宽零点约束的圆阵宽带波束形成研究

宽零点约束的圆阵宽带波束形成研究

张曙;栾晓明;李亮;蒋毅

【摘要】在实现具有良好抗干扰能力的阵列宽带波束形成的过程中，经常要面临宽零点约束的方向图综合问题。提出了最小最大旁瓣宽零点约束算法

（ MMSLC），优化了波束对消器零点的设置方法，以比传统的算法减少所需设置的零点数目，实现了宽零点约束的方向图，提高了圆阵宽带波束形成算法的有效性。仿真结果显示MMSLC算法较传统算法的优越性。%In the process of realizing array wideband beamforming with well anti⁃interfere properties, researchers are often faced with the problem of array pattern synthesis with broad null constraint. By using the principle of minimum mean square error ( MMSE) , the optimal synthesis method of array side⁃lobe cancellers based on optimum min⁃max side⁃lobe constraint ( MMSLC) algorithm is given in this paper. The algorithm optimizes the ways of setting zeros of beam cancellers, decreases the number of setting zeros required in traditional algorithms, realizes the broad null constraint pattern, and improves the validity of circular array wideband beamforming algorithms. The simulation showed that MMSLC algorithm improves the performance of beam cancellers, and it is superior to the traditional al⁃gorithms.

【期刊名称】《哈尔滨工程大学学报》

【年(卷),期】2014(000)010

【总页数】5页(P1260-1264)

【关键词】阵列宽带波束形成;阵列方向图综合;波束对消器;宽零点约束;最小最大旁瓣宽零点约束算法

【作者】张曙;栾晓明;李亮;蒋毅

【作者单位】哈尔滨工程大学信息与通信工程学院，黑龙江哈尔滨 150001;哈尔滨工程大学信息与通信工程学院，黑龙江哈尔滨 150001;中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北石家庄050081;哈尔滨工程大学信息与通信工程学院，黑龙江哈尔滨 150001

【正文语种】中文

【中图分类】TN911.7

阵列及阵列信号处理技术现在不仅在雷达、水声等领域中得到广泛的应用，同时也在更广泛的技术领域，如通信、医疗技术中的MR、CT，天文射电探测，地球物理勘探技术的地震探测中，发挥越来越重要的作用。

由于阵列能提供空间各方向上的信号信息特征，因此与单天线系统相比可以实现空域滤波即空间波束形成(beamforming，BF)，大大提高信号检测和估计的性能，实现提取有用信号的同时，抑制干扰信号的目的。波束形成技术及波达方向DOA(direction of arrival)估计技术是阵列信号处理技术的2个主要研究方向。而随着信号带宽的增长，阵列面对的信号已从窄带信号转变为宽带信号，发展相应的宽带波束形成技术是当前的研究热点［1-3］。

随着海战环境的高度信息化，对舰载通信的高速化、宽带化及抗干扰能力提出了更高的要求，因此将舰载通信从传统的窄带的广播方式演进为基于阵列天线的宽带点对点的波束模式已成为现实的紧迫任务。而具有良好抗干扰能力的阵列宽带波束形

成技术成为了未来舰载宽带波束通信的关键。由于宽带阵列主波束指向及零陷波束位置会随频率的改变而发生偏移，因而需要形成更宽角度范围的零陷波束以对抗宽波束干扰。

1 宽带波束形成算法描述

相对于宽带波束形成技术，窄带自适应波束形成技术已经基本成熟，无论是基于最小方差无畸变响应MVDR(minimum variance distortionless response)［4］还是基于最小均方误差 LMS(least mean square)［5］的这两类方法都得到了广泛的应用。但对于宽带阵列而言，由于存在空间和时间的色散效应，上述两类窄带波束形成方法都不能直接使用。现在主要采用的办法是频率切片法［6］，即将宽带信号切分成若干个频率柜，然后对每个频率柜对应的窄带信号进行相应的波束形成和干扰抑制。显然频域波束形成方法的效果好坏与频率柜的划分有很大的关系，频率柜分得越细，效果会越好，但带来的算法复杂度也会明显提高。

对于宽带波束形成，Applebaum证明了在单一干扰源的全自适应阵列中，消除干扰等效于用整个阵列形成的均匀照射的静态方向图以及加权波束来消除干扰信号［7］。Mailloux进一步证明了如果阵列自由度足够，则宽带干扰的阵列方向图可以通过在干扰信号附近设置额外零点进行自适应［8］，也就是说要在阵列方向图的干扰方向上构造足够宽的凹槽，即阵列方向图要有宽零点约束。国内外学者在研究宽零点约束下的宽带波束形成的关键技术方面作了许多工作［8］。Steyskal提出线阵宽带组合零点凹槽算法［9］，对16阵元ULA通过均匀设置6个零点，实现了宽度为9°的宽零陷。李宁等［10］在16阵元均匀线阵(ULA)上实现了5°和10°的组合宽零点。但这样的凹槽宽度经常是不够的，例如当采用宽带切换波束形成时，可能需要30°甚至更宽的宽零陷。为了获得更宽的凹槽，就需要设置更多的零点，也就需要更大的阵列孔径，消耗更多的阵列自由度。特别对于圆阵而言，由于其阵列自由度少于线阵，因此需要研究更有效的宽零点约束算法。