CN109541557A - 一种雷达天线保护通道生成方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种雷达天线保护通道生成方法，该方法包括如下步骤：步骤1：确定初始化参数，其中保护通道参数矩阵为与天线阵元维度相等的N×M维矩阵，并设定该参数矩阵的初始值；步骤2：根据雷达天线保护通道特性，确定目标优化函数；步骤3：采用模式搜索算法，通过上述目标优化函数进行单次优化；步骤4：重复进行M次步骤3操作，得到M次优化结果集合；步骤5：在所述M次优化结果集合中，找出能使目标优化函数最小的优化结果，用以生成天线保护通道。利用该方法获取的保护通道生成参数具有正确性、有效性和可靠性，依据该参数生成的保护通道能够使雷达天线对副瓣干扰及各种强杂波回波形成有效的抑制。

Description

一种雷达天线保护通道生成方法
技术领域
本发明属于雷达天线技术领域，特别涉及一种雷达天线保护通道生成技术，用于利用天线阵元输出信号通过参数加权合成保护通道，以实现对天线副瓣干扰和各种强杂波的抑制。
背景技术
天线保护通道的作用是实现对天线副瓣干扰和各种强杂波的抑制，其工作原理是：将两个并行接收通道其中一个与主天线连接，另一个与保护天线连接，通过比较两个并行接收通道的输出，以判断接收的信号是来自主波束还是来自副瓣。两个信道的回波在同一个距离单元、同一个多普勒滤波器单元中进行比较，当在保护接收机中的副瓣回波较大时，副瓣回波被抑制，而主通道接收的回波较大，因此主波束回波通过，进而利用上述操作实现了对天线副瓣干扰和强杂波的抑制。
尽管现有天线技术中，通常会单独设立保护天线，但是在实际的工程应用中，部分天线没有设立单独的保护天线，此时则需要考虑利用天线阵元输出的信号通过参数加权合成保护通道。然而，现有技术中对于天线保护通道设计，例如参数如何选择鲜有介绍，导致工程技术人员在进行雷达天线设计时，难以对保护通道参数进行精确选择，对天线副瓣干扰和各种强杂波的抑制效果较差。
发明内容
为解决上述问题，本发明提出了一种基于模式搜索算法的雷达天线保护通道生成方法，以实现在无保护天线条件下，通过参数加权生成天线保护通道，实现对天线副瓣干扰和强杂波抑制的目的。
本发明提供的技术方案为：
一种雷达天线保护通道生成方法，该方法基于模式搜索算法，用于获取雷达天线保护通道的设计参数，该方法包括如下步骤：
步骤1：确定初始化参数，其中保护通道参数矩阵为与天线阵元维度相等的N×M维矩阵，并设定该参数矩阵的初始值；
步骤2：根据雷达天线保护通道特性，确定目标优化函数；
步骤3：采用模式搜索算法，通过上述目标优化函数进行单次优化；
步骤4：重复进行M次步骤3操作，得到M次优化结果集合；
步骤5：在所述M次优化结果集合中，找出能使目标优化函数最小的优化结果，将其作为最终的目标参数矩阵，用以生成天线保护通道。
进一步地，所述初始化参数还包括模式搜索算法的搜索阈值上限和下限、迭代步长以及最优解阈值。
进一步地，确定目标优化函数所依据的保护通道特性包括保护通道增益应大大低于主天线增益。
进一步地，确定目标优化函数所依据的保护通道特性包括保护通道增益应略高于最高副瓣增益。
进一步地，确定目标优化函数所依据的保护通道特性包括保护通道增益尽可能平滑。
进一步地，步骤3中所述单次优化包括如下步骤：
子步骤31：计算参数矩阵初始值的目标函数值；
子步骤32：将所述目标函数值与最优解阈值进行比较，若目标函数值小于最优解阈值，则判定所述初始值为第一次优化最优解，否则，转到子步骤33；
子步骤33：由模式搜索算法迭代步长，确定下一个搜索点；
子步骤34：计算新搜索点的目标函数值；
子步骤35：将新搜索点的目标函数值与最优解阈值进行比较，若目标函数值小于最优解阈值，判定新搜索点为第一次优化最优解，否则返回子步骤33继续迭代，直到找到使目标函数值满足最优解阈值的参数值。
进一步地，在当前参数值的基础上，根据迭代步长和搜索方向确定所述下一个搜索点。
由于采用上述方案，本发明基于模式搜索算法，提供了雷达天线保护通道的生成方法。实验表明，利用该方法获取的保护通道生成参数具有正确性、有效性和可靠性，依据该参数生成的保护通道能够使雷达天线对副瓣干扰及各种强杂波回波形成有效的抑制，为雷达天线的设计、计算提供了技术支撑。
附图说明
图1是根据本发明的雷达天线保护通道生成方法步骤流程图；
图2是根据本发明获得的天线保护通道方位向仿真结果验证图；
图3是根据本发明获得的天线保护通道俯仰向仿真结果验证图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细描述。
本发明提供了一种雷达天线保护通道生成方法，该方法基于模式搜索算法，用于获取雷达天线保护通道的设计参数。如图1所示，该方法包括以下步骤：
步骤1：确定初始化参数
将雷达天线保护通道以参数矩阵x表示，该参数矩阵x维度与天线阵元维度相等，并设定该参数矩阵的初始值x0。
在本发明的实施例中选用天线阵元为4×2维的平面阵，当天线阵元位于笛卡尔平面坐标系x-y下时，阵元在x方向分布个数N＝4，在y方向分布个数M＝2。
参数矩阵初始值x0的选取对计算结果影响较大，本实例经评估后选用参数初始值表达式为：
其中，a＝650+m，1≤m≤M。
本领域技术人员可以理解，所述参数矩阵初始值也可以选择其他值。
同时，为模式搜索算法设置搜索阈值上限UB和下限LB。在本发明中搜索阈值上限UB和下限LB分别设定为：
以及确定模式搜索算法的迭代步长λ、最优解阈值δ；
其中，搜索步长λ决定模式搜索算法的收敛速度，其值可根据实际需要进行设定。最优解阈值δ则决定算法结束时间长短，以及最终优化得到的最优解与实际最优解之间的差值，也即最优解的精度，同理，其值也可以由技术人员根据实际情况，例如对最优解所允许的精度高低而定。本发明的实施例中选择搜索步长λ＝650，最优解阈值δ＝1000。
步骤2：根据保护通道特性，确定目标优化函数f_val(x)；
根据双通道检测原理，保护通道增益应大大低于主天线增益，而略高于最高副瓣增益，则设定目标子函数：
式(1)中，F(·)表示平面相控阵天线方向图函数，表达式为：
其中，θ,分别表示天线扫描俯仰角、方位角，本发明的实施例选择俯仰角变化范围为[-45°,45°]，俯仰角变化间隔为0.1°，方位角变化范围为[-60°,60°]，方位角变化间隔为0.1°；
aik表示对应权系数x0(i,k)的幅值，φik表示对应权系数x0(i,k)的相位值；
G_sidelobe表示天线第一副瓣的幅度大小，本实例中取为-13dB，矩阵大小与F(·)相对应；
式(2)中，max(·)表示取最大值操作，min(·)表示取最小值操作。
同时，根据保护通道增益尽可能平滑，结合前述公式(1)和公式(2)，确定最终的优化函数：
minf_val＝f_val1×f_val2+f_val2 (3)
s.t.LB<x0<UB
步骤3：利用模式搜索算法进行单次优化；
根据参数矩阵初始值x0、搜索阈值上限UB和下限LB，采用模式搜索算法通过上述优化函数进行单次优化。设定优化次数m＝1，其中1≤m≤M，具体优化方法包括如下子步骤：
子步骤31：计算参数矩阵初始值x0的目标函数值f_val(x0)；
子步骤32：将所述目标函数值与最优解阈值δ进行比较，若目标函数值小于最优解阈值，则判定初始值x0为第一次优化最优解，否则，转到子步骤33；
子步骤33：由模式搜索算法迭代步长λ，确定下一个搜索点x0+v*λ。其中，v＝[0,1；1,0；-1,0；0,-1]表示搜索方向，0表示对当前点进行操作，1表示对下一个点进行操作，-1表示对上一个点进行操作。
子步骤34：计算上述步骤33得到的新搜索点x0+v*λ的目标函数值f_val(x0+v*λ)；
子步骤35：将新搜索点的目标函数值f_val(x0+v*λ)与最优解阈值δ进行比较，若目标函数值小于最优解阈值，判定x0+v*λ为第一次优化最优解，否则返回子步骤33继续迭代，直到找到使目标函数值f_val(x)满足最优解阈值的参数值x1_best；
步骤4：重复进行M次步骤3操作，得到优化结果集合；
设定优化次数m＝m+1，重复步骤3，直到m＝M，从而获得总共M次优化结果集合xbest(x1_best，x2_best，……xM_best)。
步骤5：在所述M次优化结果集合xbest中，找出能使目标函数f_val(x)最小的优化结果xbest_min作为最终的目标参数矩阵xbest。
计算M次优化结果集合xbest(x1_best，x2_best，……xM_best)中各值对应的目标函数值集合f_val(xbest)，找出与最小目标函数值对应的最优目标参数xbest，将其作为保护通道参数矩阵，用以生成最终的天线保护通道。
下面结合仿真实验对本发明的效果做进一步说明。
设定的仿真环境如下：天线阵元为4×2平面阵天线，雷达载频fc＝16GHz，光速c＝3·108m/s，雷达波长λ＝c/fc，阵元间隔
天线方向图范围：方位向：[-90°，90°]，俯仰向[-90°，90°]；
目标保护通道形成范围：方位向：[-50°，50°]，俯仰向[-50°，50°]。
仿真方案为，将原始天线和方向图与通过本发明提供的方法生成的天线保护通道方向图进行对比。
由仿真结果图2所示的天线保护通道方位向仿真结果，以及图3所示的天线保护通道俯仰向仿真结果可以看出，在目标保护通道要求形成范围内，保护通道对副瓣干扰与各种强杂波回波形成了有效的抑制。因此，仿真实验验证了本发明的正确性、有效性和可靠性。

Claims (9)

1.一种雷达天线保护通道生成方法，该方法基于模式搜索算法，用于获取雷达天线保护通道的设计参数，该方法包括如下步骤：
步骤1：确定初始化参数，其中保护通道参数矩阵为与天线阵元维度相等的N×M维矩阵，并设定该参数矩阵的初始值；
步骤2：根据雷达天线保护通道特性，确定目标优化函数；
步骤3：采用模式搜索算法，通过上述目标优化函数进行单次优化；
步骤4：重复进行M次步骤3操作，得到M次优化结果集合；
步骤5：在所述M次优化结果集合中，找出能使目标优化函数最小的优化结果，将其作为最终的目标参数矩阵，用以生成天线保护通道。
2.根据权利要求1所述的雷达天线保护通道生成方法，其特征在于：所述初始化参数还包括模式搜索算法的搜索阈值上限和下限、迭代步长以及最优解阈值。
3.根据权利要求1所述的雷达天线保护通道生成方法，其特征在于：确定目标优化函数所依据的保护通道特性包括保护通道增益应大大低于主天线增益。
4.根据权利要求1所述的雷达天线保护通道生成方法，其特征在于：确定目标优化函数所依据的保护通道特性包括保护通道增益应略高于最高副瓣增益。
5.根据权利要求1所述的雷达天线保护通道生成方法，其特征在于：确定目标优化函数所依据的保护通道特性包括保护通道增益尽可能平滑。
6.根据权利要求1所述的雷达天线保护通道生成方法，其特征在于：步骤3中所述单次优化包括如下步骤：
子步骤31：计算参数矩阵初始值的目标函数值；
子步骤32：将所述目标函数值与最优解阈值进行比较，若目标函数值小于最优解阈值，则判定所述初始值为第一次优化最优解，否则，转到子步骤33；
子步骤33：由模式搜索算法迭代步长，确定下一个搜索点；
子步骤34：计算新搜索点的目标函数值；
子步骤35：将新搜索点的目标函数值与最优解阈值进行比较，若目标函数值小于最优解阈值，判定新搜索点为第一次优化最优解，否则返回子步骤33继续迭代，直到找到使目标函数值满足最优解阈值的参数值。
7.根据权利要求6所述的雷达天线保护通道生成方法，其特征在于：在当前参数值的基础上，根据迭代步长和搜索方向确定所述下一个搜索点。
8.根据权利要求1所述的雷达天线保护通道生成方法，其特征在于：所述参数矩阵为4×2维，其初始值x0为：
其中，a＝650+m，1≤m≤M。
9.根据权利要求8所述的雷达天线保护通道生成方法，其特征在于：所述天线阵元为4×2维的平面阵，阵元在平面坐标系的x方向分布个数N＝4，在y方向分布个数M＝2。
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