一种增强零陷的稳健Capon波束形成器设计

郑义　陈方舟　冯超

摘 要：阵列天线因其分辨率高、增益强、方便控制等特点，在民用以及军用通信、雷达、探测等领域的作用不言而喻。其中，自适应波束形成技术是阵列天线信号处理的重要组成部分，本质是空域滤波技术，可有效抑制干扰，定向控制波束方向，以充分发挥雷达性能。因此，设计一种增强零陷的稳健Capon波束形成器，用于提升阵列天线在角度失配条件下的性能。通过重构协方差矩阵预先估计导引矢量，引入零陷宽度，增强天线性能。经经仿真分析，该算法在角度失配条件下具备良好的性能。

关键词：阵列天线;自适应波束形成算法;协方差矩阵;空域滤波技术;零陷宽度

中图分类号：TN911.7 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2019）32-0081-03

Design of Robust Capon Beamformer with Enhanced Nulling

ZHENG Yi1 CHEN Fangzhou2 FENG Chao1

（1.66133 Troops of the Chinese People's Liberation Army，Beijing 100041;2.Department of Aerospace Systems of the PLA Strategic Support Force，Beijing 100089）

Abstract： Due to its high resolution， strong gain， and convenient control， array antennas are self-evident in the fields of civil and military communications， radar， and detection. Among them， the adaptive beamforming technology is an important part of the array antenna signal processing. The essence is the spatial domain filtering technology， which can effectively suppress the interference and directionally control the beam direction to fully exert the radar performance. Therefore， a robust capon beamforming with enhanced nulling is designed to improve the performance of the array antenna under angular mismatch conditions. The steering vector is estimated in advance by reconstructing the covariance matrix， and the null width is introduced to enhance the antenna performance. After simulation analysis， the algorithm has good performance under angle mismatch conditions.

Keywords： array antenna;adaptive beamforming algorithm;covariance matrix;airspace filtering technique;width of the depression

自適应波束形成技术在无线电通信、雷达、声呐等领域具有广泛的应用[1，2]。传统的自适应波束形成方法，如标准的Capon波束形成器（standardcapon beamformer，SCB），是通过自适应地选择加权向量来最小化阵列输出功率，同时施加一个线性约束，以保证期望信号无失真。然而，Capon波束形成器的最优性能是建立在采样快拍数足够多以及对期望信号导向矢量精确已知的前提之上。当快拍数较少时，Capon波束形成器会产生高旁瓣的波束响应，降低阵列输出信干噪比（signal to interference-plus-noise ratio，SINR）并提高系统的虚警概率。存在角度失配时，Capon波束形成器会将期望信号误当作干扰而抑制，严重削弱其波束形成性能[3，4]。常用的提高Capon波束形成器稳健性的方法有对角加载方法和基于特征空间的方法等。对角加载可以在一定程度上提高Capon波束形成器的稳健性，但在实际应用中如何确定最优加载量是一个难题。

目前，自适应波束形成技术（尤其是传统的稳健Capon波束形成器）在角度失配的情况下仍然可以实现波束对准，但是性能会有一定程度的损失[5-6]。本文力图通过重构信号协方差矩阵预先估计期望信号的导引矢量，从而准确掌握期望信号方向，校准自适应波束形成器的矢量权值。不仅如此，加入一定范围的零陷宽度，会使得自适应波束形成器的干扰零陷加宽，从而实现一箭双雕的效果。

1 稳健Capon波束形成器增强零陷设计

设计模型为[M]阵元阵列天线，波束形成器接受[Q]个窄带信号，这里需要假设信源之间是相互独立的[7，8]。使用[xs（k）]表示第[k]个快拍中的期望信号，[xj（k）]表示第[k]个快拍中的[Q-1]个干扰成分，[n（k）]表示高斯白噪声，则信号表示为：

对比理想Capon波束形成器的稳健波束形成算法和有关研究中的两种稳健波束形成算法[2，3]，其方向图如图1所示。

Capon波束形成器建立在最大信噪比准则上，然而其实际性能受阵列信号采样快拍数的影响较大。设计的增强零陷的稳健Capon波束形成器，可以正确指示来波方向，形成较宽的零陷。

3 结论

本文针对标准Capon波束形成器中旁瓣过高和导向矢量角度失配而导致的性能下降问题，提出一种增强零陷的稳健Capon波束形成器。它克服了角度失配下导引矢量估计难题，可以正确指示来波方向，形成较宽零陷，有利于实际运用。与目前已有的约束波束形成方法相比，本文提出的方法实现了在低采样快拍数条件下同时兼顾低旁瓣级、干扰零陷深度、导向矢量角度失配稳健性等多个指标。

参考文献：

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