突破期望信号功率制约的稳健波束形成技术研究

It is well known that adaptive beamforming techniques can improve the performance of the array antenna. However, they are facing some difficulties when transforming the theory to the application. This problem is mainly caused by the errors in practical systems and the high computation complexity of beamforming algorithms. Consequently, developing fast and effective robust beamforming algorithms is of significant importance in practical engineering applications.Although there are many fast and robust beamforming algorithms in current literatures, most of them are constrained by the power of the desired signals and they are only suitable for the cases with either too high or too low power, which limits the application of robust beamforming algorithms in some areas. Considering the problem mentioned above, this research is conducted to find out the key factors of the phenomenon that the algorithms are affected by the power constaint, on condition that the current exiting algorithms are well studied.Meanwhile, the problem that how to break through the power constraint of desired signals is considered in this research, aiming at adapting the bobust algorithms to a more extensive area. Finally, by employing reduced dimension techniques and adaptive iterative algorithms, fast beamforming algorithms without the power constraint on desired signals are developed. This reaserch will provide theoretical guidance for implementig the algorithms to practical application.

自适应波束形成技术可以提高阵列天线的性能。然而波束形成技术从理论到应用转化存在一定的困难。造成这个问题的原因主要是：实际系统中的误差和波束形成算法的高计算量。由此可见，快速有效的稳健波束形成算法才是实际工程应用所需求的。虽然，人们已经致力于研究快速有效的稳健波束形成算法，但是这些算法大都受限于期望信号功率的动态制约。它们要么只适用于期望信号功率低的时候，要么只适用于期望信号功率高的情况。这一现象限制了稳健波束形成算法在某些领域的应用。 . 本项目将针对上述问题，在对多种已有成熟算法及其原理进行深入分析的基础上，寻找出算法受期望信号功率制约的关键因素，并对算法如何突破期望信号功率制约的科学问题开展研究，使得算法可以适应更广泛的领域需求；在波束器可突破期望信号功率制约的前提下，发展基于降维和易于实时更新的稳健波束形成理论和算法，为算法走向实用化提供理论指导。

自适应波束形成在在军事和民用领域的广泛应用推动了稳健波束形成技术的发展。然而现有的大部分稳健波束形成技术都只在期望信号功率比较低时取得较好的性能，而在期望信号功率较高时性能恶化严重。本项目主要研究可突破期望信号功率制约的稳健波束形成技术，主要研究内容和贡献为：. 1)寻求波束形成算法中期望信号功率制约其性能的关键因素。这部分主要是深入分析了有限快拍数下期望信号功率对MVDR算法和旁瓣对消算法的性能影响。通过深入剖析这两大类算法原理，找到了期望信号功率制约波束形成性能的关键因素。这将为探寻波束形成算法突破期望信号功率制约的方法奠定基础。. 2)研究波束形成器中可使算法突破期望信号功率制约的方法。这里主要是研究和发展了六种可突破期望信号功率制约的稳健波束形成技术。其中三种是基于期望信号存在DOA失配的稳健波束形成技术，而剩下的三种是基于同时存在互耦和期望信号DOA失配的情况的稳健波束形成技术。这些方法在弱期望信号背景下和强期望信号背景下都可以保持良好且稳定的性能，而且其中有一种方法还可以进行相干干扰的稳健抑制。. 3)研究基于降维的稳健波束形成技术。由于旁瓣对消技术是一种典型的降维处理方式，这里研究了三种可解决期望信号存在DOA失配问题的稳健的旁瓣对消方法。. 4)研究基于自适应迭代的稳健波束形成算法。主要是研究了一种基于LMS方法迭代的可突破期望信号功率制约的稳健波束形成算法。该方法在期望信号DOA失配程度不大的 情况下，在大动态范围期望信号功率的情况下依旧保持稳定的良好的性能，而且更易于工程实现。. 这些研究结果使得波束形成算法可以适应更广泛的领域需求，还可以为算法的实际应用处理提供理论指导。