專利名稱：一種基于變對角加載量的空時(shí)抗干擾方法
一種基于變對角加載量的空時(shí)抗干擾方法技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明提出一種基于變對角加載量的空時(shí)抗干擾方法，屬于空時(shí)自適應(yīng)陣列處理技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)的廣泛使用和信息化戰(zhàn)爭的發(fā)展，精確導(dǎo)航、制導(dǎo)成為了各方面的迫切需要。雖然GPS系統(tǒng)自身能夠在某種程度上克服外界干擾，但是對于復(fù)雜的自然環(huán)境和特定的人為干擾，抗干擾技術(shù)的研究成為急需解決的關(guān)鍵問題。
自適應(yīng)濾波是指利用前一時(shí)刻已獲得的濾波器參數(shù)的結(jié)果，自動的調(diào)節(jié)當(dāng)前時(shí)刻濾波器的參數(shù)，以適應(yīng)信號和噪聲隨時(shí)間變化的統(tǒng)計(jì)特性，從而實(shí)現(xiàn)最優(yōu)濾波。
自適應(yīng)濾波主要有三個(gè)方面:時(shí)域自適應(yīng)濾波，空域自適應(yīng)濾波和頻域自適應(yīng)濾波。時(shí)域?yàn)V波是在時(shí)域內(nèi)對信號進(jìn)行處理，對窄帶干擾、連續(xù)波干擾較為有效，能解決多徑干擾和回波消除問題，但對寬帶干擾濾除效果不佳?？沼?yàn)V波主要有兩種類型:零陷和波束形成。零陷技術(shù)對有用信號信息量的需求是最小的，它使信號的總輸出功率最小化。波束形成技術(shù)最大化信號的輸出信噪比。波束形成利用天線方向控制及各種天線陣列技術(shù)使波束成形達(dá)到最佳。天線方向控制用于減小對干擾的主波瓣、旁波瓣和后波瓣敏感性?？沼?yàn)V波的不足之處主要有以下兩個(gè)方面:一是如果陣元數(shù)為N，該陣最多能夠產(chǎn)生的零陷數(shù)為N-1 ;二是如果一個(gè)干擾源離某個(gè)衛(wèi)星的角度間隔很近，針對該干擾的空域零陷使該衛(wèi)星的信號衰減得無法使用。頻域?yàn)V波能夠有效進(jìn)行帶通、帶阻濾波，對抗窄帶、連續(xù)波帶內(nèi)干擾，以及強(qiáng)帶外干擾，但不能有效濾除寬帶干擾和同一頻率干擾?？諘r(shí)自適應(yīng)抗干擾系統(tǒng)和空域自適應(yīng)抗干擾系統(tǒng)具有相同的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；不同之處是對每個(gè)陣元接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行了 L級延時(shí)，延遲單元相當(dāng)于頻域?yàn)V波器，可以在頻域上對干擾進(jìn)行抑制。它在不增加陣元的前提下，大大地增加了自由度，對于N個(gè)陣元，經(jīng)過L次延遲的空時(shí)抗干擾系統(tǒng)，理論上能夠抑制(N-1) X L個(gè)干擾，較之空域?yàn)V波抗干擾數(shù)目大大增加。
對角加載技術(shù)是目前廣泛使用的改善波束形成的穩(wěn)健方法，該技術(shù)可以在陣列響應(yīng)失配的情況下，有效防止STAP主瓣發(fā)生畸變，改善自適應(yīng)波束形成器的性能。該方法實(shí)現(xiàn)簡單，減少了噪聲特征值和擴(kuò)散度，并且不增加運(yùn)算量。但由于目前使用的加載方法多為固定值加載，在多變的工程應(yīng)用中，加載量的大小很難確定，這樣會使得抗干擾的性能在一定程度上下降，達(dá)不到改善濾波性能的目的。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了提高空時(shí)自適應(yīng)處理在小塊拍下的穩(wěn)健性，提出一種基于變對角加載量的空時(shí)抗干擾方法，本發(fā)明的可變對角加載量，首先利用矩陣求逆定理計(jì)算出加載量范圍后，將加載量與陣元信號中的干擾和噪聲進(jìn)行相關(guān)，從而得到最佳的對角加載量。
本發(fā)明的一種基于變對角加載量的空時(shí)抗干擾方法，包括以下幾個(gè)步驟:
步驟一:采集GPS衛(wèi)星信號，信號經(jīng)過采樣后輸入濾波器結(jié)構(gòu)；步驟二:對信號進(jìn)行相關(guān)相減多級維納濾波器的前向分解，記錄每級的數(shù)據(jù)信號和參考信號；步驟三:通過采樣信號的協(xié)方差矩陣代替真實(shí)協(xié)方差矩陣；步驟四:通過矩陣求逆定理計(jì)算對角加載的范圍，進(jìn)而利用干擾信號和噪聲信號特征值的關(guān)系自適應(yīng)的選擇需要加載的對角量；步驟五:加入對角量，進(jìn)行相關(guān)相減多級維納濾波器的后向綜合，求出濾波器最優(yōu)權(quán)矢量，對當(dāng)前信號進(jìn)行自適應(yīng)濾波。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于:(I)本發(fā)明采用改進(jìn)的相關(guān)相減多級維納濾波器，相比多級維納濾波器的運(yùn)算量和存儲量更低，適用于維數(shù)較大的系統(tǒng)；(2)本發(fā)明使用變對角加載技術(shù)，既改善了小快拍下陣列響應(yīng)失配現(xiàn)象，又避免了單一加載量不適合多變工作環(huán)境的情況，極大的提高了系統(tǒng)在小快拍下的穩(wěn)健性。


圖1多級維納濾波器結(jié)構(gòu)圖；圖2是相關(guān)相減多級維納濾波器的結(jié)構(gòu)圖；圖3是本發(fā)明的方法流程圖。
具體實(shí)施例方式下面將結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。圖1是多級維納濾波器結(jié)構(gòu)，按照信號處理過程可分為前向分解和后向綜合兩個(gè)部分。前向分解是對采樣后的衛(wèi)星信號x(k)(圖1中的X)進(jìn)行正交投影，分解得到后一級的觀測數(shù)據(jù)X。(k)和參考信號(10(10，其中父00為NX I為向量，X。(k)為(N-1) Xl為向量，即觀測數(shù)據(jù)維數(shù)降低I ;以下的分解步驟如同第一步，每一級觀測數(shù)據(jù)XiGO依次降低。Iii為第i級匹配濾波器,Bi為第i級阻塞矩陣，ε i為第i級輸出誤差，其中i = 1，2，…，D < N，N為陣元數(shù)。在最后一級分解中令Xim = dD = ε D。后向綜合是由一組遞推的標(biāo)量綜合得到維納濾波器的輸出誤差信號ε i，最后一級的觀測數(shù)據(jù)與權(quán)系數(shù)wD相乘并與參考信號做差值得到誤差信號，依次迭代，最終得到系統(tǒng)輸出誤差值ε。。對多級維納濾波器利用相關(guān)相減結(jié)構(gòu)，得到圖2的相關(guān)相減多級維納濾波器，即CSA-MWF。相關(guān)相減多級維納濾波器對阻塞矩陣進(jìn)行特定要求，即B.=l-h,hf'。通過等價(jià)結(jié)構(gòu)，在第I級之后的分解過程中可以直接用如圖2結(jié)構(gòu)代替阻塞矩陣。圖2中信號的處理過程與圖1中的維納濾波器相似，經(jīng)過前向分解和后向綜合。第一級前向分解與多級維納濾波器一樣；第一級之后的分解是對觀測數(shù)據(jù)X1-Jk)進(jìn)行分解得到diGO，CiiGO進(jìn)一步和第i級匹配濾波器hi相 乘，做減法運(yùn)算，得到觀測數(shù)據(jù)Xi (k)。后向綜合過程與圖1中一樣，由一組遞推的標(biāo)量綜合得到維納濾波器的輸出誤差信號ε i，最后一級的觀測數(shù)據(jù)與權(quán)系數(shù)K相乘并與參考信號做差值得到誤差信號依次迭代，最終得到系統(tǒng)輸出誤差值^在CSA-MWF結(jié)構(gòu)中取r級截?cái)?，即使得Xrt =火=ε rD其中，i = 1，2，…，r彡N。本發(fā)明是一種基于變對角加載量的空時(shí)抗干擾方法，流程如圖3所示，包括以下幾個(gè)步驟:步驟一:通過天線對GPS衛(wèi)星信號進(jìn)行采樣，得到采樣數(shù)據(jù)，輸入至相關(guān)相減多級維納濾波器；在空時(shí)處理中，設(shè)有M個(gè)陣元天線，每個(gè)陣元設(shè)有L個(gè)延時(shí)抽頭系數(shù)，則共產(chǎn)生MXL-1個(gè)自由度。GPS衛(wèi)星信號在奈奎斯特采樣速率下進(jìn)行，在時(shí)刻k各個(gè)天線的采樣構(gòu)成采樣數(shù)據(jù)矢量，為:其中:X(k)為時(shí)刻k各個(gè)天線數(shù)據(jù)矢量，A=為陣列流形矩陣，a( Θ 0)為信號導(dǎo)向矢量，叫> = [1，#，為第j個(gè)干擾信源的導(dǎo)向矢量，且
β = —dSiniej)]，λ為信號波長，d為陣兀間距，Θ j為第j個(gè)干擾入射角度；S(k)為信號向
量，StlGO為期望信號向量，Sj(k)為第j個(gè)干擾信號向量，j = l，2，…，L;N(k)為噪聲向量。線性約束中期望信號的方向和對應(yīng)的導(dǎo)向矢量B(Qtl)認(rèn)為是已知的。這里采用一維線陣，只考慮方位角。采樣數(shù)據(jù)X (k)輸入到相關(guān)相減多級維納濾波器中。步驟二:對采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)相減多級維納濾波器的前向分解，得到每級的數(shù)據(jù)信號和參考信號；`現(xiàn)有CSA-MWF結(jié)構(gòu)中阻塞矩陣琿=1-1iiIif為N維方陣，各級數(shù)據(jù)Xi (k)也是N維方陣，因此沒有達(dá)到維數(shù)降低的目的。本發(fā)明對CSA-MWF進(jìn)行優(yōu)化，使得阻塞矩陣Bi為(N-1-1) X (N-1)維方陣，這樣既有CSA-MWF結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，又會使得各級數(shù)據(jù)Xi逐次降低，計(jì)算量減少，存儲空間縮減。具體為:( I)設(shè)定第i級阻塞矩陣Bi ；在多級維納濾波器中，經(jīng)過信號的分解和迭代運(yùn)算后，信號維數(shù)下降，運(yùn)算簡化。但在CSA-MWF結(jié)構(gòu)中，第i級阻塞矩陣Bi ^Bi=1-hh，其中^為歸一化的期望信號的導(dǎo)向矢量。阻塞矩陣民=I h,hf為N維方陣，因此信號的維數(shù)并不會隨著信號的分解和迭代而降低。這里取阻塞矩陣Bi維數(shù)為(N-1-1) X (N-1)，進(jìn)行簡化。具體處理為:取阻塞矩陣B。前N-1行，(N-1) XN的矩陣代替原來的N維方陣辦用X (N_i)為矩陣代替原來(N-1) X (N-1)維方陣。通過計(jì)算，這種替代保留了數(shù)據(jù)X (k)的全部信息，沒有造成損失，因此是合理的。(2)進(jìn)行前向分解，得到每級的數(shù)據(jù)信號和參考信號；前向分解過程是利用已知的期望信號信息把陣列接收到的信號分為兩個(gè)支路，即上支路和下支路。其中，上支路信號X(k)經(jīng)過變換后得到參考信號CitlGO，CitlGO包含期望信號和干擾，下支路通過阻塞矩陣Btl阻塞掉期望信號，則XtlGO只含有干擾。如圖1所示。多級維納濾波器中，參考信號= ⑷，數(shù)據(jù)信號XciGO =B0X(k)。式中
h° = ||a(<{)||，h°為歸一化的期望信號的導(dǎo)向矢量；B。為滿秩阻塞矩陣；I I I I表不向量求模。
利用相關(guān)相減算法實(shí)現(xiàn)前向分解如圖2。CSA-MWF的阻塞矩陣為
權(quán)利要求
1.一種基于變對角加載量的空時(shí)抗干擾方法，其特征在于，包括以下幾個(gè)步驟: 步驟一:通過天線對GPS衛(wèi)星信號進(jìn)行采樣，得到采樣數(shù)據(jù)，輸入至相關(guān)相減多級維納濾波器； 設(shè)有M個(gè)陣元天線，每個(gè)陣元設(shè)有L個(gè)延時(shí)抽頭系數(shù)，則共產(chǎn)生MXL-1個(gè)自由度；GPS衛(wèi)星信號在奈奎斯特采樣速率下進(jìn)行，在時(shí)刻k各個(gè)天線的采樣構(gòu)成采樣數(shù)據(jù)矢量，為:
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于變對角加載的空時(shí)抗干擾方法，其特征在于，步驟二中，米樣協(xié)方差矩陣誤差常量ε小于0.05。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采樣數(shù)小于信號最高頻率兩倍，大于陣元的數(shù)目。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于變對角加載的空時(shí)抗干擾方法，其特征在于，對角加載函數(shù)是與干擾和噪聲的特征值進(jìn)行相關(guān)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于可變對角加載的空時(shí)抗干擾方法，包括以下幾個(gè)步驟步驟一，采集GPS衛(wèi)星信號，信號經(jīng)過采樣后輸入濾波器結(jié)構(gòu)；步驟二，對信號進(jìn)行相關(guān)相減多級維納濾波器的前向分解，記錄每級的接收信號和參考信號；步驟三，通過采樣信號的協(xié)方差矩陣代替真實(shí)協(xié)方差矩陣；步驟四，通過矩陣求逆定理計(jì)算對角加載的范圍，進(jìn)而利用協(xié)方差對角陣元素關(guān)系求得需要加載的對角量；步驟五，加入對角量，進(jìn)行相關(guān)相減多級維納濾波器的后向綜合，求出濾波器最優(yōu)權(quán)矢量，對當(dāng)前數(shù)據(jù)進(jìn)行自適應(yīng)濾波。本發(fā)明采用改進(jìn)的相關(guān)相減多級維納濾波器，相比多級維納濾波器的運(yùn)算量和存儲量更低，適用于維數(shù)較大的系統(tǒng)。
文檔編號G01S19/21GK103197325SQ20131009732
公開日2013年7月10日 申請日期2013年3月25日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月25日
發(fā)明者沈鋒, 張桂賢, 宋麗杰, 徐定杰, 李平敏, 陳瀟, 劉海峰, 賀瑞 申請人:哈爾濱工程大學(xué)