CN111539092A - 一种毫米波雷达波束赋形优化方法及天线 - Google Patents

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陆慧颖
周立夫
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Abstract

本发明涉及一种毫米波雷达波束赋形优化方法包括：根据波束赋形得到毫米波雷达天线的初始归一化方向图；利用基因遗传算法根据每个阵元对应的幅度和相位权重设置目标函数；根据目标函数的计算结果设置不同的幅度和相位权重，对其进行迭代运算，从而优化目标函数；根据优化后的目标函数得到优化后的归一化方向图。本发明通过设置的目标函数，该目标函数中既包含栅瓣位置或副瓣电平也包含3dB波束宽度，对每个阵元对应的幅度和相位权重设置不同值，然后根据目标函数的计算结果不断迭代优化，直至满足目标或收敛，根据经过优化后的目标函数可以得到优化后的幅度和相位权重，从而改善归一化方向图的栅瓣和副瓣，大幅度减小3dB波束宽度，改善测角性能。

Description

一种毫米波雷达波束赋形优化方法及天线
技术领域
本发明涉及波束赋形技术领域，特别是涉及一种毫米波雷达波束赋形优化方法及天线。
背景技术
数字波束赋形是近年来发展起来的一种新的雷达体制，它的原理与相控阵一致，不同的是只对接收通道的数据进行处理，接收数据经过数字处理器进行幅相加权处理形成特定指向的波束，可以获得超过普通阵列天线的性能。数字波束赋形技术由于其灵活性，被广泛运用于各个领域。
由于实际信噪比较差，天线之间的耦合较强，很多超分辨算法很难在实际应用中获得很好的效果；为提高雷达产品的分辨率，最有效的方法就是扩大阵列口径，但是扩大实际阵列口径会增加硬件成本，且产品面积变大；同时，天线的阵元间距超过半波长，会导致栅瓣的问题，造成测角模糊。
而雷达测角性能很大程度受限于硬件设计，在固定的硬件条件上提升雷达的测角性能会很大程度提高产品竞争力。由于数字波束赋形技术与相控阵原理类似，因此也可以利用相控阵中优化形成波束的栅瓣/副瓣，3dB波束宽度的方法改善波束赋形的性能。
发明内容
本发明为克服上述现有技术所述的不足，提供一种毫米波雷达波束赋形优化方法及天线。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：
一种毫米波雷达天线波束赋形优化方法，包括如下步骤：
根据波束赋形得到毫米波雷达天线的初始归一化方向图；
利用基因遗传算法根据每个阵元对应的幅度和相位权重设置目标函数；
根据目标函数的计算结果设置不同的幅度和相位权重，对其进行迭代运算，从而优化目标函数；
根据优化后的目标函数得到优化后的归一化方向图。
进一步的，作为优选技术方案，设置目标函数具体包括：
根据波束赋形设置每个阵元对应的幅度和相位权重的初始值；
根据每个阵元对应的幅度和相位权重的初始值设置目标函数。
进一步的，作为优选技术方案，幅度的初始值设置为1，相位的初始值按照主波束指向以及等间距阵列天线公式设置。
进一步的，作为优选技术方案，设置的目标函数为：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE002
+
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE004
其中，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE006
表示幅度，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE008
表示相位。
进一步的，作为优选技术方案，优化目标函数具体包括：
设置不同的幅度和相位权重，带入目标函数中得到新的目标函数，根据目标函数的计算结果不断进行迭代运算，直至目标函数的值趋近于0，完成目标函数的优化。
进一步的，作为优选技术方案，当目标函数的值为0时，目标曲线与实际波束赋形曲线完全重合。
进一步的，作为优选技术方案，所述归一化方向图包括主瓣位置、栅瓣电平和3dB波束宽度。
一种毫米波雷达波束赋形天线，采用一种毫米波雷达天线波束赋形优化方法进行波束赋形优化，所述天线包括多个并排设置的阵元，相邻两个阵元之间的间距大于或等于半波长。
与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：
本发明通过根据基因遗传算法设置目标函数，该目标函数中既包含栅瓣位置或副瓣电平也包含3dB波束宽度，对每个阵元对应的幅度和相位权重设置不同值，然后根据目标函数的计算结果不断迭代优化，直至满足目标或收敛，根据经过优化后的目标函数可以得到优化后的幅度和相位权重，从而改善归一化方向图的栅瓣和副瓣，又能大幅度减小3dB波束宽度，改善测角性能。
附图说明
图1为本发明毫米波雷达波束赋形天线阵元排列示意图。
图2为本发明基因遗传算法迭代次数以及目标函数返回值示意图。
图3为本发明优化前用普通波束赋形方法得到的归一化方向图。
图4为本发明优化前用普通波束赋形方法得到的归一化方向图。
图5为本发明用遗传算法优化波束赋形权重后得到的归一化方向图。
图6为本发明用遗传算法优化波束赋形权重后得到的归一化方向图。
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的；相同或相似的标号对应相同或相似的部件；附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征更易被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围作出更为清楚的界定。
实施例1
一种毫米波雷达天线波束赋形优化方法，该方法基于毫米波雷达波束赋形天线，该毫米波雷达波束赋形天线如图一所示：包括多个并排设置的阵元，相邻两个阵元之间的间距大于或等于半波长。
对该毫米波雷达天线进行波束赋形优化方法包括如下步骤：
根据波束赋形得到毫米波雷达天线的初始归一化方向图。
在本步骤中，如图3和图4所示：采用普通波束赋形方法得到毫米波雷达天线的初始归一化方向图，其指定主瓣位置为20°和栅瓣电平为-2.5dB，3dB波束宽度为7.5°，与物理角度分辨率一致。
利用基因遗传算法根据每个阵元对应的幅度和相位权重设置目标函数。
本步骤具体包括：
根据波束赋形设置每个阵元对应的幅度和相位权重的初始值；其中，幅度的初始值设置为1，相位的初始值按照主波束指向以及等间距阵列天线公式设置。
根据每个阵元对应的幅度和相位权重的初始值设置目标函数。
设置的目标函数为：
Figure 712231DEST_PATH_IMAGE002
+
Figure 35896DEST_PATH_IMAGE004
其中，
Figure 346792DEST_PATH_IMAGE006
表示幅度，
Figure 902188DEST_PATH_IMAGE008
表示相位。
根据目标函数的计算结果设置不同的幅度和相位权重，对其进行迭代运算，从而优化目标函数。本步骤具体包括：
设置不同的幅度和相位权重，带入目标函数中得到新的目标函数，根据目标函数的计算结果不断进行迭代运算，直至目标函数的值趋近于0，完成目标函数的优化，输出当前的幅度和相位权重。当目标函数的值为0时，目标曲线与实际波束赋形曲线完全重合。
如图2所示：
当迭代次数超过160次后，目标函数Y的返回值基本收敛，从而趋近于0。
根据优化后的目标函数得到优化后的归一化方向图。
本步骤具体包括：优化后的目标函数中的幅度和相位权重为优化后的值，根据优化后的幅度和相位权重可得到优化后的归一化方向图。该归一化方向图包括主瓣位置、栅瓣电平和3dB波束宽度。
本步骤如图5-6所示：
优化后的主瓣位置与优化前一致，最高栅瓣或副瓣电平下降到-4dB，而3dB波束宽度3.3°，只有优化前的一半不到。
因此，优化后的波束赋形既能改善栅瓣和副瓣，又能大幅度减小3dB波束宽度，改善测角性能。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种毫米波雷达天线波束赋形优化方法，其特征在于，包括如下步骤：
根据波束赋形得到毫米波雷达天线的初始归一化方向图；
利用基因遗传算法根据每个阵元对应的幅度和相位权重设置目标函数；
根据目标函数的计算结果设置不同的幅度和相位权重，对其进行迭代运算，从而优化目标函数；
根据优化后的目标函数得到优化后的归一化方向图。
2.根据权利要求1所述的一种毫米波雷达波束赋形优化方法，其特征在于，设置目标函数具体包括：
根据波束赋形设置每个阵元对应的幅度和相位权重的初始值；
根据每个阵元对应的幅度和相位权重的初始值设置目标函数。
3.根据权利要求2所述的一种毫米波雷达波束赋形优化方法，其特征在于，
幅度的初始值设置为1，相位的初始值按照主波束指向以及等间距阵列天线公式设置。
4.根据权利要求2所述的一种毫米波雷达波束赋形优化方法，其特征在于，
设置的目标函数为：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
+
Figure DEST_PATH_IMAGE004
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE006
表示幅度，
Figure DEST_PATH_IMAGE008
表示相位。
5.根据权利要求4所述的一种毫米波雷达波束赋形优化方法，其特征在于，优化目标函数具体包括：
设置不同的幅度和相位权重，带入目标函数中得到新的目标函数，根据目标函数的计算结果不断进行迭代运算，直至目标函数的值趋近于0，完成目标函数的优化。
6.根据权利要求1所述的一种毫米波雷达波束赋形优化方法，其特征在于，当目标函数的值为0时，目标曲线与实际波束赋形曲线完全重合。
7.根据权利要求1所述的一种毫米波雷达波束赋形优化方法，其特征在于，所述归一化方向图包括主瓣位置、栅瓣电平和3dB波束宽度。
8.一种毫米波雷达波束赋形天线，其特征在于，采用如权利要求1-7任一项所述的一种毫米波雷达天线波束赋形优化方法进行波束赋形优化，所述天线包括多个并排设置的阵元，相邻两个阵元之间的间距大于或等于半波长。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN108508424A (zh) * 2018-03-26 2018-09-07 西安电子科技大学 一种基于天线阵列误差的低副瓣复权向量优化方法

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