CN107508623A - 一种基于频控分布式电磁矢量传感器的稳健波束形成方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于频控分布式电磁矢量传感器的稳健波束形成方法，属于频控分布式电磁矢量传感器阵列雷达技术领域，包括针对FD‑DEMVS的具体设计步骤及基于变量对角加载的稳健波束形成方法。与传统的最小方差无失真方法相比，本发明阵列输出SINR得到提高，有效地改善了阵列性能；此外，本发明所提出的FD‑DEMVS与紧凑FD‑EMVS相比，其形成的波束因FD‑DEMVS孔径较大而具有更好的分辨力，因此本发明具有在给定区域汇集更高能量的特点。

Description

一种基于频控分布式电磁矢量传感器的稳健波束形成方法

技术领域

本发明属于频控分布式电磁矢量传感器(FD-DEMVS)阵列雷达技术领域，具体涉及一种基于频控分布式电磁矢量传感器的稳健波束形成方法的设计。

背景技术

天线阵列信号处理技术已在雷达、声纳、无线通信及医学信号检测等众多领域得到广泛应用。波束形成作为阵列信号处理技术的重要分支，其性能主要由天线阵列结构、自身的方向特性及相应的波束形成方法共同决定。因此，只有对天线阵列结构和阵列信号处理方法同时优化，才能提高天线系统的整体性能。现有的相位阵阵元发射的是同一相参信号，通过在每个阵元的输出端调整移相器的相移量(权值)便可实现波束的空域扫描、波束方向控制。但相位阵波束仅具有角度依赖性，而不具有距离依赖性。

频控阵(FDA，Frequency Diverse Array)因在同一时间对不同阵元施加不同的频偏，发射相参信号，其波束具有角度-距离二维依赖性。但频控阵没有考虑可提高阵列性能的电磁波磁场信息。极化敏感阵列(PSA，Polarization Sensitive Array)可以同时获得空间传播电磁信号的空间到达信息和极化信息，较相位阵列具有较强的抗干扰能力、系统分辨能力及极化多址能力等优势，但存在与相位阵同样的问题，即极化波束图不具有距离依赖性，限制了其对距离依赖性干扰的应用。紧凑频控电磁矢量传感器(FD-EMVS，FrequencyDiverse Electromagnetic Vector Sensor)的每个天线矢量阵元由不同指向的电偶极子和磁偶极子构成，且在同一时间对不同矢量阵元施加不同的频偏，发射相参信号。PSFDA可以同时提供角度-距离-极化依赖性波束，但达不到期望的阵列性能。

频控分布式电磁矢量传感器(FD-DEMVS，Distributed Frequency DiverseElectromagnetic Vector Sensor)分别由位于给定半径圆环上指向x,y,z轴的电偶极子和磁偶极子构成，且在同一时间对位于不同圆环位置上的偶极子施加不同的频偏，发射相参信号。FD-DEMVS不仅可以提供同FD-EMVS相同的角度-距离-极化依赖性波束，而且具有更好的空域-距离域-极化域分辨力，阵列输出SINR(Signal to Interference plus NoiseRatio，信噪比)高，另外，目前针对导向向量失配的情况下没有有效的FD-DEMVS波束形成方法，亦没有对FD-DEMVS的具体相关应用提供相应方法。

发明内容

本发明的目的是针对背景技术存在的缺陷，提出了一种基于频控分布式电磁矢量传感器的稳健波束形成方法，以通过改变天线阵列结构设计和波束形成方法获得FD-DEMVS稳健角度-距离-极化依赖特性波束，并进一步提高阵列输出SINR。

本发明的技术方案为：一种基于频控分布式电磁矢量传感器的稳健波束形成方法，包括以下步骤：

S1、确定频控分布式电磁矢量传感器的空间结构：根据给定的阵列尺寸、天线阵元数、天线阵元间距和FD-DEMVS半径，在每个天线上分别放置指向x,y,z坐标轴的电偶极子和磁偶极子，构成频控分布式电磁矢量传感器。

S2、根据频控分布式电磁矢量传感器的空间结构设置各天线阵元对应的频率增量：在x-y平面内，以FD-DEMVS的中心作为参考点，以位于处的天线阵元作为第1个天线阵元，沿FD-DEMVS圆环逆时针方向依次记为第2个天线阵元，第3个天线阵元，...，第N个天线阵元；R为FD-DEMVS半径，N为天线阵元数；根据“点”形波束图形成原理，以各天线阵元序号的3次方形式设计该天线阵元的频率增量。

S3、根据频控分布式电磁矢量传感器各天线阵元对应的频率增量，采用变量对角加载(Variable Diagonal，VL)波束形成方法确定该FD-DEMVS的天线加权向量；根据天线加权向量设置各放大器增益参数，以确定FD-DEMVS的角度-距离-极化波束图。

本发明的有益效果是：本发明采用变量对角加载形式的稳健角度-距离-极化波束形成方法，在输入相同SNR的情况下获得更大的输出SINR；此外，本发明所提出的FD-DEMVS与紧凑FD-EMVS相比，其形成的波束因FD-DEMVS孔径较大而具有更好的分辨力，因此本发明具有在给定区域汇集更高能量的特点。

附图说明

图1所示为本发明实施例提供的一种基于频控分布式电磁矢量传感器的稳健波束形成方法流程图。

图2所示为本发明实施例提供的频控分布式电磁矢量传感器示意图。

图3所示为本发明实施例提供的未失配情况下输出SINR与输入SNR对应曲线示意图。

图4所示为本发明实施例提供的未失配情况下输出SINR与快拍数对应曲线示意图。

图5所示为本发明实施例提供的方向角(3度)及距离(200米)同时失配情况下输出SINR与输入SNR对应曲线示意图。

图6所示为本发明实施例提供的方向角(3度)及距离(200米)同时失配情况下输出SINR与快拍数对应曲线示意图。

具体实施方式

现在将参考附图来详细描述本发明的示例性实施方式。应当理解，附图中示出和描述的实施方式仅仅是示例性的，意在阐释本发明的原理和精神，而并非限制本发明的范围。

本发明实施例以一个S波段FD-DEMVS为例，提供了一种基于频控分布式电磁矢量传感器的稳健波束形成方法，如图1所示，包括以下步骤：

S1、确定频控分布式电磁矢量传感器的空间结构：根据给定的阵列尺寸、天线阵元数、天线阵元间距和FD-DEMVS半径，在每个天线上分别放置指向x,y,z坐标轴的电偶极子和磁偶极子，构成频控分布式电磁矢量传感器。

本发明实施例中，天线阵列的工作波长为15cm，并工作在60cm的孔径范围内，天线阵元数N＝6，天线阵元间距d＝0.3m，FD-DEMVS半径R＝30cm。电偶极子采用垂直电流线圈实现，磁偶极子由电流环构成。分别把指向x,y,z坐标轴的3个电偶极子(分别记为E_x,E_y,E_z)和3个磁偶极子(分别记为H_x,H_y,H_z)均匀放置在半径为30cm的圆环上，构成频控分布式电磁矢量传感器，如图2所示。

S2、根据频控分布式电磁矢量传感器的空间结构设置各天线阵元对应的频率增量：在x-y平面内，以FD-DEMVS的中心作为参考点，以位于处的天线阵元作为第1个天线阵元，沿FD-DEMVS圆环逆时针方向依次记为第2个天线阵元，第3个天线阵元，...，第N个天线阵元。根据“点”形波束图形成原理，以各天线阵元序号的3次方形式设计该天线阵元的频率增量。则第n个天线阵元的频率增量Δf_n为：

Δf_n＝(n-1)³Δf (1)

其中n＝1,2,...,N，Δf为特定频率增量。

本发明实施例中，天线阵元数N＝6，FD-DEMVS半径R＝30cm。则在x-y平面内，以位于处的天线阵元作为第1个天线阵元，以FD-DEMVS的中心作为参考点，以位于(0cm,30cm)，处的天线阵元依次作为第2个、第3个、第4个、第5个和第6个天线阵元。

将特定频率增量Δf＝30KHz代入公式(1)，求得本发明实施例中各天线阵元的频率增量依次为0、30、240、810、1920、3750(单位为KHz)。

S3、根据频控分布式电磁矢量传感器各天线阵元对应的频率增量，采用变量对角加载波束形成方法确定该频控分布式电磁矢量传感器的天线加权向量，形成稳健的角度-距离-极化波束图。

根据自适应抑制干扰和去除噪声影响的准则，采用变量对角加载波束形成方法确定该FD-DEMVS的天线加权向量w：

其中λ_n和u_n分别为FD-DEMVS输出数据的协方差矩阵R_z＝E{Z(t)Z^H(t)}特征值分解对应的特征值和相应特征向量，其中s_k(t)为第k个目标信号源，n(t)为高斯白噪声，为噪声的能量，T为快拍数，max{·}为取大值操作算子，(·)^H为共轭转置运算，k＝1,2,...,K，K为目标信号源个数。针对第k个目标的方位导向向量记为：

其中： χ＝30°+60°(n-1)，f_n＝f₀+Δf_n，n＝1,2,...,N，c为光速，f₀为阵列工作频率，为针对第k个目标的方位及极化信息，其中θ_k,φ_k分别为第k个目标的方向角和俯仰角，α_k,β_k分别为第k个目标的极化椭圆的方向角和椭率角，r_k为第k个目标与FD-DEMVS之间的距离。

本发明实施例中，期望目标方位干扰目标方位期望目标方位的方位导向向量为：干扰目标方位的方位导向向量为： FD-DEMVS输出数据的协方差矩阵为：

R_z特征值分解对应的特征值λ_n(n＝1,2,...,6)分别为0.0099，0.0101，0.0111，0.0113，1.9676，20.7097，相应的特征向量分别为：

噪声的能量阵列工作频率f₀＝2×10⁹Hz，快拍数T＝1024。将上述各参数分别代入公式(2)，求得本发明实施例中方向角(3度)及距离(200米)同时失配时FD-DEMVS的天线加权向量为：

w＝[-0.3168-j*0.2756 0.1710-j*0.5945 0.4723+j*0.2529 -0.6410+j*0.2529-0.3180-j*0.2767 1.5915-j*0.0584]^T

根据天线加权向量w设置各放大器增益参数，以确定FD-DEMVS的角度-距离-极化波束图。

如图3所示，在阵列导向向量未失配的情况下，本发明提供的变量对角加载波束形成方法FD-DEMVS VL的输出SINR与传统最小方差无失真FD-DEMVS MVDR方法相接近，两者的输出SINR均高于FD-EMVS MVDR。

图4所示为当输入SNR＝10dB时，各波束形成器输出SINR与快拍数T之间的关系，本发明提供的FD-DEMVS VL方法对应的输出SINR始终与FD-DEMVS MVDR方法相当，高于FD-EMVS MVDR方法10dB左右。

图5所示为阵列导向向量方向角(3度)及距离(200米)同时失配情况下，随着输入SNR的增大，本发明提供的FD-DEMVS VL方法的输出SINR远高于FD-DEMVS MVDR，且高于FD-EMVS MVDR。

图6所示为输入SNR＝10dB时，方向角(3度)及距离(200米)同时失配情况下，各波束形成器输出SINR与快拍数T之间的关系，本发明提供的FD-DEMVS VL方法对应的输出SINR始终高于FD-DEMVS MVDR及FD-EMVS MVDR方法9dB左右。

综上所述，本发明提供的变量对角加载波束形成方法FD-DEMVS VL优于现有的FD-DEMVS MVDR及FD-EMVS MVDR方法。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种基于频控分布式电磁矢量传感器的稳健波束形成方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、确定频控分布式电磁矢量传感器的空间结构；

S2、根据频控分布式电磁矢量传感器的空间结构设置各天线阵元对应的频率增量；

S3、根据频控分布式电磁矢量传感器各天线阵元对应的频率增量，采用变量对角加载波束形成方法确定该频控分布式电磁矢量传感器的天线加权向量，形成稳健的角度-距离-极化波束图。

2.根据权利要求1所述的稳健波束形成方法，其特征在于，所述步骤S1具体为：

根据给定的阵列尺寸、天线阵元数、天线阵元间距和FD-DEMVS半径，在每个天线上分别放置指向x,y,z坐标轴的电偶极子和磁偶极子，构成频控分布式电磁矢量传感器。

3.根据权利要求2所述的稳健波束形成方法，其特征在于，所述电偶极子采用垂直电流线圈实现，所述磁偶极子由电流环构成。

4.根据权利要求2所述的稳健波束形成方法，其特征在于，所述步骤S2具体为：

在x-y平面内，以FD-DEMVS的中心作为参考点，以位于处的天线阵元作为第1个天线阵元，沿FD-DEMVS圆环逆时针方向依次记为第2个天线阵元，第3个天线阵元，...，第N个天线阵元；R为FD-DEMVS半径，N为天线阵元数；根据“点”形波束图形成原理，以各天线阵元序号的3次方形式设计该天线阵元的频率增量。

5.根据权利要求4所述的稳健波束形成方法，其特征在于，所述设计天线阵元的频率增量的具体方法为：

第n个天线阵元的频率增量Δf_n为：

Δf_n＝(n-1)³Δf (1)

其中n＝1,2,...,N，Δf为特定频率增量。

6.根据权利要求5所述的稳健波束形成方法，其特征在于，所述步骤S3具体为：

根据自适应抑制干扰和去除噪声影响的准则，采用变量对角加载波束形成方法确定该FD-DEMVS的天线加权向量w：

<mrow> <mi>w</mi> <mo>=</mo> <munderover> <mo>&amp;Sigma;</mo> <mrow> <mi>n</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mi>N</mi> </munderover> <mfrac> <mrow> <msubsup> <mi>u</mi> <mi>n</mi> <mi>H</mi> </msubsup> <mi>g</mi> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>&amp;theta;</mi> <mi>k</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> <mrow> <msub> <mover> <mi>&amp;lambda;</mi> <mo>^</mo> </mover> <mi>n</mi> </msub> <mo>+</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mi>&amp;gamma;</mi> <mo>/</mo> <msub> <mi>&amp;lambda;</mi> <mi>n</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mfrac> <msubsup> <mi>u</mi> <mi>n</mi> <mi>H</mi> </msubsup> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>2</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>

其中λ_n和u_n分别为FD-DEMVS输出数据的协方差矩阵R_z＝E{Z(t)Z^H(t)}特征值分解对应的特征值和相应特征向量，其中s_k(t)为第k个目标信号源，n(t)为高斯白噪声，为噪声的能量，T为快拍数，max{·}为取大值操作算子，(·)^H为共轭转置运算，k＝1,2,...,K，K为目标信号源个数；针对第k个目标的方位导向向量记为：

其中： χ＝30°+60°(n-1)，f_n＝f₀+Δf_n，n＝1,2,...,N，c为光速，f₀为阵列工作频率， 为针对第k个目标的方位及极化信息，其中θ_k,φ_k分别为第k个目标的方向角和俯仰角，α_k,β_k分别为第k个目标的极化椭圆的方向角和椭率角，r_k为第k个目标与FD-DEMVS之间的距离；

根据天线加权向量w设置各放大器增益参数，以确定FD-DEMVS的角度-距离-极化波束图。