CN113252998B - 相控阵天线和、差波束信号电平的平坦度优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出的一种相控阵天线和、差波束信号电平的平坦度优化方法，耗费硬件资源小、能改善多波束相控阵天线波束形成。本发明通过下述技术方案予以实现：基于迭代FFT算法实现直线稀疏阵列的峰值旁瓣电平最优化；利用相控阵天线激活区域激励阵列因子与阵元激励之间的傅里叶变换对关系，对不同的初始随机阵元激励分别作迭代循环，得到最优的阵元分布；应用循环迭代方式获取阵元激励系数，计算出每个阵元或子阵的和、差波束加权系数，根据自动生成激励信号，完成相控阵天线在对空间目标自跟踪时和、差波束电平平稳滑动设计，基于上述和、差波束电平平稳滑动设计，利用多波束形成球面阵天线差阵列划分的特点，得到修正后的和、差波束电平。

Description

相控阵天线和、差波束信号电平的平坦度优化方法

技术领域

本发明涉及一种改善数字化多波束相控阵天线和波束与差波束信号电平的平坦度的波束合成的优化方法。

背景技术

一维扫描相控阵天线在方位面具有窄波束、低副瓣特性，在俯仰面实现和差波束。单脉冲天线波束在方位扫描时，其极化特性是不断变化的。多波束天线(multibeamantenna)是能产生多个锐波束的天线。这些锐波束(称为元波束)可以合成一个或几个成形波束，以覆盖特定的空域。多波束天线有透镜式、反射面式和相控阵式等三种基本形式。此外还有以相控阵作为反射面或透镜馈源的混合形式。在阵列波束形成中，波束方向图一般要求具有低旁瓣特性。理论上可以设计出具有任意低旁瓣电平的波束方向图，但由于实际系统存在各种误差，如阵元幅相误差、阵元位置误差、阵元之间的互耦、通道响应失配等，限制了旁瓣电平的降低。

多波束相控阵天线设计的核心是多波束形成网络以及相控阵天线波束扫描特性与和差波束性能。多波束相控阵天线系统利用波束形成网络在空间形成多个不同指向的波束，实现空分复用，增加通信容量。相控阵多波束采用分割成子阵的方式形成多波束，各个子阵要同时工作，同时形成多波束，各个波束相邻波束间相互影响，增益影响在2～3个db。多波束相控阵天线阵列使用微波信号放大后分多路，各自独立相合成多个波束，通过相位和差单脉冲测角体制同时完成对多个目标的角跟踪功能。数字多波束形成是指在对阵列天线各阵元接收下变频后的中频信号进行A/D采样，然后分成多路进行数字波束形成处理。移相、幅度加权、信号合成等都是在FPGA中用算法来实现的。因此它的处理实现了软件化，灵活性更高，当然对硬件花销也提出高需求。特别是当要形成的波束数目很多时，硬件将变得很复杂，也难以测试和调级。数字波束形成在波束形成上较模拟方式有很大灵活性的同时，其工程应用还有很多局限性，射频放大、混频、中频采样的设备硬件量还是很大，需要开发专用高集成芯片；如果直接射频采样则存在采样频率、带宽和动态范围等限制问题。

天线设计中，和分布一般采用Taylor分布，差分布主要采用Bayliss分布。Bayliss分布是一种典型的差分布。它让阵列左右或上下两边单元的相位互相反相形成方位或俯仰差波束，同时降低差波束的副瓣电平。因此，工程实现时采用TaylorBayliss窗函数形成和、差波束。在相位分布和波束扫描中，如果电流分布是可分离的，此时阵因子可表示为&alpha；x和&alpha；y分别为口径分布在x方向和y方向的均匀底边相位。当波束扫描进行时，方向和方向的相位差都不为零，此时在阵列法线方向各单元辐射场不再是同相叠加，而是在偏离法线某一方向&theta；上，由于各单元的波程差引起的相位差抵消了各移相器引入的相移，各单元的辐射场变为同相叠加，因而使&theta；成为最大辐射方向。测量结果证明和波束的交叉极化方向图和主极化方向图的结构有很大差异，而差波束交叉极化和主极化的方向图结构比较相似，随方位扫描角的变化，起伏的规律也较为类似，最大峰值点相差不到10dB。方位差波束和俯仰差波束的主极化、交叉极化方向图很明显，两个差波束的极化特性并不是完全一样的，存在细微的差别，交叉极化的最高电平小于主极化电平约为9dB，相对于和波束而言，差波束的交叉极化的分量要更为丰富。可见，当天线在方位向上扫描时，极化特性变化显著，尤其在主瓣范围内，基本呈单调变化。特别地，当天线在主瓣范围[扫描时，其主极化分量逐渐减小，交叉极化分量增加，其交叉极化鉴别量从-300dB逐渐增大至10dB。另外，在实际应用中，阵列的阵元数目往往很多，比如相控阵雷达阵元数可能成百上千甚至上万，若采用全自适应处理，则运算量和储存量太大，收敛性太差，硬件成本高并且不能满足实时性要求。实际中数字阵列天线和、差波束加权系数的理论计算方法,将这些加权系数直接代入阵列中数字合成时会存在和、差波束的最大电平差值与理论增益差值不符的问题。

相控阵天线在自跟踪空间目标时，其激活区域会跟随目标指向移动而移动。也即，在跟踪目标时不断有阵元或子阵进入或离开激活区域。在这个过程中，相位可以调节，激励的幅度不可以调节，阵元或子阵的加入或离开激活区域都会造成和、差波束信号电平的波动。而和、差波束信号电平的波动会干扰相控阵天线对空间目标的自跟踪功能，在严重时会导致自跟踪目标丢失。因此，如何减小相控阵天线在对目标自跟踪过程中由于激活区域滑动而造成和、差波束电平的抖动，是相控阵天线自跟踪的一项关键技术。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种根据相控阵天线在自跟踪目标时激活区域及差阵列划分的特点，能够在相控阵天线自跟踪目标的动态过程中，减小和、差波束信号电平平坦度的方法。该方法简单可靠、耗费硬件资源小,能够在相控阵天线自跟踪目标的动态过程中减小由于激活区域滑动而造成的和、差波束信号电平抖动问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种相控阵天线和差波束信号电平的平坦度优化方法，其特征在于包括如下步骤：利用相控阵天线阵元或子阵，基于迭代快速傅里叶变换(FFT)算法的优化方法来实现直线稀疏阵列的峰值旁瓣电平最优化；利用相控阵天线激活区域激励阵列因子与阵元激励之间的傅里叶变换对关系，对不同的初始随机阵元激励分别作迭代循环，得到最优的阵元分布；根据目标指向及阵元或子阵的位置信息和给定的阵列因子，应用循环迭代方式获取阵元激励系数，按照给出的加权系数算法分析激励源和特征模CMA的耦合情况，加入模式加权系数(MWC)，计算出每个阵元或子阵MWC端口激励的和、差波束加权系数，根据MWC各个模式自动生成激励信号；采用相控阵天线阵元激活策略、和、差波束形成补偿算法、低旁瓣波束形成的波束修正算法及和差阵列划分修正算法完成相控阵天线在对空间目标自跟踪时和、差波束电平平稳滑动设计，基于上述和、差波束电平平稳滑动设计，利用多波束形成球面阵天线差阵列划分的特点，得到修正后的和、差波束电平的平坦度。

本发明的有益效果是：

本发明利用相控阵天线阵元或子阵，基于迭代快速傅里叶变换(FFT)算法的优化方法来实现直线稀疏阵列的峰值旁瓣电平最优化，有效地降低阵列波束的旁瓣，能够实现对干扰的有效抑制，波束形成的抗干扰能力得到了大大的提高。与常规LCMV方法相比，波束图中旁瓣水平有大幅度的降低。产生的方向图中的旁瓣水平相比常规LCMV方法有大幅度的降低。

本发明利用相控阵天线激活区域激励阵列因子与阵元激励之间的傅里叶变换对关系，对不同的初始随机阵元激励分别作迭代循环，得到最优的阵元分布；基于给定的阵列因子参数获取阵元激励，进而实现多阵元均匀线列阵低旁瓣和、差波束方向图合成。利用阵列因子与阵元激励之问存在的傅里叶变换对关系，根据给定的阵列因子应用循环迭代方式获取阵元激励系数，最终使其达到初始旁瓣要求。可以降低稀疏阵列的旁瓣电平。通过对接收阵列信号的加权，达到方向图主瓣对准期望，零陷对准干扰的效果，从而提高系统性能，降低了运算，加快了收敛速度。这种迭代合成方法对于均匀线阵阵元缺损情况下低旁瓣波束方向图的合成也十分有效，还可以有效解决阵元缺损情况下，均匀线列阵的低旁瓣和、差波束方向图合成问题。仿真验证了该方法的有效性.阵元未缺损情况下，和、差波束方向图的合成效率分别为99.6％和98.77％，阵元缺损情况下，和、差波束方向图的合成效率分别为90.03％和79.67％。

本发明根据目标指向及阵元或子阵的位置信息和给定的阵列因子，应用循环迭代方式获取阵元激励系数，按照给出的加权系数算法分析激励源和特征模CMA的耦合情况，加入模式加权系数(MWC)，计算出每个阵元或子阵MWC端口激励的和、差波束加权系数，根据MWC各个模式自动生成激励信号；到修正后的和、差波束。按照修正方法可避免相控阵天线在自跟踪目标的过程中由于波束滑动而造成的和、差波束电平抖动的问题。

简单可靠。本发明采用相控阵天线阵元激活策略、和、差波束形成补偿算法、低旁瓣波束形成的波束修正算法及和差阵列划分修正算法完成相控阵天线在对空间目标自跟踪时和、差波束电平平稳滑动设计，基于上述和、差波束电平平稳滑动设计，利用多波束形成球面阵天线差阵列划分的特点，得到修正后的和、差波束电平的平坦度。实现方法比较简单，可使相控阵天线在对空间目标的跟踪过程中保持和、差波束信号平稳以保障对目标稳定跟踪，提高了可靠性，利用原有球面相控阵天线设备，不需要复杂设备，仅涉及在波控软件跟踪流程的一些变化，不增加附加硬件，资源占用较少，降低了成本。完成和、差波束平稳滑动设计，不需要额外增加设备量和使用额外的硬件，节省了硬件资源和硬件成本。解决了相控阵天线波束滑动过程中和，差波束信号电平抖动的问题。

操作简便快捷，便于自动化设计。本发明保持原有系统的设备状态，巧妙利用多波束形成球面阵天线差阵列划分的特点，仅涉及波控软件流程的更改，没有附加的机械部件与操作，便于设备的自动化设计、运行与管理。具有工作频率高，实现增益大，扫描范围广。

附图说明

图1是相控阵天线阵元激活区域示意图；

图2是相控阵天线阵元激活算法优化方法示意图；

图3是相控阵天线差阵列划分示意图；

图4是相控阵天线差阵列划分算法优化方法示意图；

下面结合附图和实施实例对本发明进一步说明。

具体实施方式

参阅图1与图2，根据本发明，利用相控阵天线阵元或子阵，基于迭代快速傅里叶变换(FFT)算法的优化方法来实现直线稀疏阵列的峰值旁瓣电平最优化；利用相控阵天线激活区域激励阵列因子与阵元激励之间的傅里叶变换对关系，对不同的初始随机阵元激励分别作迭代循环，得到最优的阵元分布；根据目标指向及阵元或子阵的位置信息和给定的阵列因子，应用循环迭代方式获取阵元激励系数，按照给出的加权系数算法分析激励源和特征模CMA的耦合情况，加入模式加权系数(MWC)，计算出每个阵元或子阵MWC端口激励的和、差波束加权系数，根据MWC各个模式自动生成激励信号；采用相控阵天线阵元激活策略、和、差波束形成补偿算法、低旁瓣波束形成的波束修正算法及和差阵列划分修正算法完成相控阵天线在对空间目标自跟踪时和、差波束电平平稳滑动设计，基于上述和、差波束电平平稳滑动设计，利用多波束形成球面阵天线差阵列划分的特点，得到修正后的和、差波束电平的平坦度。

以X轴为阵列的法线，YOZ平面为相控阵天线阵面所在平面，将阵面中心设置在坐标系原点分别为行天线和列天线的方向矢量。根据目标指向向方位角φ，目标指向的俯仰角ψ，采用相控阵天线阵元激活优化算法，计算坐标系旋转矢量A1：

其中：

F₁₁＝cosφcosψ，F₁₂＝cosφsinψ，F₁₃＝sinφ；

F₂₁＝-sinψ；F₂₂＝cosψ，F₂₃＝0；

F₃₁＝-sinφcosψ，F₃₂＝-sinφsinψ，F₃₃＝cosφ；

根据坐标系旋转矢量A1及阵元的坐标x₁、、y₁、z₁计算阵元指向坐标x₂、、y₂、z₂；

x₂＝x₁F₁₁+y₁F₁₂+z₁F₁₃

y₂＝x₁F₂₁+y₁F₂₂+z₁F₁₂₃

z₂＝x₁F₃₁+y₁F₃₂+z₁F₃₃。

根据每个阵元的指向坐标x₂、、y₂、z₂，计算每个阵元的指向向量θ_阵元：

根据阵元区域向量ω_阵元和阵元指向向量θ_阵元，设置阵元激活判决向量门限θ_激活，计算阵元和波束激活修正加权值β_和。

表1阵元和波束修正加权值β_和

采用和波束修正算法，对每个阵元按上述计算修正加权值β_和n，并按如下算法修正和波束：

其中：n表示第n个阵元，b_n为每个阵元的和路合成信号。

参阅图3与图4。按直角坐标系，以俯仰差阵列划分向门限θΛ＝0为x轴，俯方位差阵列划分向门限θE＝0为y轴，将相控阵天线差阵列划分为A、B、C、D四个象限。在相控阵天线阵元差阵列划分算法优化过程，采用阵元的差阵列划分向量计算算法，根据阵元指向坐标x2、、y2、z2，计算每个阵元的指向向量θ_阵元：

与每个阵元的方位差阵列划分向量φ_子阵和俯仰差阵列划分向量

方位/俯仰差波束加权修正量1β_差：采用相控阵天线阵元激活优化算法计算方位/俯仰差波束加权值修正量1(β_差)的如下表2：

表2方位/俯仰差波束加权修正量1β_差

方位差波束加权值2α_方位的计算如下表3：

表3方位差波束加权修正值2α_方位

其中：θA为方位差阵列划分向量门限，ω_阵元为阵元区域向量。

俯仰差波束加权修正值2α_俯仰计算如下表4：

表4俯仰差波束波束加权修正值2α_俯仰

其中：θE为方位差阵列划分向量门限，ω_阵元为阵元区域向量。

采用差波束修正算法对每个阵元按上述计算修正加权值β_差n、α_方位n和α_俯仰n，并按如下算法修正方位差波束与俯仰差波束：

其中：n表示第n个阵元，b_n为每个阵元的差路合成信号。

本发明通过具体实施方式对本发明进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的设备；同时，对于本领域的技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种相控阵天线和、差波束信号电平的平坦度优化方法，其特征在于：利用相控阵天线阵元或子阵，基于迭代快速傅里叶变换(FFT)算法的优化方法来实现直线稀疏阵列的峰值旁瓣电平最优化；利用相控阵天线激活区域激励阵列因子与阵元激励之间的傅里叶变换对关系，对不同的初始随机阵元激励分别作迭代循环，得到最优的阵元分布；根据目标指向及阵元或子阵的位置信息和给定的阵列因子，应用循环迭代方式获取阵元激励系数，按照给出的加权系数算法分析激励源和特征模CMA的耦合情况，加入模式加权系数MWC，计算出每个阵元或子阵MWC端口激励的和、差波束加权系数，根据MWC各个模式自动生成激励信号；采用相控阵天线阵元激活策略、和、差波束形成补偿算法、低旁瓣波束形成的波束修正算法及和、差阵列划分修正算法完成相控阵天线在对空间目标自跟踪时和、差波束电平平稳滑动设计，基于上述和、差波束电平平稳滑动设计，利用多波束形成球面阵天线差阵列划分的特点，得到修正后的和、差波束电平的平坦度。

2.如权利要求1所述的相控阵天线和、差波束信号电平的平坦度优化方法，其特征在于：以X轴为阵列的法线，YOZ平面为相控阵天线阵面所在平面，将阵面中心设置在坐标系原点，根据目标指向方位角φ，目标指向的俯仰角ψ，采用相控阵天线阵元激活优化算法，计算坐标系旋转矢量A1：

其中：

F₁₁＝cosφcosψ，F₁₂＝cosφsinψ，F₁₃＝sinφ；

F₂₁＝-sinψ；F₂₂＝cosψ，F₂₃＝0；

F₃₁＝-sinφcosψ，F₃₂＝-sinφsinψ，F₃₃＝cosφ。

3.如权利要求1所述的相控阵天线和、差波束信号电平的平坦度优化方法，其特征在于：根据每个阵元的指向坐标x₂、y₂、z₂，计算每个阵元的指向向量θ_阵元：

并根据阵元区域向量ω_阵元和阵元指向向量θ_阵元，设置阵元激活判决向量门限θ_激活，计算阵元和波束激活修正加权值β_和。

4.如权利要求3所述的相控阵天线和、差波束信号电平的平坦度优化方法，其特征在于：阵元n的和波束修正加权值β_和n如下所示：

则：β_和n＝0；

则：β_和n＝0.1；

则：β_和n＝0.2；

则：β_和n＝0.3；

则：β_和n＝0.4；

则：β_和n＝0.5；

则：β_和n＝0.6；

则：β_和n＝0.7；

则：β_和n＝0.8；

则：β_和n＝0.9；

则：β_和n＝1.0。

5.如权利要求4所述的相控阵天线和、差波束信号电平的平坦度优化方法，其特征在于：采用和波束修正算法，对每个阵元计算修正加权值β_和n，并按如下算法修正和波束：

其中：n表示第n个阵元，b_n为每个阵元的和路合成信号。

6.如权利要求3所述的相控阵天线和、差波束信号电平的平坦度优化方法，其特征在于：按直角坐标系，以方位差阵列划分的方向门限θA＝0为x轴，俯仰差阵列划分的方向门限θE＝0为y轴，将相控阵天线差阵列划分为A、B、C、D四个象限，在相控阵天线阵元差阵列划分算法优化过程，采用阵元的差阵列划分向量计算算法，根据阵元指向坐标x2、y2、z2，计算每个阵元的指向向量θ_阵元：

与每个阵元指向的方位差阵列划分向量φ_阵元和俯仰差阵列划分向量

，

7.如权利要求6所述的相控阵天线和、差波束信号电平的平坦度优化方法，其特征在于：采用相控阵天线阵元激活优化算法计算方位/俯仰差波束加权值β_差n的修正量如下：

则：β_差n＝0；

则：β_差n＝0.1；

则：β_差n＝0.2；

则：β_差n＝0.3；

则：β_差n＝0.4；

则：β_差n＝0.5；

则：β_差n＝0.6；

则：β_差n＝0.7；

则：β_差n＝0.8；

则：β_差n＝0.9；

则：β_差n＝1.0。

8.如权利要求7所述的相控阵天线和、差波束信号电平的平坦度优化方法，其特征在于：阵元n的方位差波束加权值α_方位n的计算如下：

则：α_方位n＝0；

则：α_方位n＝0.1；

则：α_方位n＝0.2；

则：α_方位n＝0.3；

则：α_方位n＝0.4；

则：α_方位n＝0.5；

则：α_方位n＝0.6；

则：α_方位n＝0.7；

则：α_方位n＝0.8；

则：α_方位n＝0.9；

则：α_方位n＝1.0。

9.如权利要求8所述的相控阵天线和、差波束信号电平的平坦度优化方法，其特征在于：阵元n的俯仰差波束加权修正值α_俯仰n的计算如下：

则：α_俯仰n＝0；

则：α_俯仰n＝0.1；

则：α_俯仰n＝0.2；

则：α_俯仰n＝0.3；

则：α_俯仰n＝0.4；

则：α_俯仰n＝0.5；

则：α_俯仰n＝0.6；

则：α_俯仰n＝0.7；

则：α_俯仰n＝0.8；

则：α_俯仰n＝0.9；

则：α_俯仰n＝1.0。

10.如权利要求9所述的相控阵天线和、差波束信号电平的平坦度优化方法，其特征在于：采用差波束修正算法对每个阵元计算修正加权值βn、α_方位n和α_俯仰n后，按如下算法修正方位差波束与俯仰差波束：

其中：n表示第n个阵元，b_n为每个阵元的差路合成信号。

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