导向矢量失配条件下的稳健自适应波束成形研究

【摘要】近年来数字天线阵列技术在现代国防军事工业、移动通信和声纳等领域发挥了越来越重要的作用。自适应波束成形作为数字阵列的核心技术,它的不断发展极大的推动了数字阵列的研究。与数据独立型波束成形方法相比,自适应波束形成具有更高的分辨率和更强的干扰抑制能力,并且这些特性都是建立在期望信号导向矢量等信息精确已知的前提下。但是,与传统的相控阵一样,数字阵列在工作时,也面临了诸多误差因素的影响,例如,阵元间互耦、幅相误差、阵元位置误差等。而一般的自适应波束成形方法对误差因素造成的导向矢量失配是比较敏感的。因此,近年来,大量的研究工作将重心放在了如何提高自适应波束形成器在导向矢量失配条件下的稳健性上。本文在已有工作的基础上,研究了几种新的稳健自适应波束成形方法。本文首先在导向矢量的椭球不确定集基础上,以最小化误差敏感性为目标来设计稳健自适应波束形成器。与传统的输出性能最佳化法相比,误差敏感性最小化法在导向矢量失配程度一定的前提下,对算法中导向矢量误差范数上界的取值不敏感。理论上,误差敏感性最小化法仍然属于基于导向矢量不确定集的稳健自适应波束成形。但是,对于这一大类稳健波束成形方法来说,当参考导向矢量与实际的导向矢量之间的失配程度较高时,其输出信干噪比会出现较为明显的下降。接着,针对以上所述方法的输出性能在较大导向矢量失配度下出现下降的问题。本文利用特征子空间分解定理构造了关于导向失配度的估计方程,并以这些方程为基础发展出了具有自适应可调误差半径的迭代稳健自适应波束成形技术。在每一步迭代中都可以依据一定的准则估计出导向矢量不确定集的半径。随后以该误差半径为基础,求解出相应的最优导向矢量,并将其作为下一步迭代中使用的参考向量。该处理方法能够有效提高较大导向矢量失配度下自适应波束形成器的输出性能。另一方面,该迭代搜索法也可被推广到椭球不确定集中。但是,以上的迭代处理法在改善稳健性的同时也增加了计算的复杂度。所以,本文又提出了一类新的基于泰勒级数展开的迭代稳健自适应波束成形。该方法无需构建导向矢量的不确定集,其在输出性能和处理复杂度之间进行了一定的平衡。最后,考虑到均匀矩形平面阵中阵元间互耦的对称性,本文进一步研究了具有低互耦敏感度的稳健自适应波束成形。通过在均匀矩形面阵的四周添加若干层辅助阵元,可以在不构建导向矢量不确定集的前提下,也能够有效改善自适应波束形成器的性能。但是辅助阵元的引入也会造成在特定互耦系数条件下的空间谱估计中出现盲角问题,该问题可以通过使用不维度的噪声子空间进行循环空间谱估计来解决。
【作者】张涛；
【导师】孙利国；
【作者基本信息】中国科学技术大学，电磁场与微波技术，2014，博士
【关键词】数字天线阵列；导向矢量；稳健自适应波束成形；互耦；

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