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        自適應(yīng)陣列波束形成算法研究

        2021-02-23 19:35:01歸達偉
        科教創(chuàng)新與實踐 2021年43期
        關(guān)鍵詞:問題

        歸達偉

        摘要:在世界科技飛速發(fā)展的今天,雷達,聲納,無線通信等許多領(lǐng)域有一個非常重要的技術(shù)被稱為自適應(yīng)陣列波束形成技術(shù),他也是陣列信號處理的重要部分,經(jīng)過幾十年的研究之后,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)解決的問題,最后,對自適應(yīng)陣列波束形成算法進行了比較。

        關(guān)鍵詞:自適應(yīng)陣列波束形成技術(shù);問題;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,語音識別等領(lǐng)域。它不僅能對來源于四面八方的信號進行準(zhǔn)確的識別和處理,將特定方向的有用信號進行處理,形成波束,同時排除了其他方向信號的干擾。但經(jīng)典的波束信號的陣列響應(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失真。由于波束形成算法的缺點,我們對自適應(yīng)陣列波束形成的算法進行了比較,實時調(diào)整接近最佳位置的權(quán)重集,最終準(zhǔn)確識別特定方向的信號,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,自適用陣列天線管理系統(tǒng)的研究啟動,經(jīng)過近十多年的發(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)陣列對波束成形過程采用不同的標(biāo)準(zhǔn)來定義自適應(yīng)權(quán)重,并使用不同的自適應(yīng)算法來實現(xiàn)。主要標(biāo)準(zhǔn)如下。最小均方誤差(MSE)標(biāo)準(zhǔn);Monzingo和Miler在他們的一個圖表中表明,4個基準(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。無論選擇了哪個數(shù)據(jù),都必須使用特定算法來調(diào)整陣列波束模式以實現(xiàn)自適應(yīng)控制。

        有各種各樣的自適應(yīng)算法。而按照計算的具體目標(biāo),我們可將它分拆成開環(huán)計算和閉環(huán)算法。在最初階段,我們主要專注于閉環(huán)算法,包含最小化均方(lms)計算,微分最大分集(dsd)計算,加速梯度(ag)計算及其對它們的變形計算。由于閉環(huán)算法沒有數(shù)據(jù)儲備,簡單可靠。但是,其主要缺陷是收斂到最佳權(quán)重的反應(yīng)持續(xù)時間取決于統(tǒng)計特征值分配。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,在過去的二零年里,人們更關(guān)注于開放式循環(huán)計算的研究。我們已經(jīng)提供了一個經(jīng)典的開環(huán)控制系統(tǒng)計算。DMI方法通過直接影響色散矩陣的解勝者hopf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,高速智能芯片的問世創(chuàng)造了開環(huán)控制計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題

        計算的持久性和復(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)換算法沒有考慮所采集數(shù)據(jù)的預(yù)期信號元素。在這種情形下,該計算有數(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)期信號的有限方向向量),因為實際采樣數(shù)據(jù)中含有期望信號信息,因此計算收斂速率明顯慢于實際沒有期望信號信息的計算速率。尤其是在感知數(shù)據(jù)不足的情形下,自適應(yīng)波束算法的實際性能顯然不如理論算法。但實際上,影響算法運行質(zhì)量的最主要原因是實驗環(huán)境、采樣數(shù)據(jù)、天線板和假設(shè)。通常,在可接受的天線板響應(yīng)和實際天線板響應(yīng)之間存在誤差。自適應(yīng)天線系統(tǒng)對該誤差極為敏感,因為如果發(fā)生該誤差,在計算表格質(zhì)量因數(shù)時,預(yù)期信號被抑制為干擾。在預(yù)期信號方向上,不是保持最大利潤,而是在預(yù)期信號方向上創(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)致表對預(yù)期信號的響應(yīng)。

        自適應(yīng)算法修改相關(guān)信號的能力實際上是另一個客觀問題。在處理平板信息時,往往具有一致的干擾信號,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,信號被取消。由于虛擬信息源的分配和實際分配不同時,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)格式無法使場適應(yīng)實際干擾源,波束形成的效率降低。

        三、自適應(yīng)陣列波束形成算法對比

        1.最小方差無失真響應(yīng)波束形成算法

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

        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)計算使用對陣列信息加權(quán)后的產(chǎn)出信息和考慮輸入信息之差的均方值最小計算整體風(fēng)險矢量,即

        4.廣義旁瓣相消器算法

        廣義旁瓣消除器(GSC)計算,是使用已有的信號方向信息把所接收到的消息更變?yōu)槎€分支。在經(jīng)過濾波器、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無失真響應(yīng)的要求,而下部支路在經(jīng)過分塊矩陣后,只包含了干擾信號,將上下支路干擾信號的影響用來對經(jīng)過轉(zhuǎn)換后的信息加以過濾,為干擾信號生成自適應(yīng)位移,并在不失真的情況下退出所需的上分支信號。GSC結(jié)構(gòu)如圖3.2所示:

        結(jié)語

        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,并提請注意主要問題。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,以達到自適應(yīng)擾動和噪音限制。預(yù)期的信號。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牌接收和參考信號之間的差值的均方值。實際上,不需要關(guān)于預(yù)期信號到達方向的先驗信息,但是,應(yīng)知道參考信號的具體形狀。

        參考文獻:

        [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)向矢量估計的穩(wěn)健自適應(yīng)波束形成算法研究[D].中國科學(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.

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