CN108875097A - 一种基于干扰功率谱的天线方向图综合方法 - Google Patents

一种基于干扰功率谱的天线方向图综合方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于干扰功率谱的天线方向图综合方法。首先搭建基于干扰功率谱的天线方向图综合系统，包括：期望方向图构建模块、干扰功率谱初始化模块、引导向量构建模和赋形方向图获取模块；然后通过建立期望方向图描述，初始化干扰功率谱密度，之后建立引导向量，根据期望方向图迭代计算功率谱直至综合方向图满足期望的起伏电平。本发明的方法解决了利用干扰功率谱对主瓣或者主瓣附近的功率方向图形状赋形的问题，实现了基于干扰功率谱进行全角度域天线方向图的综合。

Description

一种基于干扰功率谱的天线方向图综合方法
技术领域
本发明涉及一种天线方向图综合方法，特别是一种基于干扰功率谱的天线方向图综合方法。
背景技术
应用自适应阵列理论进行天线方向图综合最早出现在Sureau 和Keeping发表的一篇论文，他们在研究圆柱形天线阵列旁瓣设计时发现噪声强度的分布（干扰功率谱）可以改变天线的旁瓣电平，于是提出了人为创造噪声干扰的环境以达到降低天线旁瓣电平的目的，但是对于给定的旁瓣要求究竟如何选择噪声强度的分布，他们并没有给出具体的方案。之后Dufortm也提出了基于自适应理论的天线方向图综合方法，为了获得所要求的旁瓣电平，Dufortm将干扰功率谱设置为期望天线方向图的倒数，该方法认为干扰功率谱与天线的功率方向图随着角度的变化保持恒定不变，虽然接近但是不够准确，然后根据输出信干噪比最大化原则应用这种方法可以解析地获得权向量，他采用的阵列天线为等间距分布各向同性的。Olen和Compton放弃了Dufortm的近似采用反馈式递归的方法获得干扰功率谱，形成的天线方向图主瓣指向给定方向，旁瓣可以任意赋形。该方法可以应用于包含任意配置阵元的阵列。但是当对主瓣或者主瓣附近的功率方向图形状有要求时，该方法将不能够解决，因而需要作进一步的改进。
发明内容
本发明目的在于提供一种基于干扰功率谱的天线方向图综合方法，解决主瓣或者主瓣附近的天线方向图赋形的问题。
一种基于干扰功率谱的天线方向图综合方法的具体步骤为：
第一步 搭建基于干扰功率谱的天线方向图综合系统
基于干扰功率谱的天线方向图综合系统，包括：期望方向图构建模块、干扰功率谱初始化模块、引导向量构建模和赋形方向图获取模块。
期望方向图构建模块的功能为：建立期望方向图的描述函数；
干扰功率谱初始化模块的功能为：通过对干扰功率谱进行初始化处理来计算协方差矩阵；
引导向量构建模块的功能为：定义引导向量的表达式；
赋形方向图获取模块的功能为：通过迭代计算功率谱得到赋形方向图。
第二步 期望方向图构建模块建立期望方向图的描述
期望方向图构建模块建立期望方向图的描述为：
其中， 为天线方向图主瓣对应的角度区域，为天线方向图角度，为期望的天线方向图赋形函数，为副瓣对应的角度区域。各角度要求的起伏电平为。
第三步 干扰功率谱初始化模块对干扰功率谱进行初始化处理
干扰功率谱初始化模块通过构造干扰功率谱密度interference power spectraldensity，简称IPSD的函数取代直接构造干扰信号来计算协方差矩阵。因为中的元素为自相关函数的采样，而自相关函数则是IPSD的傅立叶逆变换谱，于是建立了二者的联系。初始将IPSD设置为等幅地分布在所有的区域，包括主瓣区域和旁瓣区域，为了改变主瓣波束的形状需要像调整旁瓣区域那样不断改变主瓣内的干扰功率谱密度函数的强度直到满足期望方向图的形状要求。
第四步 引导向量构建模块定义引导向量的表达式
引导向量构建模块建立的引导向量不再是指定某一特定方向的向量，而是主瓣内所有方向引导向量的矢量和：
，
为载波波长，为阵元与阵元的间距，为阵元总数，为天线方向图角度。
建立引导向量能够保证主瓣相对于旁瓣的幅度优势。
第五步 赋形方向图获取模块通过迭代计算功率谱得到赋形方向图
赋形方向图获取模块首先根据引导向量得到方向图的中间m-1次迭代的形式为：
H为共轭转置，为m-1次加权向量，为m-1次的协方差矩阵，，为逆傅立叶变换。
IPSD根据与之间的差异不断调整，对于第次迭代主瓣区域内的IPSD根据下式进行计算
表示起伏电平，为迭代系数，取0.2。因为IPSD是非负的，当出现值小于0时则置0。迭代计算直至主瓣角度区域内都满足的起伏电平要求。
至此完成基于干扰功率谱的天线方向图综合。
本方法解决了利用干扰功率谱对主瓣或者主瓣附近的功率方向图形状赋形的问题，实现了基于干扰功率谱进行全角度域天线方向图综合。
具体实施方式
一种基于干扰功率谱的天线方向图综合方法的具体步骤为：
第一步 搭建基于干扰功率谱的天线方向图综合系统
基于干扰功率谱的天线方向图综合系统，包括：期望方向图构建模块、干扰功率谱初始化模块、引导向量构建模和赋形方向图获取模块。
期望方向图构建模块的功能为：建立期望方向图的描述函数；
干扰功率谱初始化模块的功能为：通过对干扰功率谱进行初始化处理来计算协方差矩阵；
引导向量构建模块的功能为：定义引导向量的表达式；
赋形方向图获取模块的功能为：通过迭代计算功率谱得到赋形方向图。
第二步 期望方向图构建模块建立期望方向图的描述
期望方向图构建模块建立期望方向图的描述为：
其中， 为天线方向图主瓣对应的角度区域，为天线方向图角度，为期望的天线方向图赋形函数，为副瓣对应的角度区域。各角度要求的起伏电平为。
第三步 干扰功率谱初始化模块对干扰功率谱进行初始化处理
干扰功率谱初始化模块通过构造干扰功率谱密度interference power spectraldensity，简称IPSD的函数取代直接构造干扰信号来计算协方差矩阵。因为中的元素为自相关函数的采样，而自相关函数则是IPSD的傅立叶逆变换谱，于是建立了二者的联系。初始将IPSD设置为等幅地分布在所有的区域，包括主瓣区域和旁瓣区域，为了改变主瓣波束的形状需要像调整旁瓣区域那样不断改变主瓣内的干扰功率谱密度函数的强度直到满足期望方向图的形状要求。
第四步 引导向量构建模块定义引导向量的表达式
引导向量构建模块建立的引导向量不再是指定某一特定方向的向量，而是主瓣内所有方向引导向量的矢量和：
，
为载波波长，为阵元与阵元的间距，为阵元总数，为天线方向图角度。
建立引导向量能够保证主瓣相对于旁瓣的幅度优势。
第五步 赋形方向图获取模块通过迭代计算功率谱得到赋形方向图
赋形方向图获取模块首先根据引导向量得到方向图的中间m-1次迭代的形式为：
H为共轭转置，为m-1次加权向量，为m-1次的协方差矩阵，，为逆傅立叶变换。
IPSD根据与之间的差异不断调整，对于第次迭代主瓣区域内的IPSD根据下式进行计算
表示起伏电平，为迭代系数，取0.2。因为IPSD是非负的，当出现值小于0时则置0。迭代计算直至主瓣角度区域内都满足的起伏电平要求。
至此完成基于干扰功率谱的天线方向图综合。

Claims (1)

1.一种基于干扰功率谱的天线方向图综合方法，其特征在于具体步骤为：
第一步搭建基于干扰功率谱的天线方向图综合系统
基于干扰功率谱的天线方向图综合系统，包括：期望方向图构建模块、干扰功率谱初始化模块、引导向量构建模和赋形方向图获取模块；
期望方向图构建模块的功能为：建立期望方向图的描述函数；
干扰功率谱初始化模块的功能为：通过对干扰功率谱进行初始化处理来计算协方差矩阵；
引导向量构建模块的功能为：定义引导向量的表达式；
赋形方向图获取模块的功能为：通过迭代计算功率谱得到赋形方向图；
第二步期望方向图构建模块建立期望方向图的描述
期望方向图构建模块建立期望方向图的描述为D(θ)：
其中，[θmin，θmax]为天线方向图主瓣对应的角度区域，θ为天线方向图角度，Li(i＝0，...，m)为期望的天线方向图赋形函数，[θil，θir](i＝0，...，m)为副瓣对应的角度区域；各角度要求的起伏电平为P(θ)；
第三步干扰功率谱初始化模块对干扰功率谱进行初始化处理
干扰功率谱初始化模块通过构造干扰功率谱密度interference power spectraldensity，简称IPSD的函数取代直接构造干扰信号来计算协方差矩阵R；因为R中的元素为自相关函数的采样，而自相关函数则是IPSD的傅立叶逆变换谱，于是建立了二者的联系；初始将IPSD设置为等幅地分布在所有的区域，包括主瓣区域和旁瓣区域，为了改变主瓣波束的形状需要像调整旁瓣区域那样不断改变主瓣内的干扰功率谱密度函数的强度直到满足期望方向图的形状要求；
第四步引导向量构建模块定义引导向量Sstr的表达式
引导向量构建模块建立的引导向量Sstr不再是指定某一特定方向的向量，而是主瓣内所有方向引导向量Sθ的矢量和：
λ为载波波长，di为阵元i与阵元i+1的间距，N为阵元总数，θ为天线方向图角度；
建立引导向量Sstr能够保证主瓣相对于旁瓣的幅度优势；
第五步赋形方向图获取模块通过迭代计算功率谱得到赋形方向图
赋形方向图获取模块首先根据引导向量得到方向图的中间m-1次迭代的形式为Fm-1(θ)：
H为共轭转置，Wm-1为m-1次加权向量，Rm-1为m-1次的协方差矩阵，Rm-1＝IFFT(IPSDm-1)，IFFT为逆傅立叶变换；
IPSD根据Fm-1(θ)与D(θ)之间的差异不断调整，对于第m次迭代主瓣区域内的IPSD根据下式进行计算
IPSDm(θ)＝IPSDm-1(θ)+K(L0(θ)-Fm-1(θ))，if(|L0(θ)-Fm-1(θ)|≥P(θ))
P(θ)表示起伏电平，K为迭代系数，取0.2；因为IPSD是非负的，当出现值小于0时则置0；迭代计算直至主瓣角度区域内都满足|D(θ)-F(θ)|≤P(θ)的起伏电平要求；
至此完成基于干扰功率谱的天线方向图综合。
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