阵列天线波束成型方法研究报告

阵列天线波束形成方法研究报告XXXX-XXXX-XXXX-XXXXV1.0天津市智能信号与图像处理重点实验室2014年2月10日内部阵列天线波束成型方法研究报告天津市智能信号与图像处理重点实验室第2页修订历史记录日期版本文档负责人修改内容2014-2-10V1.0刘亚洲创建文档阵列天线波束成型方法研究报告天津市智能信号与图像处理重点实验室第3页编制姓名签字日期电话刘亚洲审查姓名签字日期电话审核姓名签字日期电话批准姓名签字日期电话文档评审负责人：参加评审人员：阵列天线波束成型方法研究报告天津市智能信号与图像处理重点实验室第4页目录1引言...............................................................................................................................................51.1设计目的.............................................................................................................................51.2使用范围.............................................................................................................................51.3参考资料.............................................................................................................................51.4文档组织.............................................................................................................................52阵列天线模型................................................................................................................................62.1均匀线阵模型.....................................................................................................................62.2均匀圆阵模型...................................................................................................................103波束成形方法..............................................................................................................................123.1Bartlett算法.......................................................................................................................123.2MMSE算法.......................................................................................................................123.3CAPON算法.....................................................................................................................133.4LCMV算法.......................................................................................................................144仿真结果......................................................................................................................................174.1仿真参数设置...................................................................................................................174.2均匀线阵仿真结果...........................................................................................................194.2.1Bartlett算法性能....................................................................................................194.2.2MMSE算法性能....................................................................................................214.2.3CAPON算法性能..................................................................................................224.2.4LCMV算法性能....................................................................................................244.2.5小结........................................................................................................................264.3均匀圆阵仿真结果...........................................................................................................284.3.1LCMV算法性能....................................................................................................285总结.............................................................................................................................................31阵列天线波束成型方法研究报告天津市智能信号与图像处理重点实验室第5页1引言1.1设计目的本报告通过介绍阵列信号处理模型理论，推导给出了Bartlett、MMSE、Capon、LCMV四种波束成形算法，仿真给出四种算法均匀线阵和LCMV算法均匀圆阵的波束成形性能评估曲线。本报告为宽带航空数据链波束成形方法奠定了新的方向。1.2使用范围该文档适用于实验室内部。1.3参考资料[1]通信信号处理-第11章张贤达保铮编著国防工业出版社，2002[2]几种波束形成算法的性能分析杨玉军著中铁第十一局集团电务工程有限公司430071[3]约束波达形成及波达方位估计算法研究李雪静编著CNKITN911.7，20081.4文档组织报告第二部分给出了阵列信号数学模型；第三部分推导了Bartlett、MMSE、CAPON、LCMV四种波束成形算法；第四部分仿真了Bartlett、MMSE、Capon、LCMV四种算法的波束成形性能曲线；第五部分对报告进行了总结。阵列天线波束成型方法研究报告天津市智能信号与图像处理重点实验室第6页2阵列天线模型2.1均匀线阵模型d移动台......图1均匀线阵几何模型在图1所示等间距线阵中，设阵元个数为M，阵元间隔为d，共有P个信源，满足MP，波达方向为1,...,,P，以阵列的第一个阵元为基准，各信号源在基准阵元的复包络分别记为1(),...,()Pstst，则在第m个阵元上第k次快拍的采样值为：2(1)sin1()()()iPjmdmimixkskenk(1)其中，()mnk为第m个阵元上的噪声。将各阵元上第k个快拍的采样值写成：()()()kkkxAsn(2)式中122sin(1)sin11[(),...,()]()[1,,...,]()[(),...,()]()[(),...,()]iiPjjMTiTPTMeekskskknknkAaaasn(3)同时定义阵列的协方差矩阵为：()()EkkHRxx(4)波束成形的基本思想是：将各阵元的输出信号经过加权求和后，在天线方向图上形成规定指向的主波束，而抑制掉其他方向的干扰信号波束。阵列天线波束成型方法研究报告天津市智能信号与图像处理重点实验室第7页.........自适应信号处理器传感器1传感器2传感器阵列输出可利用的信息M()yt1()xt2()xt()Mxt1w2wMw移动台图2阵列信号处理示意图图2所示的“导向”作用是通过调整加权系数完成的，各阵元的接收信号()xn与各个阵元权值加权求和后得到阵列输出信号。令加权向量为1,...,TMwww，则阵列输出可写作：*1()()()MmmmynnwxnHwx(5)由式(5)可知，不同的权向量对来自不同方向的电波具有不同的响应，从而在不同方向形成波束，因此不同算法的最终目的旨在寻找最优的w，使得输出信号在天线阵列方向图上显示为期望信号方向上生成主波束，干扰信号波束方向形成抑制。考虑到各阵元上接收信号的振幅相同，采用移相器做加权处理，只调整信号的相位，不改变信号幅度。不难看出，若空间只有一个来自方向k的电波，其方向向量为()ka,则当权向量w取作()ka时，输出信号()()HkkynaaM为最大，此时的各路加权信号相干叠加。现考虑存在干扰信号的复杂波束成形场景：令空间远场存在波达方向为d的期望信号()dt和J个波达方向为ji的干扰信号,1,...jitjJ，同时各阵元上存在具有相同方差的噪声()knt，于是第k个阵元上的接收信号记为：1()()()()()()jJKkdkijkjxtadtaitnt(6)等式右边三项分别表示信号、干扰和噪声。若用矩阵可表示为：阵列天线波束成型方法研究报告天津市智能信号与图像处理重点实验室第8页111122()()()()()()...(),(),...,()......()