脉冲噪声下的加权稀疏约束稳健波束形成方法及装置.docx

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1、PATEXP1RER专利探索者一全球创新始于探索脉冲噪声下的加权稀疏约束稳健波束形成方法及装置申请号：CN.1申请日：20170317申请（专利权）人：深圳大学1地址：广东省深圳市南山区南海大道3688号发明人：阳召成,汪小叶,黄建军主分类号：H04J11/00公开（公告）号：CNB公开（公告）日：20190423代理机构：深圳市恒申知识产权事务所（普通合伙）代理人：王利彬1(19)中华人民共和国国家知识产权局(10)授权公告号CNB(45)授权公告日20190423(21)申请号CN.1(12)发明专利(22)申请日20170317(71)申请人深圳大学地址广东省深圳市南山区南海大道3688

2、号(72)发明人阳召成，汪小叶，黄建军(74)专利代理机构深圳市恒申知识产权事务所(普通合伙)代理人王利彬(54)发明名称脉冲噪声下的加权稀疏约束稳健波束形成方法及装置(57)摘要本发明适用于通讯技术领域，提供了一种脉冲噪声下的加权稀疏约束稳健波束形成方法及装置。该方法包括：根据阵列输出绝对值统计平均与波束方向图的稀疏性，建立优化公式，通过无穷范数归一化和特征子空间法，构建加权矩阵，基于迭代复加权最小二乘法求解最优权矢量，并根据最优权矢量计算信干噪比。相较于现有技术，本发明对干扰信号自适应地施加较大的约束，显著改善了干扰抑制能力，提高了输出信干噪比。权利要求书1 .一种脉冲噪声下的加权稀疏约束

3、稳健波束形成方法，其特征在于，所述方法包括：根据阵列输出绝对值统计平均与波束方向图的稀疏性，建立优化公式；通过无穷范数归一化和特征子空间法，构建加权矩阵；基于迭代复加权最小二乘法求解最优权矢量，并根据所述最优权矢量计算信干噪比；所述根据阵列输出绝对值统计平均与波束方向图的稀疏性，建立优化公式，包括:一个目标信号和P个干扰信号从远场入射到包含M个阵元的均匀线阵上，利用波束方向图的稀疏性，联合波束形成输出最小绝对平均和11范数最小化建立优化公式:s.t.wHV(0)=1其中，EwHx(n)I为阵列输出绝对值统计平均，入IWHAQ111为11稀疏约束项，W为MX1维权矢量，X(n)为阵列在n时刻接收

4、的MX1维信号，|1表示取1范数，A=v(1),v(2),v(1)为旁瓣角度区域内空域采样形成的MX1维导向矢量矩阵，1为角度区域内采样个数，Q为1X1维的对角加权矩阵，为权衡稀疏度与阵列输出几何功率的正则化参数，表示取最小值对应的参数w,为阵列在0i方向的导向矢量，d为阵元间距，为波长，00为目标信号方向，s.t.表示约束条件：N(N21)为所述阵列接收到的快拍的个数，其接收信号表示为X=x(1),x(2),x(N),其中，阵列在n时刻接收的快拍信号x(n)=x1(n),x2(n),-,xM(n),(1nN),所述通过无穷范数归一化和特征子空间法，构建加权矩阵，包括：对x(n)做无穷范数归一

5、化处理，无穷范数归一化处理后的信号为计算无穷范数归一化处理后的信号的采样协方差矩阵将采样协方差矩阵做特征值分解，求得噪声子空间Un；将旁瓣角度区域内空域采样MX1维导向矢量矩阵A共枕转置与噪声子空间Un相乘，得矩阵E；对矩阵E的每一行取12范数，并取其倒数作为对角矩阵上相应对角线上的元素,得到加权矩阵Q02 .如权利要求1所述的脉冲噪声下的加权稀疏约束稳健波束形成方法，其特征在于，所述基于迭代复加权最小二乘法，求解最优权矢量，包括：定义复数矢量的11范数为：IgiI1=IRe(gi)+Im(gi)|根据复数矢量11的范数定义，将复变量表示成实部和虚部两部分，扩展成实变量，利用迭代复加权最小二乘

6、法，求得所述优化公式中最优权矢量的迭代公式为：并通过以下处理，求得最优权矢量：a=1,0T(wr)=diagn(1)|-1,，n(2N+21)|-1=DrwrR2(NX1)其中，wr初始化为最优权矢量W=Wr(1:M)+jwr(M+1:2M)03 .一种脉冲噪声下的加权稀疏约束稳健波束形成装置，其特征在于，所述装置包括：公式建立模块，用于根据阵列输出绝对值统计平均与波束方向图的稀疏性，建立优化公式；矩阵构建模块，用于通过无穷范数归一化和特征子空间法，构建加权矩阵；矢量求解模块，用于基于迭代复加权最小二乘法，求解最优权矢量；信干噪比计算模块，用于根据所述最优权矢量计算信干噪比；所述公式建立模块具

7、体用于：其中，EwHx(n)I为阵列输出绝对值统计平均，入IWHAQ111为11稀疏约束项，w为MX1维权矢量，x(n)为阵列在n时刻接收的MXI维信号，|1表示取1范数，A=v(O1),v(02),v(01)为旁瓣角度区域内空域采样形成的MX1维导向矢量矩阵，1为角度区域内采样个数，Q为1X1维的对角加权矩阵，人为权衡稀疏度与阵列输出几何功率的正则化参数，表示取最小值对应的参数w,为阵列在0i方向的导向矢量，d为阵元间距，为波长，0为目标信号方向，s.t.表示约束条件；N(NN1)为所述阵列接收到的快拍的个数,其接收信号表示为X=x妾),x(2),X(N),其中，阵列在n时刻接收的快拍信号x

8、(n)=x1(n),x2(n),xM(n),(1nN);所述矩阵构建模块具体用于：对X(n)做无穷范数归一化处理，无穷范数归一化处理后的信号为计算无穷范数归一化处理后的信号的采样协方差矩阵将采样协方差矩阵做特征值分解，求得噪声子空间Un；4 .如权利要求3所述的脉冲噪声下的加权稀疏约束稳健波束形成装置，其特征在于，所述矢量求解模块具体用于：其中，wr初始化为说明书脉冲噪声下的加权稀疏约束稳健波束形成方法及装置技术领域本发明属于通讯技术领域，尤其涉及一种脉冲噪声下的加权稀疏约束稳健波束形成(Weighted11-normSparseConstraintRobustBeamforming,W11-

9、RBF)方法及装置。背景技术无论在雷达还是通信技术领域，阵列信号处理技术一直都是多天线系统的一项重要技术，而波束形成(BeanIfOnTIing,BF)技术是阵列信号处理技术中最重要的一项技术。波束形成技术的基本思想是增强来自期望方向的目标信号，抑制来自其它方向的干扰信号及噪声，以最大化输出信干噪比(signa1-to-interference-p1us-noise,SINR)o波束形成器主要分为两大类，一种是与数据独立的传统波束形成器，另一种是与数据依赖的现代波束形成器。传统波束形成器与接收信号独立，其干扰抑制能力有限。现代波束形成器都是数据依赖的，其中最经典的为最小方差无畸变响应(MVDR

10、)波束形成器，该波束形成器最大化阵列输出功率，同时保持期望信号方向的阵列增益为1。由于该类波束形成器假定信号服从高斯分布，而脉冲噪声是一种比高斯信号更常见的信号类型，可用稳定分布来建模该类型脉冲噪声。由于a稳定分布不存在二阶及二阶以上的统计量，所以在脉冲噪声环境下，MVDR及其它基于二阶统计量的的波束形成器性能严重下降。近几年，学者们提出了一系列针对a(OVaW2)稳定分布脉冲噪声下的波束形成算法。如基于分数低阶矩(FraCtiona11owerOrderStatistics,F1OS)波束形成方法、基于最小散度准则(VinimUmDispersion,MD)波束形成方法、几何功率最小化(Ge

11、ometricPower,GP)波束形成方法等等。基于F1OS的波束形成方法利用阵列输出的分数P(OVPV2)阶统计量作为目标函数，该波束形成器的缺点是要求OVPV,即要求已知或预估计稳定分布的特征指数ao基于MD的波束形成方法，利用1p范数设计目标函数，但是该方法仍然需要选择合适的P值，且计算复杂度较高。基于GP的波束形成方法利用基于对数矩的零阶统计量设计目标函数，该方法无需先验已知a稳定分布的特征指数a,也无需设置相应的阶数P值，但该方法要求样本数较多，当样本数不足时，其旁瓣较高。随着压缩感知理论的发展及其在信号处理中的广泛应用，出现了一系列基于稀疏约束的波束形成方法。如基于11范数稀疏约

12、束的最小方差无畸变响应(11-MVDR)的波束形成法、基于11范数稀疏约束的最小散度无畸变响应(11-MDDR)的波束形成法、加权11范数稀疏约束最小方差无畸变响应(WI1-MVDR)的波束形成法等。针对高斯模型下，1I-MVDR法在MVDR波束形成器的目标函数中加入11稀疏约束项，降低旁瓣电平，但是该方法对不同角度方向的所有信号施加了相同的稀疏约束，稀疏正则参数的选择对波束形成的性能影响较大。针对非高斯a稳定分布模型下，11TDDR法在最小绝对统计平均中引入11稀疏约束，目的是提高波束形成性能。W11-MVDR法利用基于协方差矩阵特征分解的子空间思想构造加权矩阵，对干扰信号人为地施加较大的约

13、束，显著提高了干扰抑制能力，但是该方法针对的是是高斯信号且信号协方差矩阵存在的情况。发明内容本发明实施例所要解决的技术问题在于提供一种脉冲噪声下的加权稀疏约束稳健波束形成方法及装置，旨在解决现有技术干扰抑制能力不强，输出信干噪比不高的问题。本发明实施例第一方面提供了一种脉冲噪声下的加权稀疏约束稳健波束形成方法,所述方法包括：根据阵列输出绝对值统计平均与波束方向图的稀疏性，建立优化公式；通过无穷范数归一化和特征子空间法，构建加权矩阵；基于迭代复加权最小二乘法求解最优权矢量，并根据所述最优权矢量计算信干噪比。本发明实施例第二方面提供了一种脉冲噪声下的加权稀疏约束稳健波束形成装置,所述装置包括：公式

14、建立模块，用于根据阵列输出绝对值统计平均与波束方向图的稀疏性，建立优化公式；矩阵构建模块，用于通过无穷范数归一化和特征子空间法，构建加权矩阵；矢量求解模块，用于基于迭代复加权最小二乘法，求解最优权矢量：信干噪比计算模块，用于根据所述最优权矢量计算信干噪比。从上述本发明实施例可知，本发明根据阵列输出绝对值统计平均与波束方向图的稀疏性，建立优化公式，通过无穷范数归一化和特征子空间法，构建加权矩阵，基于迭代复加权最小二乘法求解最优权矢量，并根据最优权矢量计算信干噪比。相较于现有技术，本发明对干扰信号自适应地施加较大的约束，显著改善了干扰抑制能力，提高了输出信干噪比。附图说明为了更清楚地说明本发明实施

15、例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。附图1是本发明第一实施例提供的脉冲噪声下的加权稀疏约束稳健波束形成方法的实现流程示意图；附图2是本发明第二实施例提供的脉冲噪声下的加权稀疏约束稳健波束形成装置的结构示意图；附图3是取1.6时，MVDR方法、11-MADR方法及本发明提出的WI1-RBF方法的波束方向图；附图4是a取1时，MVDR方法、117IADR方法及本发明提出的WI1-RBF方法的波束方向图：附图5是MVDR方法、11-MADR方法及本发明提出的W11-RBF方法的输出STNR与不同特征指数的关系曲线；附图6是MVDR方法、11-MADR方法及本发明提出的m1-RBF方法的输出S1NR与不同快拍数的关系曲线；附图7是MYDR方法、11-MADR方法及本发明提出的W11-RBF方法的输出S1NR与不同输入SNR的关系曲线。具体实施方式为使得本发明实施例的发明目的、特征、优点能够更加的明显和