雙重優(yōu)化的寬帶聚焦波束形成算法研究

畢楊，王英民，王奇

摘要：目的：在寬帶信號的波束形成算法的研究中，通常使用相干信號子空間法（CSM），CSM 中的聚焦操作充分地綜合了寬帶信息，使聚焦后的信號協(xié)方差矩陣保持滿秩，該算法運算量小、估計精度高，能夠有效地克服信號抵消、擴展檢測及分辨門限，能夠處理多途環(huán)境問題。聚焦矩陣的構造是CSM 的核心，聚焦矩陣的構造方法對CSM 的估計性能起著決定性的作用。確定聚焦矩陣時，有兩個因素決定最終的聚焦效果。一個是對初始方向的估計，另一個是選擇的聚焦頻率。對初始方向估計的偏差和聚焦頻率選擇的偏差都會影響最終的聚焦效果，甚至會使算法失效。針對這個缺陷，需要從最佳聚焦頻率和最佳聚焦矩陣兩個方面對算法進行優(yōu)化。方法：首先，利用最佳聚焦頻率的確定方法確定出最佳的聚焦頻率，然后，利用穩(wěn)健Capon 波束形成算法（RCB）算法對聚焦矩陣進行修正，使寬帶信號通過修正的聚焦矩陣全部聚焦在最佳聚焦頻率上，最后，對窄帶數(shù)據(jù)利用二階錐方法實現(xiàn)波束形成。結果：對最佳聚焦頻率的有效性進行了驗證，仿真結果表示通過聚焦變換在最佳聚焦頻率上的寬帶聚焦波束圖的效果是最優(yōu)的。對基于RCB 優(yōu)化的寬帶聚焦波束形成算法進行了驗證，仿真結果表明RCB 算法在寬帶聚焦波束形成中對聚焦矩陣有效地進行了修正。對基于最佳聚焦頻率的二階錐寬帶聚焦波束形成算法進行了驗證，仿真結果表明與常規(guī)波束形成算法相比較二階錐寬帶聚焦波束形成算法有更好的波束形成效果。對雙重優(yōu)化的寬帶聚焦波束形成算法進行了仿真以及湖試實驗驗證，結果表明，該算法在保證波束恒定的前提下，在各個頻率點都具有更低的旁瓣級。結論：利用RCB 算法修正聚焦矩陣，使寬帶信號聚焦在此頻帶范圍的最佳聚焦頻率上，再利用基于二階錐的最低旁瓣波束形成算法。這不僅彌補了在確定聚焦矩陣時，對初始方向估計的偏差對聚焦效果的影響，還考慮到聚焦頻率選擇的偏差對聚焦效果的影響。因此雙重優(yōu)化的寬帶聚焦波束形成算法在保證波束恒定的前提下，在不同的頻率點處的旁瓣級更低，波束形成效果更優(yōu)。

來源出版物：兵工學報, 2017, 38(8): 1563-1571

入選年份：2017