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1、第四章第四章 部分自适应阵列处理技术部分自适应阵列处理技术 4.1部分自适应概念部分自适应概念 全自适应：全自适应：对全部单元作自适应控制（使对全部单元作自适应控制（使用了全部可利用的系统自由度用了全部可利用的系统自由度degreeoffreedom）. .部分自适应：部分自适应：对其中部分单元作自适应控制对其中部分单元作自适应控制（只使用了部分可利用的系统（只使用了部分可利用的系统自由度）。自由度）。西安电子科技大学雷达信号处理实验室西安电子科技大学雷达信号处理实验室西安电子科技大学雷达信号处理实验室西安电子科技大学雷达信号处理实验室 1部分自适应阵列处理技术比较：比较：方式方式指标指标全自
2、适应全自适应部分自适应部分自适应自由度自由度全部全部部分部分运算量运算量大大小小收敛性收敛性慢慢快快性能性能潜在性能高潜在性能高使用性好（与理论极限使用性好（与理论极限性能相比有损失）性能相比有损失）西安电子科技大学雷达信号处理实验室西安电子科技大学雷达信号处理实验室西安电子科技大学雷达信号处理实验室西安电子科技大学雷达信号处理实验室 2部分自适应阵列处理技术关键：关键：如如何何合合理理设设计计部部分分自自适适应应结结构构，使使得得性性能能损损失最小而运算量显著降低。失最小而运算量显著降低。部分自适应技术的发展情况：部分自适应技术的发展情况：1.chapman,IEEE,TransAP-24,
3、1979,P685696变换降维变换降维2.Morgan,PartiallyAdaptiveArrayTechniques3. IEEE,Trans,AP-26,1978,P823833多重旁瓣对消多重旁瓣对消4.器（器（MSC）3.Gabriel,UsingSpectralEstimationTechniquesin4.AdaptiveProcessingAntennaSystems.IEEE,AP-34,1986,No.3,P291300自适应方法自适应方法西安电子科技大学雷达信号处理实验室西安电子科技大学雷达信号处理实验室西安电子科技大学雷达信号处理实验室西安电子科技大学雷达信号处理实验
4、室 3部分自适应阵列处理技术4.Adams,AdaptiveMain-BeamNullingforNarrow-BeamAntennaArrays.IEEE,AES-16,1980,P509516用几个指向目标临近方向的波束进行对消用几个指向目标临近方向的波束进行对消用几个指向目标临近方向的波束进行对消用几个指向目标临近方向的波束进行对消5.VanVeenB.D,PartiallyAdaptiveBeamformerDesignViaOutputPowerMinimization6.IEEE,Trans,ASSP-35,1987,P15241532深入系统研究了广义旁瓣相消结构（深入系统研究了
5、广义旁瓣相消结构（GSC处理器）处理器） 西安电子科技大学雷达信号处理实验室西安电子科技大学雷达信号处理实验室西安电子科技大学雷达信号处理实验室西安电子科技大学雷达信号处理实验室 4部分自适应阵列处理技术4.2阵元空间阵元空间(elementspace)部分部分自适应处理自适应处理 1.Chapman方法：子阵级方法：子阵级对阵列数据对阵列数据用降维矩阵作变换：用降维矩阵作变换：变换前的自适应：变换前的自适应：变换后的自适应处理：变换后的自适应处理：西安电子科技大学雷达信号处理实验室西安电子科技大学雷达信号处理实验室西安电子科技大学雷达信号处理实验室西安电子科技大学雷达信号处理实验室 5部分自
6、适应阵列处理技术变换后的导向矢量为：变换后的导向矢量为：由最优波束形成原理，变换域的最优权为：由最优波束形成原理，变换域的最优权为：在变换域在变换域 用用 进行最优波束形成，实际上进行最优波束形成，实际上是对是对 进行波束形成，即：进行波束形成，即： 其中：其中： 西安电子科技大学雷达信号处理实验室西安电子科技大学雷达信号处理实验室西安电子科技大学雷达信号处理实验室西安电子科技大学雷达信号处理实验室 6部分自适应阵列处理技术一一般般地地，,此此时时不不可可逆逆，在在变变换换域域处处理的性能不如变换前处理的结果（有性能损失）；理的性能不如变换前处理的结果（有性能损失）；特殊地，当特殊地，当可逆时
7、：可逆时： 此时在变换域处理的结果与变换域前一样，但这此时在变换域处理的结果与变换域前一样，但这时需要时需要，并不能降维，所以无实际意义。，并不能降维，所以无实际意义。关于变换矩阵的构造（子阵划分）问题：关于变换矩阵的构造（子阵划分）问题： 简单子阵法简单子阵法 选取的子阵只是位置上靠近的阵元。选取的子阵只是位置上靠近的阵元。明显缺点：明显缺点：各子阵的相位中心通常超过半波长（甚各子阵的相位中心通常超过半波长（甚至几个波长），产生子阵间栅瓣。至几个波长），产生子阵间栅瓣。 西安电子科技大学雷达信号处理实验室西安电子科技大学雷达信号处理实验室西安电子科技大学雷达信号处理实验室西安电子科技大学雷达
8、信号处理实验室 7部分自适应阵列处理技术几种改进方法：几种改进方法：1)1)使子阵间栅瓣出现于子阵方向图的零点位置。使子阵间栅瓣出现于子阵方向图的零点位置。 例：例：33阵元合成为阵元合成为16个（采用滑动重叠技术）个（采用滑动重叠技术）如图如图3.1所示所示图图3.1123452930 31 3233121516西安电子科技大学雷达信号处理实验室西安电子科技大学雷达信号处理实验室西安电子科技大学雷达信号处理实验室西安电子科技大学雷达信号处理实验室 8部分自适应阵列处理技术新阵列方向图新阵列方向图子阵方向图子阵方向图图图3.2西安电子科技大学雷达信号处理实验室西安电子科技大学雷达信号处理实验室
9、西安电子科技大学雷达信号处理实验室西安电子科技大学雷达信号处理实验室 9部分自适应阵列处理技术子阵均匀划分法，来波方向为子阵均匀划分法，来波方向为子阵均匀划分法，来波方向为子阵均匀划分法，来波方向为西安电子科技大学雷达信号处理实验室西安电子科技大学雷达信号处理实验室西安电子科技大学雷达信号处理实验室西安电子科技大学雷达信号处理实验室 10部分自适应阵列处理技术2)非均匀划分，使各子阵内的阵元数不等，破坏栅非均匀划分，使各子阵内的阵元数不等，破坏栅瓣的出现。瓣的出现。如图如图3.3123456123图图3.31633西安电子科技大学雷达信号处理实验室西安电子科技大学雷达信号处理实验室西安电子科技
10、大学雷达信号处理实验室西安电子科技大学雷达信号处理实验室 11部分自适应阵列处理技术2、Morgan的的MSC方法：阵元级方法：阵元级选取部分单元进行自适应加权控制，而其余单元选取部分单元进行自适应加权控制，而其余单元用固定权（非自适应）进行处理。用固定权（非自适应）进行处理。 如图如图3.4所示所示12KN有几个干扰复有几个干扰复用几个用几个阵元进阵元进行自适应处理行自适应处理相消相消图图3.4西安电子科技大学雷达信号处理实验室西安电子科技大学雷达信号处理实验室西安电子科技大学雷达信号处理实验室西安电子科技大学雷达信号处理实验室 12部分自适应阵列处理技术选取的阵元数选取的阵元数M=1单旁瓣
11、相消器单旁瓣相消器M1多旁瓣相消器多旁瓣相消器MCS中的问题：中的问题：1、对几个点干扰抑制问题，选取自适应单元、对几个点干扰抑制问题，选取自适应单元几乎可任意。几乎可任意。2、对很多干扰或连片的地物杂波，如何选取、对很多干扰或连片的地物杂波，如何选取自适应处理单元有待于进一步研究。自适应处理单元有待于进一步研究。当当,全自适应全自适应西安电子科技大学雷达信号处理实验室西安电子科技大学雷达信号处理实验室西安电子科技大学雷达信号处理实验室西安电子科技大学雷达信号处理实验室 13部分自适应阵列处理技术来波方向来波方向来波方向来波方向，干扰方向，干扰方向，干扰方向，干扰方向和和和和西安电子科技大学雷
12、达信号处理实验室西安电子科技大学雷达信号处理实验室西安电子科技大学雷达信号处理实验室西安电子科技大学雷达信号处理实验室 14部分自适应阵列处理技术4.3波束空间部分自适应处理波束空间部分自适应处理 波束指的是普通波束。波束指的是普通波束。波束空间波束空间自适应处理：最常见的是对傅氏基自适应处理：最常见的是对傅氏基波束进行处理。波束进行处理。选取部分波束进行处理就称为波束域部分自选取部分波束进行处理就称为波束域部分自适应处理。适应处理。下面研究波束选取的方法下面研究波束选取的方法西安电子科技大学雷达信号处理实验室西安电子科技大学雷达信号处理实验室西安电子科技大学雷达信号处理实验室西安电子科技大学
13、雷达信号处理实验室 15部分自适应阵列处理技术1.Gabriel方方法法：分分两两步步：首首先先估估计计干干扰扰方方向向（粗粗略）。略）。再选取指向干扰方向的若干波束。再选取指向干扰方向的若干波束。2.Adams方法：方法：在目标邻近方向选取若干波束。在目标邻近方向选取若干波束。以等距线阵为例以等距线阵为例(间距为间距为)。N元阵经过元阵经过butler波束形成得到波束形成得到N个波束。如图个波束。如图3.5Butler矩阵矩阵123N123N图图3.5西安电子科技大学雷达信号处理实验室西安电子科技大学雷达信号处理实验室西安电子科技大学雷达信号处理实验室西安电子科技大学雷达信号处理实验室 16
14、部分自适应阵列处理技术其特点：其特点：N个波束在旁瓣区共零点。个波束在旁瓣区共零点。西安电子科技大学雷达信号处理实验室西安电子科技大学雷达信号处理实验室西安电子科技大学雷达信号处理实验室西安电子科技大学雷达信号处理实验室 17部分自适应阵列处理技术已知两个干扰及其方向已知两个干扰及其方向选取两个指向干扰方向的波束。选取两个指向干扰方向的波束。一、分析一、分析Gabriel方法：方法： （干扰（干扰2）(目标目标)（干扰（干扰1）最优准则：最优准则：西安电子科技大学雷达信号处理实验室西安电子科技大学雷达信号处理实验室西安电子科技大学雷达信号处理实验室西安电子科技大学雷达信号处理实验室 18部分自
15、适应阵列处理技术图图3.7用用“辅助天线辅助天线”的主瓣对消的主瓣对消“主天线主天线”的旁瓣的旁瓣干扰干扰西安电子科技大学雷达信号处理实验室西安电子科技大学雷达信号处理实验室西安电子科技大学雷达信号处理实验室西安电子科技大学雷达信号处理实验室 19部分自适应阵列处理技术西安电子科技大学雷达信号处理实验室西安电子科技大学雷达信号处理实验室西安电子科技大学雷达信号处理实验室西安电子科技大学雷达信号处理实验室 20部分自适应阵列处理技术二二、分析分析Adams方法方法 注意各波束在旁瓣区共零点，可行成宽的凹口。注意各波束在旁瓣区共零点，可行成宽的凹口。可用较少的波束进行自适应处理来抑制密集型的多可用
16、较少的波束进行自适应处理来抑制密集型的多干扰（连片杂波）。如图干扰（连片杂波）。如图3.8密集型干扰密集型干扰图图3.8用用“辅助天线辅助天线”的旁瓣对消的旁瓣对消“主天线主天线”的旁瓣的旁瓣凹口凹口西安电子科技大学雷达信号处理实验室西安电子科技大学雷达信号处理实验室西安电子科技大学雷达信号处理实验室西安电子科技大学雷达信号处理实验室 21部分自适应阵列处理技术4.4基于广义旁瓣相消器的部分基于广义旁瓣相消器的部分自适应设计自适应设计 最优波束形成：最优波束形成：指向目标的导向矢量（固定）。：指向目标的导向矢量（固定）。：西安电子科技大学雷达信号处理实验室西安电子科技大学雷达信号处理实验室西安
17、电子科技大学雷达信号处理实验室西安电子科技大学雷达信号处理实验室 22部分自适应阵列处理技术在在计计算算最最优优权权时时，实实际际上上只只需需计计算算。更更进进一一步步，在在已已知知一一组组基基矢矢量量时时，为为计计算算，只涉及只涉及p个参数个参数（pN）。）。：自适应权，依赖于数据。：自适应权，依赖于数据。：固定权（匹配：固定权（匹配filter）更更 一一 般般 最最 优优 波波 束束 形形 成成 ：（LCMV）西安电子科技大学雷达信号处理实验室西安电子科技大学雷达信号处理实验室西安电子科技大学雷达信号处理实验室西安电子科技大学雷达信号处理实验室 23部分自适应阵列处理技术令令而而满足约束
18、方程。满足约束方程。 上述约束方程可转变为无约束上述约束方程可转变为无约束 西安电子科技大学雷达信号处理实验室西安电子科技大学雷达信号处理实验室西安电子科技大学雷达信号处理实验室西安电子科技大学雷达信号处理实验室 24部分自适应阵列处理技术LCMV处理框图：处理框图：图图3.8广义旁瓣相消器（广义旁瓣相消器（GSC)上支路：上支路：形成目标检测通道形成目标检测通道(是匹配滤波权是匹配滤波权)下下之之路路：形形成成辅辅助助通通道道，用用其其加加权权求求和和去去预预测测检检测测通道中的干扰信号进而对消掉。通道中的干扰信号进而对消掉。要求：要求：下支路中不含目标信号，由下支路中不含目标信号，由 保证
19、。保证。 西安电子科技大学雷达信号处理实验室西安电子科技大学雷达信号处理实验室西安电子科技大学雷达信号处理实验室西安电子科技大学雷达信号处理实验室 25部分自适应阵列处理技术称称 为为信号阻塞矩阵（信号阻塞矩阵（BlockMatrix） 在在上上述述结结构构中中，用用了了L个个约约束束条条件件，全全自自适适应应处处理理的的自自由由度度为为NL个个。由由上上述述结结构构可可方方便便设设计计降降维维处理。如图处理。如图3.9图图3.9西安电子科技大学雷达信号处理实验室西安电子科技大学雷达信号处理实验室西安电子科技大学雷达信号处理实验室西安电子科技大学雷达信号处理实验室 26部分自适应阵列处理技术方
20、法一（方法一（Gabried法）：法）：由指向干扰方向的由指向干扰方向的方法二（方法二（Adams法）：法）：由指向目标方向邻由指向目标方向邻由上图得：由上图得：令令 （合并）（合并） 有两层要求：有两层要求：1)对信号进行阻塞对信号进行阻塞2)是降维矩阵是降维矩阵关于关于 的设计问题：的设计问题： 傅立傅立叶变叶变换基换基矢量矢量波束作为权矢量构成的。波束作为权矢量构成的。近波束权矢量构成。近波束权矢量构成。方法三方法三 由由R的特征分解的特征矢量构成。的特征分解的特征矢量构成。 西安电子科技大学雷达信号处理实验室西安电子科技大学雷达信号处理实验室西安电子科技大学雷达信号处理实验室西安电子科
21、技大学雷达信号处理实验室 27部分自适应阵列处理技术由于阵列天线误差的存在，广义由于阵列天线误差的存在，广义旁瓣相消器的阻塞矩阵并不旁瓣相消器的阻塞矩阵并不能很好地将期望信号阻塞，而使其一部分能量泄漏到辅助支能很好地将期望信号阻塞，而使其一部分能量泄漏到辅助支路中，当信噪比比较高时，辅助支路也含有相当地期望信号路中，当信噪比比较高时，辅助支路也含有相当地期望信号能量，此时会出现严重地上下支路期望信号抵消的现象。能量，此时会出现严重地上下支路期望信号抵消的现象。广义旁瓣相消器广义旁瓣相消器GSC是是LCMV的一种等效的实现结构。的一种等效的实现结构。GSC结构将自适应波束形成的约束化问题转化成无
22、约束化问题，结构将自适应波束形成的约束化问题转化成无约束化问题，分为自适应和非自适应的两个支路：期望信号只能从非自适分为自适应和非自适应的两个支路：期望信号只能从非自适应支路通过，而自适应支路仅含干扰和噪声分量。应支路通过，而自适应支路仅含干扰和噪声分量。改善的方法：改善的方法：西安电子科技大学雷达信号处理实验室西安电子科技大学雷达信号处理实验室西安电子科技大学雷达信号处理实验室西安电子科技大学雷达信号处理实验室 人工注入噪声的方法，即将泄漏的期望信号功率作为惩罚人工注入噪声的方法，即将泄漏的期望信号功率作为惩罚函数，来提高函数，来提高GSC的稳健性（人工注入的噪声必须具有合适）的稳健性（人工
23、注入的噪声必须具有合适）的功率。的功率。28部分自适应阵列处理技术 参考文献：参考文献：参考文献：参考文献：1)L.J.Griffths.Analternativeapproachtolinearlyconstrainedadaptivebeamforming.IEEE Trans.onAP-30(1)1982.27-342)N.K.Jablon,“Adaptivebeamformingwiththegeneralizedsidelobecancellerinthepresenceofarrayimperfections”3)郭庆华，廖桂生，郭庆华，廖桂生，“一种稳健的自适应波束形成器一种稳健
24、的自适应波束形成器”电电子与信息学报，子与信息学报，2004年第一期。年第一期。西安电子科技大学雷达信号处理实验室西安电子科技大学雷达信号处理实验室西安电子科技大学雷达信号处理实验室西安电子科技大学雷达信号处理实验室 波束形成器的稳健性可用它的白噪声增益来衡量，对白波束形成器的稳健性可用它的白噪声增益来衡量，对白噪声增益的限制可用对自适应权向量进行二次不等约束来噪声增益的限制可用对自适应权向量进行二次不等约束来代替，使自适应权向量的范数小于一定的值。代替，使自适应权向量的范数小于一定的值。对对阻塞矩阵进行改进，即把期望信号的理想导向矢量向阻塞矩阵进行改进，即把期望信号的理想导向矢量向信号子空间
25、作投影，得到的导向矢量更加接近于实际的导信号子空间作投影，得到的导向矢量更加接近于实际的导向矢量。向矢量。29部分自适应阵列处理技术4.5频率波数处理频率波数处理W：时间频率时间频率，数字信号处理，时域采样。，数字信号处理，时域采样。k：空间频率矢量空间频率矢量，只能离散处理，空间，只能离散处理，空间采样。采样。Wk处理：就是处理：就是W方向处理。方向处理。 仅方向滤波问题（仅考虑波束形成）。仅方向滤波问题（仅考虑波束形成）。宽带阵列信号：宽带阵列信号：同时刻的不同阵元信号的复包络不同时刻的不同阵元信号的复包络不尽相同尽相同 W方向的滤波问题方向的滤波问题:(宽带阵列信号处理宽带阵列信号处理)
26、西安电子科技大学雷达信号处理实验室西安电子科技大学雷达信号处理实验室西安电子科技大学雷达信号处理实验室西安电子科技大学雷达信号处理实验室 30部分自适应阵列处理技术频域表示：频域表示： 西安电子科技大学雷达信号处理实验室西安电子科技大学雷达信号处理实验室西安电子科技大学雷达信号处理实验室西安电子科技大学雷达信号处理实验室 31部分自适应阵列处理技术宽带阵列处理方法：宽带阵列处理方法：一般结构：多通道横向滤波器。一般结构：多通道横向滤波器。频域处理：频域处理：FFTFFTFFT阵列处理阵列处理IFFT对同频数据进行对同频数据进行类似于窄带阵列类似于窄带阵列处理处理图图3.10西安电子科技大学雷达信号处理实验室西安电子科技大学雷达信号处理实验室西安电子科技大学雷达信号处理实验室西安电子科技大学雷达信号处理实验室 32部分自适应阵列处理技术
