CN113326471A - 一种星载相控阵部分阵元失效后的方向图重构方法 - Google Patents

一种星载相控阵部分阵元失效后的方向图重构方法 Download PDF

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Abstract

一种星载相控阵部分阵元失效后的方向图重构方法，属于卫星通信领域的信号传输技术，解决了现有方向图重构方法存在计算量大，对设备的要求较高，实时性和适应性差的问题。本发明根据星载相控阵实际需要发射信号增益的最大值，设置目标增益方向的初始方向图函数及方向图函数主瓣内各方向增益和旁瓣内的最大增益；利用初始方向图函数及方向图函数主瓣内各方向增益和旁瓣内的最大增益，根据迭代傅里叶算法对实际星载相控阵的有效阵元的激励权值进行修正；修正后的有效阵元激励权值加载在星载相控阵对应的有效阵元上，获得修复后的星载相控阵方向图。本发明适用于星载相控阵失效的方向图重构修正。

Description

一种星载相控阵部分阵元失效后的方向图重构方法
技术领域
本发明属于卫星通信领域的信号传输技术。
背景技术
星载相控阵在部分阵元出现失效时需要在线实时进行的方向图重构，通常情况下阵元失效会使天线的性能降低，包括增益下降，方向图旁瓣电平升高等，导致其无法满足工作指标，影响接收端的误码率。星上载荷的运算能力有限，同时需要快速生成波束。
常用于解决阵元失效的方向图重构修正问题的技术是基于随机优化算法的方向图重构方法。此处所述的基于随机优化算法的方向图重构方法，其步骤包括四步：
1.找到阵列中的失效阵元的位置；
2.将失效阵元对应的权值系数置零来构建权值向量；
3.以方向图的某一指标作为代价函数，使用随机优化算法求解符合要求的权值向量；
4.将所得的权值向量加载至阵列的阵元上，进行方向图的重构。
其中，所述的随机优化算法包括粒子群算法、鲸鱼算法、头脑风暴算法、遗传算法等。
但是，基于随机优化算法的方向图重构方法对计算设备的要求高，得到结果需要花费较多的时间，难以保证实时性，不适合在卫星上这种计算能力有限且要求实时性的场合使用。
发明内容
本发明目的是为了解决现有方向图重构方法存在计算量大，对设备的要求较高，实时性和适应性差的问题，提出了一种星载相控阵部分阵元失效后的方向图重构方法。
本发明所述的一种星载相控阵部分阵元失效后的方向图重构方法，具体包括：
步骤一、根据星载相控阵实际需要发射信号增益的最大值，设置目标增益方向的初始方向图函数F0(θ)及方向图函数F0(θ)主瓣内各方向增益和旁瓣内的最大增益SLL；
步骤二、利用初始方向图函数F0(θ)及方向图函数F0(θ)主瓣内各方向增益和旁瓣内的最大增益SLL，根据迭代傅里叶算法对星载相控阵的有效阵元的激励权值进行修正；
步骤三、将步骤二中的修正后的有效阵元激励权值加载在星载相控阵对应的有效阵元上，获得修复后的星载相控阵方向图。
进一步地，本发明中，步骤一中所述的目标方向具体为：
当星载相控阵为均匀线阵时，目标方向是方位角；
当星载相控阵为匀面阵时，目标方向是方位角和俯仰角。
进一步地，本发明中，步骤二中，根据迭代傅里叶算法修正有效阵元的激励权值的具体方法为：
步骤二一、在步骤一中所述的初始方向图函数F0(θ)上平均抽取M个不同方向的采样点，将M个采样点的方向图函数值作为采样向量F，并将采样向量F作为实际的方向图函数的初始值；M为大于1的整数；
F＝[F(θ1),F(θ2),...F(θM)]
步骤二二、将失效的阵元的激励权值设为0；
步骤二三、利用公式：
Figure BDA0003087524190000021
计算第i个阵元的激励权值wi，其中，θm为采样点的角度，1≤m≤M，λ为相控阵天线工作频率对应的波长，d为阵元间距，j为虚数单位；
步骤二四、利用每个阵元的激励权值wi，通过公式：
Figure BDA0003087524190000022
计算获得实际方向图函数F(θm)，N为星载相控阵天线所有阵元的个数；
步骤二五、采用初始方向图函数F0(θ)的主瓣方向增益对实际方向图函数F(θm)主瓣部分的方向增益进行修正，获得主瓣部分修正后的方向图函数F′(θm)；
步骤二六、采用旁瓣内的最大增益SLL，对主瓣部分修正后的方向图函数F′(θm)中旁瓣部分方的向增益进行修正，获得旁瓣部分修正后的方向图函数F″(θm)；
步骤二七、采用公式：
Figure BDA0003087524190000023
计算修正后的实际方向图函数的加权值wi′，并判断wi′是否满足迭代终止条件，若是，完成对星载相控阵有效阵元的修正，否则，令wi′＝wi，返回执行步骤二四，进行下一次迭代。
进一步地，本发明中，步骤二五中，采用初始方向图函数F0(θ)的主瓣方向增益对实际方向图函数F(θm)主瓣部分的方向增益进行修正，获得主瓣部分修正后的方向图函数F′(θm)采用公式：
Figure BDA0003087524190000031
计算实现，其中，
Figure BDA0003087524190000032
Figure BDA0003087524190000033
θmain_l是F0(θ)主瓣对应的角度范围的下边界，θmain_u是F0(θ)主瓣对应的角度范围的上边界。
进一步地，本发明中，步骤二六中，采用旁瓣内的最大增益SLL，对主瓣部分修正后的方向图函数F′(θm)中旁瓣部分方的向增益进行修正，获得旁瓣部分修正后的方向图函数F″(θm)采用公式：
Figure BDA0003087524190000034
计算实现。
进一步地，本发明中，步骤二七中，迭代终止条件为：
迭代次数是否达到迭代次阈值A，A为正整数；
wi和wi'之间的差值小于差值的量级小于设定差值阈值。
进一步地，本发明中，迭代次阈值的范围为：128≤A≤256。
进一步地，本发明中，差值阈值为10-4。
进一步地，本发明中，步骤二一中，M取值为星载相控阵阵元总数量的5倍至8倍。
进一步地，本发明中，步骤二三中，阵元间距d＝λ/2。
本发明所述方法计算效率高，计算资源耗费少。算法复杂度仅为O(nlogn)，可以在极大降低计算量的情况下实现方向图的重构和修复，适合用在卫星上计算资源有限且实时性高的场景中；当阵元总数量大时，相比现有技术常用的随机优化算法(或称智能优化算法)效率显著提升。本发明灵活性高，适应性好，初始方向图F0(θ)不限定为特定形状，失效阵元位置不限定为特定位置。本发明通用性好，本方法不依赖于阵列中阵元的类型，且阵元在矩形栅格排列、三角栅格排列，圆形排列等情况下均适用。
附图说明
图1是本发明所述方法的流程图；
图2是失效阵元和有效阵元之间的位置示意图；图中，○为有效阵元，*为失效阵元；
图3是具体实施例中在阵元数量为32的均匀线阵上的一个实施结果图；
图4是具体实施例中所述的误差收敛曲线；
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
具体实施方式一：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式所述一种星载相控阵部分阵元失效后的方向图重构方法，具体包括：
步骤一、根据星载相控阵实际需要发射信号增益的最大值，设置目标增益方向的初始方向图函数F0(θ)及方向图函数F0(θ)主瓣内各方向增益和旁瓣内的最大增益SLL；
步骤二、利用初始方向图函数F0(θ)及方向图函数F0(θ)主瓣内各方向增益和旁瓣内的最大增益SLL，根据迭代傅里叶算法对实际星载相控阵的有效阵元的激励权值进行修正；
步骤三、将步骤二中的修正后的有效阵元激励权值加载在星载相控阵对应的有效阵元上，获得修复后的星载相控阵方向图。
进一步地，本实施方式中，步骤一中所述的目标方向具体为：
当星载相控阵为均匀线阵时，目标方向是方位角；
当星载相控阵为匀面阵时，目标方向是方位角和俯仰角。
进一步地，本实施方式中，步骤二中，根据迭代傅里叶算法修正有效阵元的激励权值的具体方法为：
步骤二一、在步骤一中所述的初始方向图函数F0(θ)上平均抽取M个不同方向的采样点，将M个采样点的方向图函数值作为采样向量F，并将采样向量F作为实际的方向图函数的初始值；M为大于1的整数；
F＝[F(θ1),F(θ2),...F(θM)]
步骤二二、将失效的阵元的激励权值设为0；
步骤二三、利用公式：
Figure BDA0003087524190000051
计算第i个阵元的激励权值wi，其中，θm为采样点的角度，1≤m≤M，λ为相控阵天线工作频率对应的波长，d为阵元间距，j为虚数单位；
步骤二四、利用每个阵元的激励权值wi，通过公式：
Figure BDA0003087524190000052
计算获得实际方向图函数F(θm)，N为星载相控阵天线所有阵元的个数；
步骤二五、采用初始方向图函数F0(θ)的主瓣方向增益对实际方向图函数F(θm)主瓣部分的方向增益进行修正，获得主瓣部分修正后的方向图函数F′(θm)；
步骤二六、采用旁瓣内的最大增益SLL，对主瓣部分修正后的方向图函数F′(θm)中旁瓣部分方的向增益进行修正，获得旁瓣部分修正后的方向图函数F″(θm)；
步骤二七、采用公式：
Figure BDA0003087524190000053
计算修正后的实际方向图函数的加权值wi′，并判断wi′是否满足迭代终止条件，若是，完成对星载相控阵有效阵元的修正，否则，令wi′＝wi，返回执行步骤二四，进行下一次迭代。
进一步地，本实施方式中，步骤二五中，采用初始方向图函数F0(θ)的主瓣方向增益对实际方向图函数F(θm)主瓣部分的方向增益进行修正，获得主瓣部分修正后的方向图函数F′(θm)采用公式：
Figure BDA0003087524190000061
计算实现，其中，
Figure BDA0003087524190000062
Figure BDA0003087524190000063
θmain_l是F0(θ)主瓣对应的角度范围的下边界，θmain_u是F0(θ)主瓣对应的角度范围的上边界。
进一步地，本实施方式中，步骤二六中，采用旁瓣内的最大增益SLL，对主瓣部分修正后的方向图函数F′(θm)中旁瓣部分方的向增益进行修正，获得旁瓣部分修正后的方向图函数F″(θm)采用公式：
Figure BDA0003087524190000064
计算实现。
进一步地，本实施方式中，步骤二七中，迭代终止条件为：
迭代次数是否达到迭代次阈值A，A为正整数；
wi和wi'之间的差值小于差值的量级小于设定差值阈值。
进一步地，本实施方式中，迭代次阈值的范围为：128≤A≤256。
进一步地，本实施方式中，差值阈值为10-4。
进一步地，本实施方式中，步骤二一中，M取值为星载相控阵阵元总数量的5倍至8倍。
进一步地，本实施方式中，步骤二三中，阵元间距d＝λ/2。
具体实施例：
首先构造一个均匀线性阵列模型，总阵元数为32，工作频率为28GHz。现在考虑32个阵元中随机失效4个阵元，实施例的情况中，有效阵元与失效阵元的相对位置如图2所示。
实施例中，采样点数M选择为256点，旁瓣最大增益SLL选择为-40dB，主瓣内的赋值在角度为0的方向上满足F(θ)＝1。作为对照，在同样的阵列上生成满阵情况下旁瓣最大增益为-40dB的切比雪夫加权的方向图。由图3可见阵元失效对方向图性能存在劣化影响，而基于迭代傅里叶的方向图重构修复技术能改善方向图性能指标。
由图4可见，在本实施例上本发明仅通过32次迭代便满足了设计要求，结合算法复杂度低的特点，可认为具有很高的处理速度，能够满足实时性的要求。
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。

Claims (10)

1.一种星载相控阵部分阵元失效后的方向图重构方法，其特征在于，该方法具体包括：
步骤一、根据星载相控阵实际需要发射信号增益的最大值，设置目标增益方向的初始方向图函数F0(θ)及方向图函数F0(θ)主瓣内各方向增益和旁瓣内的最大增益SLL；
步骤二、利用初始方向图函数F0(θ)及方向图函数F0(θ)主瓣内各方向增益和旁瓣内的最大增益SLL，根据迭代傅里叶算法对星载相控阵的有效阵元的激励权值进行修正；
步骤三、将步骤二中的修正后的有效阵元激励权值加载在星载相控阵对应的有效阵元上，获得修复后的星载相控阵方向图。
2.根据权利要求1所述的一种星载相控阵部分阵元失效后的方向图重构方法，其特征在于，步骤一中所述的目标方向具体为：
当星载相控阵为均匀线阵时，目标方向是方位角；
当星载相控阵为匀面阵时，目标方向是方位角和俯仰角。
3.根据权利要求1或2所述的一种星载相控阵部分阵元失效后的方向图重构方法，其特征在于，步骤二中，根据迭代傅里叶算法修正有效阵元的激励权值的具体方法为：
步骤二一、在步骤一中所述的初始方向图函数F0(θ)上平均抽取M个不同方向的采样点，将M个采样点的方向图函数值作为采样向量F，并将采样向量F作为实际的方向图函数的初始值；M为大于1的整数；
F＝[F(θ1),F(θ2),...F(θM)]
步骤二二、将失效的阵元的激励权值设为0；
步骤二三、利用公式：
Figure FDA0003087524180000011
计算第i个阵元的激励权值wi，其中，θm为采样点的角度，1≤m≤M，λ为相控阵天线工作频率对应的波长，d为阵元间距，j为虚数单位；
步骤二四、利用每个阵元的激励权值wi，通过公式：
Figure FDA0003087524180000012
计算获得实际方向图函数F(θm)，N为星载相控阵天线所有阵元的个数；
步骤二五、采用初始方向图函数F0(θ)的主瓣方向增益对实际方向图函数F(θm)主瓣部分的方向增益进行修正，获得主瓣部分修正后的方向图函数F′(θm)；
步骤二六、采用旁瓣内的最大增益SLL，对主瓣部分修正后的方向图函数F′(θm)中旁瓣部分方的向增益进行修正，获得旁瓣部分修正后的方向图函数F″(θm)；
步骤二七、采用公式：
Figure FDA0003087524180000021
计算修正后的实际方向图函数的加权值wi′，并判断wi′是否满足迭代终止条件，若是，完成对星载相控阵有效阵元的修正，否则，令wi′＝wi，返回执行步骤二四，进行下一次迭代。
4.根据权利要求3所述的一种星载相控阵部分阵元失效后的方向图重构方法，其特征在于，步骤二五中，采用初始方向图函数F0(θ)的主瓣方向增益对实际方向图函数F(θm)主瓣部分的方向增益进行修正，获得主瓣部分修正后的方向图函数F′(θm)采用公式：
Figure FDA0003087524180000022
计算实现，其中，
Figure FDA0003087524180000023
Figure FDA0003087524180000024
θmain_l是F0(θ)主瓣对应的角度范围的下边界，θmain_u是F0(θ)主瓣对应的角度范围的上边界。
5.根据权利要求4所述的一种星载相控阵部分阵元失效后的方向图重构方法，其特征在于，步骤二六中,采用旁瓣内的最大增益SLL，对主瓣部分修正后的方向图函数F′(θm)中旁瓣部分方的向增益进行修正，获得旁瓣部分修正后的方向图函数F″(θm)采用公式：
Figure FDA0003087524180000031
计算实现。
6.根据权利要求3所述的一种星载相控阵部分阵元失效后的方向图重构方法，其特征在于，步骤二七中，迭代终止条件为：
迭代次数是否达到迭代次阈值A，A为正整数；
wi和wi'之间的差值小于差值的量级小于设定差值阈值。
7.根据权利要求6所述的一种星载相控阵部分阵元失效后的方向图重构方法，其特征在于，迭代次阈值的范围为：128≤A≤256。
8.根据权利要求6或7所述的一种星载相控阵部分阵元失效后的方向图重构方法，其特征在于，差值阈值为10-4。
9.根据权利要求2所述的一种星载相控阵部分阵元失效后的方向图重构方法，其特征在于，步骤二一中，M取值为星载相控阵阵元总数量的5倍至8倍。
10.根据权利要求2所述的一种星载相控阵部分阵元失效后的方向图重构方法，其特征在于，步骤二三中，阵元间距d＝λ/2。
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张凤仪: "星载相控阵凝视波束成形技术研究", 《中国优秀博硕士学位论文全文数据库(硕士)信息科技辑》 *
许京伟: "频率分集阵列雷达运动目标检测方法研究", 《中国优秀博硕士学位论文全文数据库(博士)信息科技辑》 *
郭旭强: "北斗卫星导航干扰检测与识别技术研究", 《中国优秀博硕士学位论文全文数据库(硕士)信息科技辑》 *

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CN113326471B (zh) 2022-12-09

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