CN111817766B - 联合阵列天线单元方向图的波束形成方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种联合天线阵元方向图的波束形成方法，利用本发明可以增强波束形成阵列天线单元方向图存在不一致时的性能。本发明通过以下技术方案予以实现：针对阵列天线，对阵列天线的各个天线单元进行方向图测试，根据天线测试点方向图，建立该阵列天线方向图数据库；利用天线方向图数据库，采用线性插值、样条插值的内插方式，获得阵列天线在离散化程度更高的方向上响应的精细方向图；对实测天线方向图进行插值获得该阵列天线更细致的方向图，利用该天线方向图对理想阵列天线的导向向量进行修正，修正方法是将内插获得的精细方向图和理想天线导向向量进行哈达玛积Hadamard积，到修正导向向量；然利用线性约束最小方差LCMV等算法得到波束形成权向量。
Description
技术领域
本发明涉及一种广泛应用于雷达、通信、声纳、地震、天文中远程通信等领域的波束形成方法，尤其是涉及一种联合阵列天线单元方向图的波束形成方法。
背景技术
阵列信号处理是信号处理的一个重要分支。阵列信号处理是指对阵元所感应信号的处理。阵列信号处理可两大分支：波达方向(DOA)估计和空域滤波。阵列信号处理的主要问题包括：对空间信号的波达方向的分布进行超分辨估计的空间谱估计；阵列方向图的主瓣指向所需的方向的波束形成技术；使天线的零点对准所有的干扰方向的零点形成技术。天线的方向图是表征天线辐射特性(场强振幅、相位、极化)与空间角度关系的图形。阵列方向图综合是指按照需求的方向图特性，通过对幅相权值、阵元数目及阵元位置的调整优化，使最终生成的阵列方向图能达到较理想的预期性能。在一般应用场合，单天线，如偶极天线、八木天线等，就可以满足发射、接收信息的需求。而在特定的应用场合，需要对多个天线单元进行适当激励获得预定的辐射特性，如更强的方向性、更高的增益、更窄的波束。
数字波束形成(DBF)是空域滤波的范畴，是在原有模拟波束形成的基础上引入数字信号处理的方法而建立起来的一门新技术。空间辐射的信号经过波束形成处理后，主瓣方向以外的信号被削弱，其中零陷区间的信号被完全抑制，这可以用于干扰和杂波抑制。当干扰信号的方向已知时，可将零陷对准这些干扰信号的同时将主波束对准期望信号。这种方式的波束形成通常称为零陷波束形成或零陷导引。通过一个零陷抵消一个干扰信号，占用阵列天线的一个自由度。零陷波束形成利用信源的方向信息来计算阵元加权因子，使在干扰信源的方向上产生零陷。在接收端，阵列信号处理可以对空间分布的各传感器接收的信号进行处理，从中提取出有用信号以及信号所包含的信息，达到增强有用信号，抑制干扰和噪声的目的；在发射端，阵列信号处理可以对各传感器将要辐射的信号进行分别处理，使得信号在空间中合成的信号不同，即实现了空间能量分布的控制，达到抗截获、定向通信的目的，是在空域实现射频隐身的重要方法。与传统的单个定向传感器相比，传感器阵列具有较高的信号增益、灵活的波束控制、很高的空间分辨率以及极强的干扰抑制能力。数字波束形成是阵列信号处理领域的一个非常重要的研究内容。它既能实现对特定区域的信号进行接收或向特定区域辐射信号，还能对特定区域进行抑制，用以消除干扰或者抗截获。
在设计波束形成权向量时，通常假设天线幅相一致性良好、通道误差可大幅度校正。在此情况下设计的权向量在仿真试验时拥有良好的性能。在实际应用时，由于通道误差不随来波方向变化，通道校正参数较少，可以被各种方法良好的校正。但是天线由于加工和天线布阵等原因，阵列天线中的各个阵元的单元方向图往往不一致。现阶段仅能通过各种改进结构和加工工艺尽量减小单元方向图的不一致性，目前还不能消除该不一致性。一个很重要的因素是阵列天线固有的互耦效应特性。因为随着阵元间距减小，阵元间的互耦会逐渐变强，互耦不仅影响天线阵列的增益和波瓣宽度等电参数，还会使阵列信号的相位和幅度发生改变，进而对阵列方向图的波束零陷产生影响，其精度、深度都会发生改变。传统波束形成方法都是基于阵因子理论，天线阵列的阵元间距设计在半波长左右，没有考虑阵元间的互耦效应。这就导致理想权向量在实际阵列上的性能下降，这主要体现在波束主瓣指向偏移，副瓣电平上升，零陷深度变浅甚至消失，这将导致射频隐身性能下降或消失。
发明内容
本发明针对阵列天线波束形成方法在阵列天线单元方向图存在不一致时波束性能性能下降的问题，提供一种能够削弱天线幅相不一致带来的性能下降，联合阵列天线单元方向图的波束形成方法。
为解决上述技术问题，本发明提供的一种联合阵列天线单元方向图的波束形成方法：具有如下技术特征：针对阵列天线，对阵列天线的各个天线单元进行方向图测试，根据天线测试点方向图，建立该阵列天线方向图数据库；利用天线方向图数据库，采用线性插值、样条插值的内插方式，获得阵列天线在离散化程度更高的方向上响应的精细方向图；对实测天线方向图进行插值获得该阵列天线更细致的方向图，利用该天线方向图对理想阵列天线的导向向量进行修正，修正方法是将内插获得的精细方向图和理想天线导向向量进行哈达玛积Hadamard积，从而得到修正导向向量；然后基于修正的导向向量表达式，利用线性约束最小方差LCMV等算法得到波束形成权向量，实现波束形成。
本发明具有如下有益效果。
本发明利用天线方向图数据库，采用线性插值、样条插值的内插方式，获得阵列天线在离散化程度更高的方向上的响应，即精细方向图，利用内插得到的精细方向图对理想阵列的导向向量进行修正，基于此的波束形成方法削弱天线幅相不一致带来的性能下降，可以在天线单元方向图存在不一致时控制波束主瓣指向、副瓣电平和零陷深度。
本发明对波束参数的控制是综合进行的。避免了对单一方向的幅相不一致直接补偿的方法带来的在其他方向波束性能下降的问题。
本发明根据天线测试结果离线设计获得天线方向图数据库以及内插的天线方向图，天线无源的特性，避免了数据库的频繁采集。
附图说明
图1是本发明联合阵列天线单元方向图的波束形成方法流程图。
图2是阵列天线阵元1和阵元2相位响应实测示意图。
图3是阵列天线阵元1和阵元2幅度响应实测示意图。
图4是阵列天线阵元1和阵元2相位响应插值示意图。
图5是阵列天线阵元1和阵元2幅度响应插值示意图。
图6是本发明加权向量对应波束图和理想权向量对应波束图示意图。
具体实施方式
参阅图1。根据本发明，针对阵列天线，对阵列天线的各个天线单元进行方向图测试，根据天线测试点方向图，建立该阵列天线方向图数据库；利用天线方向图数据库，采用线性插值、样条插值的内插方式，获得阵列天线在离散化程度更高的方向上响应的精细方向图；对实测天线方向图进行插值获得该阵列天线更细致的方向图，利用该天线方向图对理想阵列天线的导向向量进行修正，修正方法是将内插获得的精细方向图和理想天线导向向量进行哈达玛积Hadamard积，从而得到修正导向向量；然后基于修正的导向向量表达式，利用线性约束最小方差LCMV等算法得到波束形成权向量，实现波束形成。其中，Hadamard积是两个同维矩阵的对应元素(elementwise)相乘。
首先利用天线测试工具对阵列天线各个单元的方向图进行测试，实际测试中只能以一定的间隔测试，并记录所有测试角度集合Ω和代表第m个阵元在测试角度θ处的复数响应gm(θ)的测试结果，得到
g(θ)＝[g1(θ),g2(θ),…,gM(θ)]T，θ∈Ω；
然后，利用天线测试工具对阵列天线各个单元的方向图进行测试，测试中以一定的间隔测试方向图，并记录所有测试角度集合Ω和代表第m个阵元在测试角度θ处的复数响应gm(θ)的测试结果，得到g(θ)＝[g1(θ),g2(θ),…,gM(θ)]T，
然后，利用线性插值、样条插值对实测方向图复数响应g(θ)进行插值，得到角度离散程度更高的方向图
接下来，根据内插天线方向图
和理想阵列导向向量a(θ)，计算两者的Hadamard积得到修正的导向向量b(θ)，
且b(θ)＝a(θ)⊙g(θ)
其中，⊙代表Hadamard积，代表两个向量对应位置上的元素直接相乘；最后将修正的导向向量运用到波束形成算法中，得到联合天线方向图的波束形成加权向量。
在以下可选的实施例中，以基于线性约束最小方差LCMV零陷展宽加权方法为例设计联合天线方向图的波束形成加权向量。
在一个可选实施例中：一均匀直线阵列，阵元数M为16个，阵元间距为0.08m，工作频率为0.8GHz，预期的波束主瓣指向为-10°，主瓣增益为0dB，零陷位于40°，零陷宽度为4°。
权向量计算流程如下：参阅图2和图3。对阵列天线的各个阵元在0.8GHz频率上从0°到360°范围内以1°为间隔对天线阵元馈电进行幅度和相位进行调整并测量天线相应的幅度和相位，得到阵元1和阵元2天线方向图的相位响应和幅度响应离散采样，从该实测方向图可知单元天线存在幅相不一致，此外剩余14个阵元采用同样方法进行测量，即可得到所有阵元实测方向图复数响应g(θ)。
参阅图4和图5。利用样条插值方法对各个阵元方向图以角度间隔为0.1°进行插值，得到插值的方向图
θ＝0°:0.1°:360°，其中插值后的阵元1和阵元2的相位响应和幅度响应；根据θ＝0°:0.1°:360°计算可得理想导向向量a(θ)的数值，其中计算公式为a(θ)＝[exp(j0),exp(j(1.34×sinθ)),…,exp(j(15×1.34×sinθ))]T，结果将在下一步计算中使用，其中j为虚数单位，其复指数运算法则满足exp(jx)＝cos(x)+jsin(x)，其中cos(x)和sin(x)分别代表实数角度的余弦和正弦函数值；根据插值的方向图
和理想导向向量a(θ)计算修正的导向向量b(θ)，b(θ)的计算公式为b(θ)＝a(θ)⊙g(θ)，⊙为Hadamard积，代表两个向量对应位置上的元素直接相乘。
参阅图6。将向量b(θ)、零陷宽度为Δθ的零陷区域所有导向向量构成的自相关矩阵
和约束矩阵C＝[b(θr1),…,b(θrL),b(θc1),…,b(θcP)]，代入基于线性约束最小方差LCMV的零陷展宽算法公式ω＝Q-1C(CHQ-1C)-1f中，即可求得联合阵列天线单元方向图的波束形成方法加权权值，其中，θr1,…,θrL为主波束指向，θc1,…,θcP为零点指向，约束向量f＝[1,…,1,0,…,0]T。在本实施实例中零点个数P＝1，零点为θc1＝40°，零陷宽度Δθ＝4°，主波束指向θr1＝-10°。将以上数值代入到权值计算公式ω＝Q-1C(CHQ-1C)-1f，可得如下权向量，
为将本发明得到的波束图与未考虑天线方向图(即理想天线方向图)的基于LCMV零陷展宽的波束形成方法对比，在此计算出基于理想天线方向图的波束形成权值。其权值计算方法是将上述计算表达式中所有修正阵列响应表达式b(θ)替换成理想阵列响应表达式a(θ)。计算得出的权值为
然后根据基于实际方向图和理想方向图的LCMV零陷展宽算法得到的权向量作出对应的波束图，如图6所示。按照本发明设计的波束在零点处形成的零陷深度比基于理想天线方向图的零陷深度更深，零陷宽度超过4°，主瓣指向-10°，符合设计要求。
以上所述为本发明较佳实施例，应该注意的是上述实施例对本发明进行说明，然而本发明并不局限于此，并且本领域技术人员在脱离所附权利要求的范围情况下可设计出替换实施例。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种联合阵列天线单元方向图的波束形成方法，具有如下技术特征：针对阵列天线，对阵列天线的各个天线单元进行方向图测试，根据天线测试点方向图，建立该阵列天线方向图数据库；利用天线方向图数据库，采用线性插值、样条插值的内插方式，获得阵列天线在离散化程度更高的方向上响应的精细方向图；对实测天线方向图进行插值获得该阵列天线更细致的方向图，利用该天线方向图对理想阵列天线的导向向量进行修正，修正方法是将内插获得的精细方向图和理想天线导向向量进行哈达玛积Hadamard积，得到修正导向向量，其中哈达玛积Hadamard积代表两个向量对应位置上的元素直接相乘；然后基于修正的导向向量表达式，利用线性约束最小方差LCMV算法得到波束形成权向量，实现波束形成。
2.如权利要求1所述的联合阵列天线单元方向图的波束形成方法，其特征在于：利用天线测试工具对阵列天线各个单元的方向图进行测试，测试中以一定的间隔测试方向图，并记录所有测试角度集合Ω和代表第m个阵元在测试角度θ处的复数响应gm(θ)的测试结果，得到g(θ)＝[g1(θ),g2(θ),…,gM(θ)]T，然后，利用线性插值、样条插值对实测方向图复数响应g(θ)进行插值，得到角度离散程度更高的方向图
3.如权利要求2所述的联合阵列天线单元方向图的波束形成方法，其特征在于：根据阵列天线理想结构，得到理想阵列的导向向量表达式：a(θ)＝[a1(θ),a2(θ),…,aM(θ)]T，计算导向向量a(θ)，测试角度
其中，am(θ)代表同阵列结构的理想阵列第m个阵元在测试角度θ处的复数响应。
4.如权利要求3所述的联合阵列天线单元方向图的波束形成方法，其特征在于：根据内插天线方向图
和理想阵列导向向量a(θ)，计算两者的Hadamard积得到修正的导向向量b(θ)，
且b(θ)＝a(θ)⊙g(θ)，其中⊙代表Hadamard积；最后将修正的导向向量运用到波束形成算法中，得到联合天线方向图的波束形成加权向量。
5.如权利要求1所述的联合阵列天线单元方向图的波束形成方法，其特征在于：基于线性约束最小方差LCMV零陷展宽加权方法设计联合天线方向图的波束形成加权向量。
6.如权利要求1所述的联合阵列天线单元方向图的波束形成方法，其特征在于：阵列天线各个阵元在0.8GHz频率上从0°到360°范围内，以1°为间隔对天线阵元馈电幅度和相位进行调整，并测量天线相应的幅度和相位，得到阵元1和阵元2天线方向图的相位响应和幅度响应离散采样，剩余阵元采用同样方法进行测量，得到所有阵元实测方向图复数响应g(θ)，测试角度θ＝0°:1°:360°。
7.如权利要求2所述的联合阵列天线单元方向图的波束形成方法，其特征在于：利用样条插值方法对各个阵元方向图以角度间隔为0.1°进行插值，得到插值的方向图
并且θ＝0°:0.1°:360°，以及插值后的阵元1和阵元2的相位响应和幅度响应；根据θ＝0°:0.1°:360°计算得理想导向向量a(θ)的数值，其中计算公式为a(θ)＝[exp(j0),exp(j(1.34×sinθ)),…,exp(j(15×1.34×sinθ))]T，其中j为虚数单位，其复指数运算法则满足exp(jx)＝cos(x)+j sin(x)，其中cos(x)和sin(x)分别代表实数角度的余弦和正弦函数值，根据插值的方向图
和理想导向向量a(θ)计算修正的导向向量b(θ)，b(θ)的计算公式为b(θ)＝a(θ)⊙g(θ)，⊙代表Hadamard积。
8.如权利要求7所述的联合阵列天线单元方向图的波束形成方法，其特征在于：将向量b(θ)、零陷宽度为Δθ的零陷区域所有导向向量构成的自相关矩阵
和约束矩阵C＝[b(θr1),…,b(θrL),b(θc1),…,b(θcP)]，代入基于线性约束最小方差LCMV的零陷展宽算法公式ω＝Q-1C(CHQ-1C)-1f中，求得联合阵列天线单元方向图的加权权值，其中，P为零点个数，θi第i个零陷中心角度，L为主波束个数，H为共轭转置，θr1,…,θrL为主波束指向角度，θc1,…,θcP为零点指向角度，约束向量f＝[1,…,1,0,…,0]T。
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2020
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
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