自適應(yīng)陣列波束形成算法研究

歸達(dá)偉

摘要：在世界科技飛速發(fā)展的今天，雷達(dá)，聲納，無(wú)線(xiàn)通信等許多領(lǐng)域有一個(gè)非常重要的技術(shù)被稱(chēng)為自適應(yīng)陣列波束形成技術(shù)，他也是陣列信號(hào)處理的重要部分，經(jīng)過(guò)幾十年的研究之后，自適應(yīng)陣列波束形成技術(shù)的理論和相關(guān)算法已經(jīng)有了非常成熟的體系，本文首先介紹了自適應(yīng)陣列波束形成技術(shù)的發(fā)展歷程，并提出了當(dāng)前應(yīng)解決的問(wèn)題，最后，對(duì)自適應(yīng)陣列波束形成算法進(jìn)行了比較。

關(guān)鍵詞：自適應(yīng)陣列波束形成技術(shù);問(wèn)題;算法

引言

波束形成算法，本質(zhì)上是一種空間濾波的算法，在列陣波束形成技術(shù)研究的最初，天線(xiàn)陣列波束形成技術(shù)使自適應(yīng)陣列波束形成技術(shù)的基礎(chǔ)，自從自適應(yīng)陣列波束形成技術(shù)研究成熟后，被廣泛的應(yīng)用于目標(biāo)位置，語(yǔ)音識(shí)別等領(lǐng)域。它不僅能對(duì)來(lái)源于四面八方的信號(hào)進(jìn)行準(zhǔn)確的識(shí)別和處理，將特定方向的有用信號(hào)進(jìn)行處理，形成波束，同時(shí)排除了其他方向信號(hào)的干擾。但經(jīng)典的波束信號(hào)的陣列響應(yīng)頻率穩(wěn)定性較差，主瓣寬度和頻率的增加呈反比，這樣很容易造成信號(hào)失真。由于波束形成算法的缺點(diǎn)，我們對(duì)自適應(yīng)陣列波束形成的算法進(jìn)行了比較，實(shí)時(shí)調(diào)整接近最佳位置的權(quán)重集，最終準(zhǔn)確識(shí)別特定方向的信號(hào)，并排除其他方向的干擾。

一、自適應(yīng)陣列波束形成技術(shù)的發(fā)展

一九六零年，自適用陣列天線(xiàn)管理系統(tǒng)的研究啟動(dòng)，經(jīng)過(guò)近十多年的發(fā)展，自適合陣列波束形成工藝技術(shù)已趨于成熟，其基本的理論框架和算法體系已經(jīng)形成。Goodara等總結(jié)和分析了多種自適應(yīng)陣列波束成形算法。自適應(yīng)陣列對(duì)波束成形過(guò)程采用不同的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)定義自適應(yīng)權(quán)重，并使用不同的自適應(yīng)算法來(lái)實(shí)現(xiàn)。主要標(biāo)準(zhǔn)如下。最小均方誤差（MSE）標(biāo)準(zhǔn);Monzingo和Miler在他們的一個(gè)圖表中表明，4個(gè)基準(zhǔn)（如最大SN比（SNR）基準(zhǔn)、最大似然比（LH）基準(zhǔn)和最小噪聲色散（NV）基準(zhǔn)）在理想條件下是等效的。無(wú)論選擇了哪個(gè)數(shù)據(jù)，都必須使用特定算法來(lái)調(diào)整陣列波束模式以實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)控制。

有各種各樣的自適應(yīng)算法。而按照計(jì)算的具體目標(biāo)，我們可將它分拆成開(kāi)環(huán)計(jì)算和閉環(huán)算法。在最初階段，我們主要專(zhuān)注于閉環(huán)算法，包含最小化均方（lms）計(jì)算，微分最大分集（dsd）計(jì)算，加速梯度（ag）計(jì)算及其對(duì)它們的變形計(jì)算。由于閉環(huán)算法沒(méi)有數(shù)據(jù)儲(chǔ)備，簡(jiǎn)單可靠。但是，其主要缺陷是收斂到最佳權(quán)重的反應(yīng)持續(xù)時(shí)間取決于統(tǒng)計(jì)特征值分配。在干擾分配的情形下，算法的收斂速率慢，極大影響了應(yīng)用。所以，在過(guò)去的二零年里，人們更關(guān)注于開(kāi)放式循環(huán)計(jì)算的研究。我們已經(jīng)提供了一個(gè)經(jīng)典的開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)計(jì)算。DMI方法通過(guò)直接影響色散矩陣的解勝者h(yuǎn)opf方程，獲得了最佳權(quán)重和取消權(quán)重。收斂速率和取消性能都遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)閉環(huán)算法。由于數(shù)字信息的迅速發(fā)展，高速智能芯片的問(wèn)世創(chuàng)造了開(kāi)環(huán)控制計(jì)算的良好的先決前提條件。

二、目前自適應(yīng)陣列波束形成算法存在的問(wèn)題

計(jì)算的持久性和復(fù)雜性是自適應(yīng)算法可行性的關(guān)鍵。傳統(tǒng)的自適應(yīng)波束轉(zhuǎn)換算法沒(méi)有考慮所采集數(shù)據(jù)的預(yù)期信號(hào)元素。在這種情形下，該計(jì)算有數(shù)據(jù)抗性，在此基礎(chǔ)上，人們也給出了一些快速收斂算法。但是，盡管在理想情形下（已知預(yù)期信號(hào)的有限方向向量），因?yàn)閷?shí)際采樣數(shù)據(jù)中含有期望信號(hào)信息，因此計(jì)算收斂速率明顯慢于實(shí)際沒(méi)有期望信號(hào)信息的計(jì)算速率。尤其是在感知數(shù)據(jù)不足的情形下，自適應(yīng)波束算法的實(shí)際性能顯然不如理論算法。但實(shí)際上，影響算法運(yùn)行質(zhì)量的最主要原因是實(shí)驗(yàn)環(huán)境、采樣數(shù)據(jù)、天線(xiàn)板和假設(shè)。通常，在可接受的天線(xiàn)板響應(yīng)和實(shí)際天線(xiàn)板響應(yīng)之間存在誤差。自適應(yīng)天線(xiàn)系統(tǒng)對(duì)該誤差極為敏感，因?yàn)槿绻l(fā)生該誤差，在計(jì)算表格質(zhì)量因數(shù)時(shí)，預(yù)期信號(hào)被抑制為干擾。在預(yù)期信號(hào)方向上，不是保持最大利潤(rùn)，而是在預(yù)期信號(hào)方向上創(chuàng)建零。生殖環(huán)境的不規(guī)則性、系統(tǒng)元素的局部分散和互連通常導(dǎo)致表對(duì)預(yù)期信號(hào)的響應(yīng)。

自適應(yīng)算法修改相關(guān)信號(hào)的能力實(shí)際上是另一個(gè)客觀(guān)問(wèn)題。在處理平板信息時(shí)，往往具有一致的干擾信號(hào)，如多維反射和智能干擾。在這些情形下，在傳統(tǒng)的自適應(yīng)方式中，信號(hào)被取消。由于虛擬信息源的分配和實(shí)際分配不同時(shí)，使用了傳統(tǒng)的自適應(yīng)算法，陣列波束的傳統(tǒng)自適應(yīng)格式無(wú)法使場(chǎng)適應(yīng)實(shí)際干擾源，波束形成的效率降低。

三、自適應(yīng)陣列波束形成算法對(duì)比

1.最小方差無(wú)失真響應(yīng)波束形成算法

最最低方差系數(shù)無(wú)畸變反饋波束生成（MVDR）計(jì)算的基本原則是將預(yù)期的輸入信號(hào)方向增益限制為1（即，單位增益），從而使陣列的功率最低，即通過(guò)控制擾動(dòng)和噪聲，使陣列進(jìn)功率最低。

3.最小均方誤差波束形成算法

最小化均方誤差波束生成（MMSE）計(jì)算使用對(duì)陣列信息加權(quán)后的產(chǎn)出信息和考慮輸入信息之差的均方值最小計(jì)算整體風(fēng)險(xiǎn)矢量，即

4.廣義旁瓣相消器算法

廣義旁瓣消除器（GSC）計(jì)算，是使用已有的信號(hào)方向信息把所接收到的消息更變?yōu)槎€(gè)分支。在經(jīng)過(guò)濾波器、空間擬合（包括所需信息和信息所需方向的干涉）后，上部分支接收參考信息，轉(zhuǎn)換后的期望信息必須符合對(duì)無(wú)失真響應(yīng)的要求，而下部支路在經(jīng)過(guò)分塊矩陣后，只包含了干擾信號(hào)，將上下支路干擾信號(hào)的影響用來(lái)對(duì)經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換后的信息加以過(guò)濾，為干擾信號(hào)生成自適應(yīng)位移，并在不失真的情況下退出所需的上分支信號(hào)。GSC結(jié)構(gòu)如圖3.2所示：

結(jié)語(yǔ)

在本文中，我們介紹了自適應(yīng)陣列波束成形技術(shù)的發(fā)展，并提請(qǐng)注意主要問(wèn)題。目的是為了比較四種自適應(yīng)算法，即LCMV算法、MVDR算法、，MMS算法和GSC算法。其中，LCMV算法是MVDR算法的發(fā)展。LCMV和MVDR算法的基本思想，是在確保信息系統(tǒng)所需要訊號(hào)產(chǎn)生的技術(shù)基石上減小控制器的輸入輸出功率范圍，以達(dá)到自適應(yīng)擾動(dòng)和噪音限制。預(yù)期的信號(hào)。GSC和MVDR算法在數(shù)學(xué)上是等效的。MMSE算法是最小化初始車(chē)牌接收和參考信號(hào)之間的差值的均方值。實(shí)際上，不需要關(guān)于預(yù)期信號(hào)到達(dá)方向的先驗(yàn)信息，但是，應(yīng)知道參考信號(hào)的具體形狀。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳道林. 數(shù)據(jù)約束下的魯棒自適應(yīng)波束形成算法研究[D].電子科技大學(xué)，2021.

[2]李菁華. 基于陣列網(wǎng)絡(luò)的分布式波束形成算法研究[D].電子科技大學(xué)，2021.

[3]孫思聰. 基于矩陣重構(gòu)與導(dǎo)向矢量估計(jì)的穩(wěn)健自適應(yīng)波束形成算法研究[D].中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2021.

[4]陳道林. 數(shù)據(jù)約束下的魯棒自適應(yīng)波束形成算法研究[D].電子科技大學(xué)，2021.