CN115842576B - 一种dbf副瓣抑制的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及阵列信号处理技术领域，公开了一种DBF副瓣抑制的方法，利用天线系统的部分阵元生成的波束，来抑制天线系统产生的副瓣增益，从而分离出主瓣波束。本发明解决了现有技术存在的较难完全消除副瓣波束、设备材料成本高等问题。
Description
技术领域
本发明涉及阵列信号处理技术领域，具体是一种DBF副瓣抑制的方法。
背景技术
DBF(Digital BeamForming)，译为数字波束形成，是采用数字方法实现波束形成的技术，目前广泛应用于阵列信号处理领域。数字波束形成技术，可以获得优良的波束性能，具备提高信噪比和分辨率，实现波束快速扫描和波束自适应控制等优点，因此在信号处理领域得到越来越广泛的应用。现有的DBF副瓣抑制的方法，是通过切副瓣天线来盖住DBF波束的副瓣波束，从而分离出主瓣波束。现有DBF副瓣抑制的方法如图1所示。
DBF主波束的方向图如图1中实线所示，图中标注的A0为主瓣波束，A1、A2为增益较大的第一副瓣波束。在实际应用中，需过滤掉副瓣波束，分离出主瓣波束A0，再利用比幅法进行侦察测向。
在天线系统设计时（见图2），为了分离出主瓣波束，需加入切副瓣的天线，用于产生副瓣抑制波束。图2中的前左、前右、后左、后右所示部分即为用于产生副瓣抑制波束需在系统中加入的切副瓣天线。其中前左、前右两部分天线产生图1中第一切副瓣天线和第二切副瓣天线所示的波束，用于切除最靠近主瓣波束的第一副瓣波束A1、A2。
为保障较广的方位覆盖范围，切副瓣天线产生的副瓣抑制波束一般具有波束宽度大、增益小等特点，如图1中第一切副瓣天线和第二切副瓣天线所示。
当阵列规模较大时，主瓣波束的增益A0较高，A1、A2相应也较高。此时如仍利用前左、前右切副瓣天线来抑制DBF波束的第一副瓣波束的方法，较难完全消除由主天线产生的副瓣波束，这不仅为后续的数字信号处理工作增加了难度，还提高了设备材料成本。随着天线阵规模逐渐增大，该设计方法造成的影响更为明显，其结果会直接导致设备测向误差增大，进而影响系统技术指标。
发明内容
为克服现有技术的不足，本发明提供了一种DBF副瓣抑制的方法，解决现有技术存在的较难完全消除副瓣波束、设备材料成本高等问题。
本发明解决上述问题所采用的技术方案是：
一种DBF副瓣抑制的方法，利用天线系统的部分阵元生成的波束，来抑制天线系统产生的副瓣增益，从而分离出主瓣波束。
作为一种优选的技术方案，包括以下步骤：
S1，波束产生：利用天线系统的个天线阵元加权产生个主波束；
S2，副瓣抑制波束生成：选取天线系统中M个天线阵元，加权产生副瓣抑制波束；
S3，主瓣波束分离：利用副瓣抑制波束及副瓣抑制天线，将的主瓣波束分离出来。
作为一种优选的技术方案，步骤S2中，生成分别围绕主瓣波束的两个波束形状相同的副瓣抑制波束。
作为一种优选的技术方案，步骤S3中，将主波束与左右波束形状相同的副瓣抑制波束及副瓣抑制天线相减，将的主瓣波束分离。
作为一种优选的技术方案，步骤S1中，波束合成公式为：
；
式中，
；
；
；
其中，表示主波束，表示相乘，表示天线阵元编号，表示第个阵元的输入信号，表示第个阵元的加权系数，表示自然对数，表示虚数单位，表示相邻天线阵元之间的距离，表示天线系统接收的信号的波长，表示入射角，表示信号到相邻天线阵元的相位差，表示信号到相邻天线阵元的路程差，。
作为一种优选的技术方案，；其中，表示用于形成副瓣抑制波束的天线阵元数量。
作为一种优选的技术方案，。
作为一种优选的技术方案，N=32，M=8。
作为一种优选的技术方案，采用的天线系统包括路沿输入信号传播方向依次串联的天线阵元、A/D转换器、乘法器，还包括与各个乘法器分别连接的累加器，路输入信号经过乘法器后进入累加器，然后生成主波束。
本发明相比于现有技术，具有以下有益效果：
（1）本发明利用天线系统的主天线的部分阵元生成的波束，来抑制主天线产生的副瓣增益，从而分离出主瓣波束；
（2）本发明所提方法具有有效性，尤其是在天线阵规模较大时，该方法对DBF副瓣抑制效果更佳，可减少设备材料成本。
附图说明
图1为现有技术的DBF副瓣抑制的方法示意图；
图2为现有技术的天线系统设计示意图；
图3为DBF原理示意图；
图4为主波束的Matlab仿真图；
图5为副瓣抑制波束的Matlab仿真图；
图6为左右两副瓣抑制波束的Matlab仿真图；
图7为本发明天线系统设计示意图；
图8为采用本发明进行DBF副瓣抑制的工作流程图；
图9为现有技术的副瓣抑制效果图；
图10为本发明得到的副瓣抑制效果图。
附图中标记及相应的零部件名称：1、天线阵元，2、A/D转换器，3、乘法器，4、累加器。
具体实施方式
下面结合实施例及附图，对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
如图1至图10所示，本发明考虑了切副瓣天线较难完全消除副瓣波束和设备材料成本两部分，提出了一种更为有效的DBF副瓣抑制的方法，适用于采用DBF体制进行侦察测向的设备。
为了解决现有DBF副瓣抑制的方法带来的较难完全消除副瓣波束和增加设备材料成本的问题，本发明提出一种DBF副瓣抑制的方法，可更好的分离出主瓣波束，满足后续数字信号处理工作的需要。
本发明为一种DBF副瓣抑制的方法，考虑了消除副瓣波束和工程可实现性等因素。
图3所示为DBF原理示意图。系统中有个均匀分布的天线阵元，相邻天线阵元之间的距离为，为入射角，接收信号波长为。
可以计算出信号到相邻天线阵元的路程差为：
（1）
其相位差为：
（2）
对其相位差进行补偿，加权因子为：
，（3）
波束合成公式为：
（4）
其中，为第个阵元的输入信号，为波束合成后的结果。
如图3所示，本发明采用的天线系统包括路沿输入信号传播方向依次串联的天线阵元1、A/D转换器2、乘法器3，还包括与各个乘法器3分别连接的累加器4，路输入信号经过乘法器3后进入累加器4，然后生成主波束；图3中，、、分别是阵元0、阵元1、阵元的加权系数。
图4是系统中有16个阵元，阵元间距为0.2m的均匀线阵，频率为600MHz，形成的波束。
本发明为：选取系统中个天线阵元，合成波束，用于副瓣抑制，分离出主瓣波束。
由于是选取主天线中的部分阵元，通过数字方法合成的波束，故的波束形状与大致相同，如图5所示（此处取）。通过此方法生成的用于副瓣抑制的，具有波束增益高、波束宽度大等特点，可同时覆盖较大方位范围。
同时生成左右两个波束形状相同的副瓣抑制波束，如图6所示。
从图6中可以观察到，主波束被左右两副瓣抑制波束分为上下两部分，其中上部即为被分离出的主瓣波束，下部（包括增益较高的第一副瓣）均被完全抑制。因为副瓣抑制波束为主天线部分阵元（本例中为1/4的主阵元）通过数字方式合成的波束，故只需通过合理指定副瓣抑制波束的指向，必定可以对DBF波束的第一副瓣进行抑制，且通过此方法可在天线系统设计中去掉前左、前右切副瓣天线部分，减少设备材料成本，如图7所示。
与现有技术相比，本发明分析了利用天线系统的主天线的部分阵元生成的波束，来抑制主天线产生的副瓣增益，从而分离出主瓣波束的新体制，并从数学上推导了副瓣抑制的方向图。
通过仿真实例验证表明，本发明所提方法具有有效性，尤其是在天线阵规模较大时，该方法对DBF副瓣抑制效果更佳，可减少设备材料成本。
实施例2
如图1至图10所示，作为实施例1的进一步优化，在实施例1的基础上，本实施例还包括以下技术特征：
为了验证本发明的有效性，这里设计了一个DBF体制的天线系统的仿真案例，验证方法的有效性。
考虑一个天线系统，主天线有32个阵元，阵元间距为0.2m，阵元均匀直线分布，频率为600MHz。
图10所示，为采用现有DBF副瓣抑制的方法，在天线系统中增加左、右切副瓣天线，得到的副瓣抑制效果图。图中A1、A2为DBF主波束的第一副瓣。从中可以看出第一副瓣波束未被切副瓣天线完全覆盖，主瓣波束没有被干净的分离出来。
采用本发明提出的DBF副瓣抑制方法，取主天线的8个阵元，生成副瓣抑制波束，得到的结果如图10所示。图中实现表示用所有主天线阵元形成的DBF主波束，▽和○线表示利用部分主天线阵元生成的副瓣抑制波束。从中可以看出在▽和○线之下的第一副瓣波束被完全覆盖，主瓣波束被干净的分离了出来。
通过相应的仿真分析，采用本发明提出的DBF副瓣抑制方法后，在所用材料比原来更少的情况下，副瓣波束可以被完全消除。
该技术具有传统副瓣抑制方法无法比拟的优势，在相关领域再深入分析研究，可为该技术在阵列信号处理工程中的应用奠定基础。
如上所述，可较好地实现本发明。
本说明书中所有实施例公开的所有特征，或隐含公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合和/或扩展、替换。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，依据本发明的技术实质，在本发明的精神和原则之内，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种DBF副瓣抑制的方法，其特征在于，利用天线系统的部分阵元生成的波束，来抑制天线系统产生的副瓣增益，从而分离出主瓣波束；
包括以下步骤：
S1，波束产生：利用天线系统的个天线阵元加权产生个主波束；
S2，副瓣抑制波束生成：选取天线系统中M个天线阵元，加权产生副瓣抑制波束；
S3，主瓣波束分离：利用副瓣抑制波束及副瓣抑制天线，将的主瓣波束分离出来；
步骤S1中，波束合成公式为：
；
式中，
；
；
；
其中，表示主波束，表示相乘，表示天线阵元编号，表示第个阵元的输入信号，表示第个阵元的加权系数，表示自然对数，表示虚数单位，表示相邻天线阵元之间的距离，表示天线系统接收的信号的波长，表示入射角，表示信号到相邻天线阵元的相位差，表示信号到相邻天线阵元的路程差，；
步骤S2中，生成分别围绕主瓣波束的两个波束形状相同的副瓣抑制波束；
步骤S3中，将主波束与左右波束形状相同的副瓣抑制波束及副瓣抑制天线相减，将的主瓣波束分离。
2.根据权利要求1所述的一种DBF副瓣抑制的方法，其特征在于，；其中，表示用于形成副瓣抑制波束的天线阵元数量。
3.根据权利要求2所述的一种DBF副瓣抑制的方法，其特征在于，。
4.根据权利要求3所述的一种DBF副瓣抑制的方法，其特征在于，N=32，M=8。
5.根据权利要求1至4任一项所述的一种DBF副瓣抑制的方法，其特征在于，采用的天线系统包括路沿输入信号传播方向依次串联的天线阵元（1）、A/D转换器（2）、乘法器（3），还包括与各个乘法器（3）分别连接的累加器（4），路输入信号经过乘法器（3）后进入累加器（4），然后生成主波束。
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