兵器科学与技术

双重优化的宽带聚焦波束形成算法研究

毕杨，王英民，王奇

摘要：目的：在宽带信号的波束形成算法的研究中，通常使用相干信号子空间法（CSM），CSM 中的聚焦操作充分地综合了宽带信息，使聚焦后的信号协方差矩阵保持满秩，该算法运算量小、估计精度高，能够有效地克服信号抵消、扩展检测及分辨门限，能够处理多途环境问题。聚焦矩阵的构造是CSM 的核心，聚焦矩阵的构造方法对CSM 的估计性能起着决定性的作用。确定聚焦矩阵时，有两个因素决定最终的聚焦效果。一个是对初始方向的估计，另一个是选择的聚焦频率。对初始方向估计的偏差和聚焦频率选择的偏差都会影响最终的聚焦效果，甚至会使算法失效。针对这个缺陷，需要从最佳聚焦频率和最佳聚焦矩阵两个方面对算法进行优化。方法：首先，利用最佳聚焦频率的确定方法确定出最佳的聚焦频率，然后，利用稳健Capon 波束形成算法（RCB）算法对聚焦矩阵进行修正，使宽带信号通过修正的聚焦矩阵全部聚焦在最佳聚焦频率上，最后，对窄带数据利用二阶锥方法实现波束形成。结果：对最佳聚焦频率的有效性进行了验证，仿真结果表示通过聚焦变换在最佳聚焦频率上的宽带聚焦波束图的效果是最优的。对基于RCB 优化的宽带聚焦波束形成算法进行了验证，仿真结果表明RCB 算法在宽带聚焦波束形成中对聚焦矩阵有效地进行了修正。对基于最佳聚焦频率的二阶锥宽带聚焦波束形成算法进行了验证，仿真结果表明与常规波束形成算法相比较二阶锥宽带聚焦波束形成算法有更好的波束形成效果。对双重优化的宽带聚焦波束形成算法进行了仿真以及湖试实验验证，结果表明，该算法在保证波束恒定的前提下，在各个频率点都具有更低的旁瓣级。结论：利用RCB 算法修正聚焦矩阵，使宽带信号聚焦在此频带范围的最佳聚焦频率上，再利用基于二阶锥的最低旁瓣波束形成算法。这不仅弥补了在确定聚焦矩阵时，对初始方向估计的偏差对聚焦效果的影响，还考虑到聚焦频率选择的偏差对聚焦效果的影响。因此双重优化的宽带聚焦波束形成算法在保证波束恒定的前提下，在不同的频率点处的旁瓣级更低，波束形成效果更优。

来源出版物：兵工学报, 2017, 38(8): 1563-1571

入选年份：2017