自適應(yīng)陣列信號處理

1、自適應(yīng)陣列信號處理自適應(yīng)陣列信號處理ASPASP 小組報告小組報告航大航大22022-5-7陣列信號處理概述陣列信號處理概述p陣列信號處理的引入陣列信號處理的引入 一維信號一維信號 多維信號多維信號 時域時域 空域空域 陣列信號處理陣列信號處理 延伸推廣 天線陣列傳感器陣列ASPASP 小組報告小組報告航大航大32022-5-7陣列信號處理概述陣列信號處理概述p陣列信號模型陣列信號模型ASPASP 小組報告小組報告航大航大42022-5-7陣列信號處理概述（續(xù)）陣列信號處理概述（續(xù)）統(tǒng)計模型：統(tǒng)計模型：在第在第m個陣元上第個陣元上第k次快拍的采樣值為次快拍的采樣值為將各陣元上第將各陣元上第k次

2、快拍的采樣寫成向量形式次快拍的采樣寫成向量形式 ( )( )defHEkkRxx2(1) sin1( )( )( )iPjmdmimixks k enk( )( )kkkx( )Asn2( )( )( )( )HHHHEkkEkkRAssAnnAPAIS(k)和n(k)統(tǒng)計獨立ASPASP 小組報告小組報告航大航大52022-5-7陣列信號處理概述（續(xù)）陣列信號處理概述（續(xù)） 式中式中 2( )( )HEkknnI1MHHiiiiRU Uu u211PMHHHHsssnnniiiiiii P uuuuu uu u( )( )defHEkkPss各陣元的噪聲不相關(guān)，且強度相等信號子空間噪聲子空間

3、ASPASP 小組報告小組報告航大航大62022-5-7p陣列信號處理的主要內(nèi)容陣列信號處理的主要內(nèi)容自適應(yīng)波束形成技術(shù) 目的：增強有用（所需）信號，抑制干擾和噪聲信號 應(yīng)用：雷達、通信、聲納等領(lǐng)域超分辨空間譜估計技術(shù) 目的：估計空間信號的到達方向 應(yīng)用：雷達、聲納、地震勘探以及射電天文等領(lǐng)域ASPASP 小組報告小組報告航大航大72022-5-7自適應(yīng)波束形成自適應(yīng)波束形成p 定義：要求自適應(yīng)陣形成個很窄的主波束，自動對準(zhǔn)所要的定義：要求自適應(yīng)陣形成個很窄的主波束，自動對準(zhǔn)所要的 觀測的目標(biāo)；在干擾方向上自動形成零陷，使干擾信號得到觀測的目標(biāo)；在干擾方向上自動形成零陷，使干擾信號得到 最大限

4、度的抑制。最大限度的抑制。p 目的目的：波束形成就是通過傳感器陣列重構(gòu)源信號。波束形成就是通過傳感器陣列重構(gòu)源信號。p 陣列采用自適應(yīng)處理的動因陣列采用自適應(yīng)處理的動因: 在陣列天線上容易進行自適應(yīng)陣列波束形成 提高系統(tǒng)的可靠性 實現(xiàn)機掃到相掃的轉(zhuǎn)變 有利于多目標(biāo)遠距離的監(jiān)測和跟蹤p 實現(xiàn)實現(xiàn)：通過增加期望信號的貢獻，抑制掉干擾源來實現(xiàn)。通過增加期望信號的貢獻，抑制掉干擾源來實現(xiàn)。ASPASP 小組報告小組報告航大航大82022-5-7自適應(yīng)波束形成技術(shù)自適應(yīng)波束形成技術(shù)普通波束形成的優(yōu)缺點：普通波束形成的優(yōu)缺點：優(yōu)點：是一個匹配濾波器，在主瓣方向信號相干積累，實優(yōu)點：是一個匹配濾波器，在主瓣

5、方向信號相干積累，實 現(xiàn)簡單，在白噪聲背景下它是最優(yōu)的，在色噪聲背景下，現(xiàn)簡單，在白噪聲背景下它是最優(yōu)的，在色噪聲背景下，維納濾波是最優(yōu)的。維納濾波是最優(yōu)的。缺點：缺點： 波束寬度限制了方向角的分辨。波束寬度限制了方向角的分辨。 存在旁瓣，強干擾信號可以從旁瓣進入。存在旁瓣，強干擾信號可以從旁瓣進入。 加窗處理可以降低旁瓣，但同時也會展寬主瓣。加窗處理可以降低旁瓣，但同時也會展寬主瓣。 總之，普通波束形成依賴于陣列幾何結(jié)構(gòu)和波達方總之，普通波束形成依賴于陣列幾何結(jié)構(gòu)和波達方向角，而與信號環(huán)境無關(guān)，且固定不變，抑制干擾能力向角，而與信號環(huán)境無關(guān)，且固定不變，抑制干擾能力差。差。ASPASP 小組

6、報告小組報告航大航大92022-5-7陣列輸出經(jīng)過加權(quán)求和，調(diào)整到陣列輸出經(jīng)過加權(quán)求和，調(diào)整到陣列接收的方向增益聚集在一個陣列接收的方向增益聚集在一個方向，相當(dāng)于形成一個波束。方向，相當(dāng)于形成一個波束。自適應(yīng)陣列概述自適應(yīng)陣列概述p自適應(yīng)陣列處理目的：提取所需信號源和信號屬性等自適應(yīng)陣列處理目的：提取所需信號源和信號屬性等信息信息p自適應(yīng)陣列處理內(nèi)容自適應(yīng)陣列處理內(nèi)容波束形成技術(shù)波束形成技術(shù)經(jīng)典波束形成技術(shù)經(jīng)典波束形成技術(shù)盲波束形成技術(shù)盲波束形成技術(shù)波束形成波束形成物理意義物理意義ASPASP 小組報告小組報告航大航大102022-5-7自適應(yīng)陣列概述自適應(yīng)陣列概述 最小均方誤差最小均方誤差(

7、MMSE)準(zhǔn)則準(zhǔn)則 p最優(yōu)化準(zhǔn)則最優(yōu)化準(zhǔn)則 最大信噪比最大信噪比(Max SNR)準(zhǔn)則準(zhǔn)則 線性約束最小方差線性約束最小方差(LCMV)準(zhǔn)則準(zhǔn)則ASPASP 小組報告小組報告航大航大112022-5-7自適應(yīng)波束形成自適應(yīng)波束形成 經(jīng)典的方法經(jīng)典的方法 （續(xù)）（續(xù)）p線性約束最小方差線性約束最小方差(LCMV)(LCMV)問題引出問題引出 期望信號幅度未知期望信號幅度未知 缺少期望信號的先驗知識缺少期望信號的先驗知識 不能確定參考信號不能確定參考信號解決方案解決方案 對權(quán)值進行線性約束對權(quán)值進行線性約束波束形成要求波束形成要求 期望信號的波達方向期望信號的波達方向(DOA)(缺點缺點)最大最大

8、SNRSNR失效失效SLCSLC和和MMSEMMSE失效失效LCMVLCMVASPASP 小組報告小組報告航大航大122022-5-7基于基于LCMVLCMV準(zhǔn)則波束形成準(zhǔn)則波束形成pMVDRMVDR最小方差無失真響應(yīng)最小方差無失真響應(yīng) 當(dāng)當(dāng) 時，時， 使使 最小化最小化 解得解得 優(yōu)點：具有最佳信噪比增益優(yōu)點：具有最佳信噪比增益 缺點：低的信噪比條件限制了其高分辨性能缺點：低的信噪比條件限制了其高分辨性能 ()HJwwRw0()1Hwa10100()()()HRawaRa與Max SNR準(zhǔn)則所得 具有相同信噪比WASPASP 小組報告小組報告航大航大132022-5-7pLCMV 基本思想基

9、本思想：使感興趣的波達方向信號以特定增益與相位使感興趣的波達方向信號以特定增益與相位通過，而輸出信號能量或方差最小化通過，而輸出信號能量或方差最小化 代價函數(shù)代價函數(shù) 約束條件約束條件 輸出功率最小化輸出功率最小化 Lagrange法求得法求得基于基于LCMV準(zhǔn)則波束形成準(zhǔn)則波束形成()HJwwRw0()HgwaminHww Rw10100()()()HgR awaR aASPASP 小組報告小組報告航大航大142022-5-7最小均方最小均方(LMS)(LMS)算法算法pMSE準(zhǔn)則：準(zhǔn)則：p波束形成：波束形成：p期望輸出：期望輸出：p誤差：誤差：p代價函數(shù)代價函數(shù):1owR p( )( )Hy ttw x( )d t( )( )( )e ty td t*2( )() ()HHHdJE et e tww p p w w R w*( )( )22( )( )( )( )2( )( )( )2( ) ( )HJJEttEt d tEty td tEt e twwp2RwwxxwxxxASPASP 小組報告小組報告航大航大152022-5-7最小均方最小均方(LMS)(LMS)算法算法LMSLMS思想思想