非理想环境下自适应波束形成算法研究

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1、分类号：密级：UDC：编号：工学硕士学位论文非理想环境下自适应波束形成算法研究硕士研究生：雷舒杰指导教师：王伟教授学科、专业：控制科学与工程论文主审人：周卫东教授哈尔滨工程大学2018年3月分类号：密级：UDC：编号：工学硕士学位论文非理想环境下自适应波束形成算法研究硕士研究生：雷舒杰指导教师：王伟教授学位级别：工学硕士学科、专业：控制科学与工程所在单位：自动化学院论文提交日期：2018年1月论文答辩日期：2018年3月学位授予单位：哈尔滨工程大学ClassifiedIndex:U.D.C:ADissertationfortheDegreeofM.EngR

2、esearchonAdaptiveBeamformingAlgorithmsunderNonidealConditionsCandidate:LeiShujieSupervisor:Prof.WangWeiAcademicDegreeAppliedfor:MasterofEngineeringSpecialty:ControlScienceandEngineeringDateofSubmission:January,2018DateofOralExamination:March,2018University:HarbinEngineeringUnivers

3、ity哈尔滨工程大学学位论文原创性声明本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。作者（签字）：日期：年月日哈尔滨工程大学学位论文授权使用声明本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨工程大学有权保留并向国家有关部门

4、或机构送交论文的复印件。本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。本论文（□在授予学位后即可□在授予学位12个月后□解密后）由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。作者（签字）：导师（签字）：日期：年月日年月日非理想环境下自适应波束形成算法研究摘要波束形成算法被普遍应用到无线通信、语音处理、雷达、声呐、医学成像和其他领域。然而

5、在实际应用中会存在各种误差源，如阵列天线位置不理想、阵元间互耦效应、角度估计不准确、有限采样快拍数、有色噪声环境以及高动态环境等，以上因素均会影响波束形成器输出性能，严重时甚至造成其性能失效。因此，提高非理想环境下波束形成算法的输出性能成为众多学者聚焦所在。本文对波束形成算法的基本理论知识进行了简要概述，分析了常见的非理想条件对波束形成算法的影响，并提出相应的改进方法。具体如下：有限快拍数和有色噪声会导致自适应波束形成算法波形发生畸变，针对该问题提出了两种修正算法：有色噪声下基于约束Kalman波束形成算法和双稳健性波束形成算法。有色噪声下基于约束Kalm

6、an波束形成算法将Kalman滤波应用到波束形成领域内，大大提高了算法的收敛速度，并通过对有色噪声建模扩充Kalman滤波算法中的状态方程和量测方程，来消除有色噪声环境下波束形成算法波形畸变问题；双稳健性波束形成算法则是通过自适收缩因子方法来修正协方差矩阵，然后采用修正后的协方差矩阵对有色噪声进行估计，来消除有色噪声环境下波束形成算法波束畸变问题。仿真结果表明有色噪声下基于约束Kalman波束形成算法的收敛速度较快，并且算法的输出SINR得到明显的提升，但是该算法的复杂度较高，而双稳健性波束形成算法则能够在较低复杂度的情况下仍具有较好的输出性能。期望信号导

7、向矢量角度失配会导致自适应波束形成算法在期望信号方向上形成不了主波束，严重时会造成期望信号相消现象。为了解决该问题，幅值响应约束被广泛应用到波束形成理论里，但是其在有限快拍数下旁瓣增益水平较高，针对该问题，提出了一种基于幅值约束与稀疏约束双约束下稳健波束形成算法。该算法利用阵列天线的稀疏性，在目标函数中添加一个稀疏约束来保证期望信号方向无失真接收而其他角度方向上增益为0。该算法通过将稀疏约束添加到幅值约束算法目标函数中，同时对波束图的主瓣和旁瓣进行约束，保证算法在角度失配等非理想情况下仍具有较高的输出性能。理论分析与仿真实验均验证了所提算法的有效性。通常情

8、况下阵列接收数据中都包含期望信号，直接使用阵列接收数据协方差矩阵求