图,图3.2,西安电子科技大学雷达信号处理实验室,10,子阵均匀划分法，来波方向为,西安电子科技大学雷达信号处理实验室,11,非均匀划分，使各子阵内的阵元数不等，破坏栅瓣的出现。如图3.3,1,2,3,4,5,6,1,2,3,图3.3,16,33,西安电子科技大学雷达信号处理实验室,12,2、Morgan的MSC方法：阵元级,选取部分单元进行自适应加权控制，而其余单元用固定权（非自适应）进行处理。 如图3.4 所示,有几个干扰复用几个阵元进行自适应处理相消,图3.4,西安电子

6、科技大学雷达信号处理实验室,13,选取的阵元数,M=1 单旁瓣相消器,M 1多旁瓣相消器,MCS中的问题： 1 、对几个点干扰抑制问题，选取自适应单元几乎可任意。 2 、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。,当 , 全自适应,西安电子科技大学雷达信号处理实验室,14,来波方向 ，干扰方向 和,西安电子科技大学雷达信号处理实验室,15,4.3 波束空间部分自适应处理,波束指的是普通波束。 波束空间自适应处理：最常见的是对傅氏基 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 适应处理。,下面研究波束选取的方法,西安电子科技大学雷达信号处理实验室,16,Ga

7、briel方法：分两步：首先估计干扰方向（粗略）。 再选取指向干扰方向的若干波束。 Adams方法：在目标邻近方向选取若干波束。,以等距线阵为例(间距为 )。 N元阵经过butler波束形成得到N个波束。如图3.5,图3.5,西安电子科技大学雷达信号处理实验室,17,其特点：N个波束在旁瓣区共零点。,西安电子科技大学雷达信号处理实验室,18,已知两个干扰及其方向 选取两个指向干扰方向的波束。,一、分析Gabriel方法：,（干扰2）,(目标),（干扰1）,最优准则：,西安电子科技大学雷达信号处理实验室,19,图3.7 用“辅助天线”的主瓣对消“主天线”的旁瓣,干扰,西安电子科技大学雷达信号处理

8、实验室,20,西安电子科技大学雷达信号处理实验室,21,二、分析Adams方法,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 干扰（连片杂波）。如图3.8,密集型干扰,图3.8 用“辅助天线”的旁瓣对消“主天线”的旁瓣,凹口,西安电子科技大学雷达信号处理实验室,22,4.4 基于广义旁瓣相消器的部分 自适应设计,最优波束形成：,：指向目标的导向矢量（固定）。,：,西安电子科技大学雷达信号处理实验室,23,在计算最优权 时，实际上只需计算 。更进一步，在已知一组基矢量 时，为计算 ，只涉及p个参数 （pN）。,：自适应权，依赖于数据。,：固定权（匹配f

9、ilter）,更一般最优波束形成：（LCMV）,西安电子科技大学雷达信号处理实验室,24,令,而,满足约束方程。,上述约束方程可转变为无约束,西安电子科技大学雷达信号处理实验室,25,LCMV处理框图：,图3.8 广义旁瓣相消器（GSC),上支路：形成目标检测通道( 是匹配滤波权) 下之路：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。 要求：下支路中不含目标信号，由 保证。,西安电子科技大学雷达信号处理实验室,26,称 为信号阻塞矩阵（Block Matrix）,在上述结构中，用了L个约束条件，全自适应处理的自由度为NL个。由上述结构可方便设计降维处理。如图3.9,图3.9

10、,西安电子科技大学雷达信号处理实验室,27,方法一（Gabried法）： 由指向干扰方向的 方法二（Adams法）： 由指向目标方向邻,由上图得：,令 （合并）,有两层要求：,对信号进行阻塞 是降维矩阵,关于 的设计问题：,傅立叶变换基矢量,波束作为权矢量构成的。,近波束权矢量构成。,方法三 由R的特征分解的特征矢量构成。,西安电子科技大学雷达信号处理实验室,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 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 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GS

11、C是LCMV的一种等效的实现结构。GSC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：,西安电子科技大学雷达信号处理实验室,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GSC的稳健性（人工注入的噪声必须具有合适） 的功率。,29,参考文献： L.J.Griffths.An alternative approach to linearly constrained adaptive beamforming.IEEE Trans.on AP-30(1) 1982.2

12、7-34 N.K.Jablon, “Adaptive beamforming with the generalized sidelobe canceller in the presence of array imperfections” 郭庆华，廖桂生，“一种稳健的自适应波束形成器”电子与信息学报，2004年第一期。,西安电子科技大学雷达信号处理实验室,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 代替，使自适应权向量的范数小于一定的值。,对阻塞矩阵进行改进，即把期望信号的理想导向矢量向 信号子空间作投影，得到的导向矢量更加接近于实际的导 向矢量。,30,4.5 频率波数处理,W：时间频率，数字信号处理，时域采样。,k：空间频率矢量，只能离散处理，空间 采样。,Wk处理：就是W方向处理。,仅方向滤波问题（仅考虑波