雙重優(yōu)化的寬帶聚焦波束形成算法研究

畢楊，王英民，王奇

摘要：目的：在寬帶信號(hào)的波束形成算法的研究中，通常使用相干信號(hào)子空間法（CSM），CSM 中的聚焦操作充分地綜合了寬帶信息，使聚焦后的信號(hào)協(xié)方差矩陣保持滿秩，該算法運(yùn)算量小、估計(jì)精度高，能夠有效地克服信號(hào)抵消、擴(kuò)展檢測(cè)及分辨門(mén)限，能夠處理多途環(huán)境問(wèn)題。聚焦矩陣的構(gòu)造是CSM 的核心，聚焦矩陣的構(gòu)造方法對(duì)CSM 的估計(jì)性能起著決定性的作用。確定聚焦矩陣時(shí)，有兩個(gè)因素決定最終的聚焦效果。一個(gè)是對(duì)初始方向的估計(jì)，另一個(gè)是選擇的聚焦頻率。對(duì)初始方向估計(jì)的偏差和聚焦頻率選擇的偏差都會(huì)影響最終的聚焦效果，甚至?xí)顾惴ㄊ?。針?duì)這個(gè)缺陷，需要從最佳聚焦頻率和最佳聚焦矩陣兩個(gè)方面對(duì)算法進(jìn)行優(yōu)化。方法：首先，利用最佳聚焦頻率的確定方法確定出最佳的聚焦頻率，然后，利用穩(wěn)健Capon 波束形成算法（RCB）算法對(duì)聚焦矩陣進(jìn)行修正，使寬帶信號(hào)通過(guò)修正的聚焦矩陣全部聚焦在最佳聚焦頻率上，最后，對(duì)窄帶數(shù)據(jù)利用二階錐方法實(shí)現(xiàn)波束形成。結(jié)果：對(duì)最佳聚焦頻率的有效性進(jìn)行了驗(yàn)證，仿真結(jié)果表示通過(guò)聚焦變換在最佳聚焦頻率上的寬帶聚焦波束圖的效果是最優(yōu)的。對(duì)基于RCB 優(yōu)化的寬帶聚焦波束形成算法進(jìn)行了驗(yàn)證，仿真結(jié)果表明RCB 算法在寬帶聚焦波束形成中對(duì)聚焦矩陣有效地進(jìn)行了修正。對(duì)基于最佳聚焦頻率的二階錐寬帶聚焦波束形成算法進(jìn)行了驗(yàn)證，仿真結(jié)果表明與常規(guī)波束形成算法相比較二階錐寬帶聚焦波束形成算法有更好的波束形成效果。對(duì)雙重優(yōu)化的寬帶聚焦波束形成算法進(jìn)行了仿真以及湖試實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明，該算法在保證波束恒定的前提下，在各個(gè)頻率點(diǎn)都具有更低的旁瓣級(jí)。結(jié)論：利用RCB 算法修正聚焦矩陣，使寬帶信號(hào)聚焦在此頻帶范圍的最佳聚焦頻率上，再利用基于二階錐的最低旁瓣波束形成算法。這不僅彌補(bǔ)了在確定聚焦矩陣時(shí)，對(duì)初始方向估計(jì)的偏差對(duì)聚焦效果的影響，還考慮到聚焦頻率選擇的偏差對(duì)聚焦效果的影響。因此雙重優(yōu)化的寬帶聚焦波束形成算法在保證波束恒定的前提下，在不同的頻率點(diǎn)處的旁瓣級(jí)更低，波束形成效果更優(yōu)。

來(lái)源出版物：兵工學(xué)報(bào), 2017, 38(8): 1563-1571

入選年份：2017