CN111293438A - 一种基于均匀线阵宽带波束形成的栅瓣抑制方法及系统 - Google Patents

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    • H01Q3/2605—Array of radiating elements provided with a feedback control over the element weights, e.g. adaptive arrays
    • H01Q3/2611—Means for null steering; Adaptive interference nulling
    • H01Q3/2617—Array of identical elements

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Abstract

本公开公开了一种基于均匀线阵宽带波束形成的栅瓣抑制方法及系统，包括：根据接收信号的带宽及所需精度，确定阵元的间距及阵元个数；基于不同频点对应的半波长和阵元的间距，计算每个频点不出现栅瓣的扫描角度；对经过预处理后的接收信号计算带宽范围内每个频点的协方差矩阵，并根据每个频点的扫描角度，得到每个频点的低栅瓣协方差矩阵；通过低栅瓣协方差矩阵采用自适应波束形成算法求得每个频点的权值，根据每个频点的权值进行均匀线阵的宽带波束形成。解决宽带波束形成中由于波束扫描所产生的栅瓣问题，适用于均匀线阵，且不受天线尺寸和形式的影响。

Description

一种基于均匀线阵宽带波束形成的栅瓣抑制方法及系统
技术领域
本公开涉及栅瓣抑制技术领域，特别是涉及一种基于均匀线阵宽带波束形成的栅瓣抑制方法及系统。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
阵元间距的选取会影响栅瓣的产生，一般为了避免在90°内产生栅瓣，要求阵元间距不大于接收信号的半波长，但是对于宽带信号来说，如果阵元间距取最高频率对应的半波长，则在90°范围内不会产生栅瓣，但是往往由于天线物理口径的约束，阵元间距的选取达不到最高频率对应的半波长，这就会导致宽带信号中那些波长小于阵元间距二倍的频点在进行波束扫描时产生栅瓣。且阵元间距选取越大，栅瓣的位置越接近主瓣，扫描的角度越小，对输出的结果产生不利的影响。尤其在太阳射电应用中，需要对太阳进行实时的跟踪，栅瓣的出现必然会引入干扰，造成结果的不精确，影响太阳信号的观测。所以需要对出现的栅瓣进行抑制来确保接收信号的精度。
目前很多研究学者对如何抑制波束扫描中产生的栅瓣、扩大扫描角度做了大量的研究。
第一种方法就是对阵列天线在子阵级或者单元级上进行非周期结构排布方式优化设计，将栅瓣能量分散，从而抑制栅瓣，这种方法利用子阵级随机排布来打破阵面布局的周期性，或采用单元不等间距布阵形式来打破子阵的规则性。这种方法对栅瓣的抑制主要由阵列的形状确定，且对算法的要求很高。
第二种方法为采用阵列高效有源单元方向图抑制栅瓣，若阵中单元的方向图零点位置与总场阵因子方向图栅瓣位置对应，则可达到栅瓣抑制作用，因此要求设计合适的单元形式；而且阵列单元尺寸和形式的选择由扫描空域范围及最大扫描角扫描时所允许的增益下降值决定。所以此方法只应用于特定的条件下，普适性不高且较为复杂。
所以，发明人认为目前现有的宽带波束栅瓣抑制方案多存在依赖于特定的天线排列以及复杂的算法，不易实现，且不适用于均匀线阵的问题。
发明内容
为了解决上述问题，本公开提出了一种基于均匀线阵宽带波束形成的栅瓣抑制方法及系统，解决宽带波束形成中由于波束扫描所产生的栅瓣问题，适用于均匀线阵，且不受天线尺寸和形式的影响。
为了实现上述目的，本公开采用如下技术方案：
第一方面，本公开提供一种基于均匀线阵宽带波束形成的栅瓣抑制方法，包括：
根据接收信号的带宽及所需精度，确定阵元的间距及阵元个数；
基于不同频点对应的半波长和阵元的间距，计算每个频点不出现栅瓣的扫描角度；
对经过预处理后的接收信号计算带宽范围内每个频点的协方差矩阵，并根据每个频点的扫描角度，得到每个频点的低栅瓣协方差矩阵；
通过低栅瓣协方差矩阵采用自适应波束形成算法求得每个频点的权值，根据每个频点的权值进行均匀线阵的宽带波束形成。
第二方面，本公开提供一种基于均匀线阵宽带波束形成的栅瓣抑制系统，包括：
用于根据接收信号的带宽及所需精度，确定阵元的间距及阵元个数的模块；
用于基于不同频点对应的半波长和阵元的间距，计算每个频点不出现栅瓣的扫描角度的模块；
用于对经过预处理后的接收信号计算带宽范围内每个频点的协方差矩阵，并根据每个频点的扫描角度，得到每个频点的低栅瓣协方差矩阵的模块；
用于通过低栅瓣协方差矩阵采用自适应波束形成算法求得每个频点的权值，根据每个频点的权值进行均匀线阵的宽带波束形成的模块。
第三方面，本公开提供一种电子设备，包括存储器和处理器以及存储在存储器上并在处理器上运行的计算机指令，所述计算机指令被处理器运行时，完成一种基于均匀线阵宽带波束形成的栅瓣抑制方法所述的步骤。
第四方面，本公开提供一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，完成一种基于均匀线阵宽带波束形成的栅瓣抑制方法所述的步骤。
与现有技术相比，本公开的有益效果为：
与对阵列天线在子阵级或者单元级上进行非周期结构排布方式优化设计，将栅瓣能量分散，从而抑制栅瓣的方法相比，本公开方法简单，且适用于均匀线阵。
与采用阵列高效有源单元方向图抑制栅瓣方法相比，本公开不受天线尺寸和形式的影响。
附图说明
构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。
图1为本公开实施例1提供的一种基于均匀线阵的栅瓣抑制方法流程示意图。
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本公开做进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
实施例1
针对现有的宽带波束栅瓣抑制方案依赖于特定的天线排列以及复杂的算法，不易实现，且不适用与均匀线阵的问题，本实施例提出一种基于均匀线阵的栅瓣抑制方法，如图1所示，
1.根据接收信号的带宽及所需精度，确定最佳阵元间距及阵元个数；
2.基于不同频点对应的半波长和阵元的间距，计算每个频点不出现栅瓣的扫描角度θi；
3.对经过预处理后的接收信号计算带宽范围内每个频点的协方差矩阵R，并根据每个频点的扫描角度θi，得到每个频点的低栅瓣协方差矩阵Rx；
4.通过低栅瓣协方差矩阵Rx采用自适应波束形成算法求得每个频点的权值W，根据每个频点的权值进行均匀线阵的宽带波束形成。
所述步骤2中，每个频点不出现栅瓣的扫描角度θi为：sinθi≤(λi-d)/d，
其中，λi为不同频点对应的半波长，d为阵元的间距。
所述步骤3中，预处理包括对接收信号进行FFT转换，得到频域信号。
所述步骤3中，每个频点的低栅瓣协方差矩阵Rx为：Rx＝R+a(θΔi)aH(θΔi)，
其中，a(θΔi)为导向矢量，Δi为扫描角度的一个角度，R为每个频点的协方差矩阵。
本实施例中多个阵元的间距一致，阵元的个数根据带宽和扫描角度进行调整。
本实施例中，由于自适应算法会在干扰方向形成零陷，抑制干扰，所以先求出宽带信号各个频点的扫描角度，在各个频点的扫描角度方向加入一个虚拟的干扰，使之在栅瓣附近形成一个零陷，从而抑制了栅瓣。
在其他实施例中，还提供：
一种基于均匀线阵宽带波束形成的栅瓣抑制系统，包括：
用于根据接收信号的带宽及所需精度，确定阵元的间距及阵元个数的模块；
用于基于不同频点对应的半波长和阵元的间距，计算每个频点不出现栅瓣的扫描角度的模块；
用于对经过预处理后的接收信号计算带宽范围内每个频点的协方差矩阵，并根据每个频点的扫描角度，得到每个频点的低栅瓣协方差矩阵的模块；
用于通过低栅瓣协方差矩阵采用自适应波束形成算法求得每个频点的权值，根据每个频点的权值进行均匀线阵的宽带波束形成的模块。
一种电子设备，包括存储器和处理器以及存储在存储器上并在处理器上运行的计算机指令，所述计算机指令被处理器运行时，完成一种基于均匀线阵宽带波束形成的栅瓣抑制方法所述的步骤。
一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，完成一种基于均匀线阵宽带波束形成的栅瓣抑制方法所述的步骤。
在以上实施例中，与对阵列天线在子阵级或者单元级上进行非周期结构排布方式优化设计，将栅瓣能量分散，从而抑制栅瓣的方法相比，能够实现技术简单，且适用于均匀线阵；与采用阵列高效有源单元方向图抑制栅瓣方法相比，能够实现不受天线尺寸和形式的影响。
以上仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种基于均匀线阵宽带波束形成的栅瓣抑制方法，其特征在于，包括：
根据接收信号的带宽及所需精度，确定阵元的间距及阵元个数；
基于不同频点对应的半波长和阵元的间距，计算每个频点不出现栅瓣的扫描角度；
对经过预处理后的接收信号计算带宽范围内每个频点的协方差矩阵，并根据每个频点的扫描角度，得到每个频点的低栅瓣协方差矩阵；
通过低栅瓣协方差矩阵采用自适应波束形成算法求得每个频点的权值，根据每个频点的权值进行均匀线阵的宽带波束形成。
2.如权利要求1所述的一种实现均匀线阵宽带波束大角度扫描的方法，其特征在于，每个频点不出现栅瓣的扫描角度θi为：|sinθi|≤(λi-d)/d，
其中，λi为不同频点对应的半波长，d为阵元的间距。
3.如权利要求1所述的一种实现均匀线阵宽带波束大角度扫描的方法，其特征在于，所述预处理包括对接收信号进行FFT转换，得到频域信号。
4.如权利要求1所述的一种实现均匀线阵宽带波束大角度扫描的方法，其特征在于，每个频点的低栅瓣协方差矩阵Rx为：Rx＝R+a(θΔi)aH(θΔi)，
其中，a(θΔi)为导向矢量，Δi为扫描角度的一个角度，R为每个频点的协方差矩阵。
5.如权利要求1所述的一种实现均匀线阵宽带波束大角度扫描的方法，其特征在于，多个阵元的间距一致。
6.如权利要求1所述的一种实现均匀线阵宽带波束大角度扫描的方法，其特征在于，在各个频点的扫描角度方向加入虚拟干扰，使之在栅瓣附近形成零陷，从而抑制栅瓣。
7.如权利要求1所述的一种实现均匀线阵宽带波束大角度扫描的方法，其特征在于，所述阵元的个数根据带宽和扫描角度进行调整。
8.一种基于均匀线阵宽带波束形成的栅瓣抑制系统，其特征在于，包括：
用于根据接收信号的带宽及所需精度，确定阵元的间距及阵元个数的模块；
用于基于不同频点对应的半波长和阵元的间距，计算每个频点不出现栅瓣的扫描角度的模块；
用于对经过预处理后的接收信号计算带宽范围内每个频点的协方差矩阵，并根据每个频点的扫描角度，得到每个频点的低栅瓣协方差矩阵的模块；
用于通过低栅瓣协方差矩阵采用自适应波束形成算法求得每个频点的权值，根据每个频点的权值进行均匀线阵的宽带波束形成的模块。
9.一种电子设备，其特征在于，包括存储器和处理器以及存储在存储器上并在处理器上运行的计算机指令，所述计算机指令被处理器运行时，完成权利要求1-7任一项方法所述的步骤。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，完成权利要求1-7任一项方法所述的步骤。
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