陣列誤差存在時均勻圓陣天線低副瓣波束形成方法

2023-06-02 01:09:21

專利名稱：陣列誤差存在時均勻圓陣天線低副瓣波束形成方法
技術領域：
本發明屬於通信技術領域，更進一步涉及雷達信號處理技術領域的陣列誤差存在時均勻圓陣天線低副瓣波束形成方法。本發明可實現在陣列誤差存在時對均勻圓陣天線進行低副瓣波束形成，得到良好的波束形成的結果。
背景技術：
目前，國內外在雷達信號處理技術領域中，波束形成時所使用的導向矢量是理想情況下的導向矢量或者是校正以後的導向矢量。北京交通大學在其專利申請文件「基於均勻圓陣列天線的多扇區空間復用方法及其系統」(公開號CN101674114,申請號200910093583.6，申請日2009.10.13)中進行波束形成時，所使用的導向矢量是理想情況下均勻圓陣天線的導向矢量。該專利申請所公開的技術存在的不足是，忽略了陣列誤差對波束形成結果的影響，在實際應用中均勻圓陣天線存在著嚴重的陣列誤差，導致波束形成的結果與理想情況下的波束形成結果偏差很大。中國船舶重工集團公司第七一五研究所在其專利申請文件「一種U形陣波束形成加權方法」(公開號CNlOl 149435A，申請號200710156454.8，申請日2007.10.23)中將參與波束形成的陣子投影到波陣面上然後通過加窗來完成波束形成，對陣列誤差有一定的校正作用。該專利申請公開的技術存在的不足是，進行波束形成時陣列誤差沒有得到徹底的校正，殘留的陣列誤差將使波束形成結果變差。

發明內容
本發明的目的在於克服上述現有技術的不足，提出一種陣列誤差存在時均勻圓陣天線低副瓣波束形成方法，將陣列誤差產生的影響矩陣因子看作均勻圓陣天線導向矢量的一部分，實際測量得到陣列誤差存在時均勻圓陣天線的導向矢量，結合方向圖綜合方法計算得到均勻圓陣天線的低副瓣權係數，解決了現有技朮忽略陣列誤差或者陣列誤差校正不徹底時得到的波束形成結果差的問題。實現本發明目的的思路是，將陣列誤差產生的影響矩陣因子看做均勻圓陣天線導向矢量的一部分，實際測量得到陣列誤差存在時均勻圓陣天線的導向矢量，結合方向圖綜合方法計算得到均勻圓陣天線的低副瓣權係數，繼而對均勻圓陣天線進行波束形成。為了實現上述目的，本發明具體實現步驟包括如下:(I)架設天線:將均勻圓陣天線架設在由步進電機驅動的轉臺上；(2)放置信號源:將一單頻的信號源放置於步驟⑴中均勻圓陣天線的遠場；(3)獲得接收機通道修正矩陣；(4)構建導向矢量:4a)設定轉臺轉動的次數:設定架設有均勻圓陣天線的轉臺轉動次數為360次，並將轉臺初次轉動的次數序號置為零；4b)測量信號源到達角:利用全球定位系統或經緯儀測量出信號源到達角；
4c)構建信號源到達角的導向矢量:採集器採集均勻圓陣天線的接收信號，將採集到的任意一個快拍的信號作為步驟4b)中信號源到達角對應的導向矢量；4d)判斷轉臺是否轉過設定的次數:轉臺轉動Γ，將轉臺轉動的次數序號增加1，判斷轉臺轉動的次數序號是否為360，如果是，則執行步驟4b)，否則，執行步驟4e)；4e)導向矢量構建完成；(5)修正導向矢量:將步驟(3)獲得的接收機通道修正矩陣左乘步驟(4)所構建的每個導向矢量；(6)形成低副瓣波束:採用方向圖綜合方法對修正後的導向矢量進行處理，產生低副瓣權係數，使用該低副瓣權係數對均勻圓陣天線進行波束形成。本發明與現有技術相比具有以下優點:
第一，本發明將陣列誤差作為均勻圓陣天線的固有屬性，將陣列誤差產生的影響矩陣因子看作均勻圓陣天線導向矢量的一部分，通過實際測量得到陣列誤差存在時均勻圓陣天線的導向矢量，將陣列誤差全部考慮在內，克服了現有技術不考慮陣列誤差或者陣列誤差校正不徹底而導致波束形成結果差的問題，使得本發明具有波束形成結果良好的優點。第二，本發明採用方向圖綜合方法，對信號源的統計特性以及均勻圓陣接收信號模型沒有任何要求，克服了現有技術因信號源統計特性的要求無法得到滿足或者均勻圓陣天線接收信號模型與實際不一致而導致的波束形成結果差的問題，使得本發明具有實用性強的優點。


圖1為本發明的流程圖；圖2為本發明實施例中採用八單元圓陣天線的示意圖；圖3為本發明實施例所形成的波束圖。
具體實施例方式
下面結合附圖對本發明作進一步的詳細描述。參照附圖1對本發明的具體步驟做詳細描述如下。步驟1，架設天線:將均勻圓陣天線架設在由步進電機驅動的轉臺上。步驟2，放置信號源:將一單頻的信號源放置於步驟(I)中均勻圓陣天線的遠場。步驟3，獲得接收機通道修正矩陣:第一步:將一單頻校正信號源的輸出埠，分別與接收機各個通道的輸入埠連接。第二步:採集器分別採集接收機各個通道的信號。第三步:將同一個時刻採集器採集的信號，按接收機通道的順序組成一個向量，用向量中第二個至最後一個元素分別除以該向量的第一個元素，得到接收機通道修正係數向量。
第四步:將單位矩陣中的對角元素依次替換為接收機通道修正係數向量中的各元素，形成一個對角矩陣，將該對角矩陣確定為接收機通道修正矩陣。步驟4，構建導向矢量:4a)設定轉臺轉動的次數:設定架設有均勻圓陣天線的轉臺轉動次數為360次，並將轉臺初次轉動的次數序號置為零。4b)測量信號源到達角:利用全球定位系統或經緯儀測量出信號源到達角。4c)構建信號源到達角的導向矢量:採集器採集均勻圓陣天線的接收信號，將採集到的任意一個快拍的信號作為步驟4b)中信號源到達角對應的導向矢量。4d)判斷轉臺是否轉過設定的次數:轉臺轉動1°，將轉臺轉動的次數序號增加1，判斷轉臺轉動的次數序號是否為360，如果是，則執行步驟4b)，否則，執行步驟4e)。4e)導向矢量構建完成。步驟5，修正導向矢量:將步驟(3)獲得的接收機通道修正矩陣左乘步驟(4)所構建的每個導向矢量。步驟6，形成低副瓣波束:計算低副瓣權係數:第一步:在步驟(4)測量得到的全部信號源到達角中，根據所要觀察的空域選取一個信號源到達角作為波束指向，同時，在(0°，360° )範圍內，根據所要求的角度解析度取主瓣寬度。本發明的實施例中所要觀察的空域為信號源到達角為0°附近的空域，因此波束指向取0°，本發明的實施例中要求的角度解析度為50°，因此主瓣寬度取50°。第二步:在(0，1)範圍內，根據所要求的信號幹擾比值取最大副瓣電平與主瓣電平的比值。本發明的實施例中所要求的信號幹擾比0.1，因此最大副瓣電平與主瓣電平的比值為0.1。第三步:確定副瓣區域:如果波束指向Θ ^滿足條件時，則將副瓣區域確定為[θ0+—,θ0 - γ + 360°]。如果波束指向θ ^滿足360° ~<θ0< 360°條件時，則將副瓣區域確定為[沒0 + γ-360 ,θ0-—]。除上述兩個情形外的其他情形下，將副瓣區域確定為[為-^A +f]。其中，α表示本步驟第一步所選取的主瓣寬度，Θ ^表示本步驟第一步所選取的波束指向。本發明實施例中副瓣區域為[25° ,335° ]。第四步:選取步驟(4)測量得到的副瓣區域中的全部信號源到達角，組成副瓣區信號源到達角向量，並統計該向量中信號源到達角的個數。本發明實施例中副瓣區信號源到達角向量中信號源到 達角的個數為311。第五步:按照下式計算低副瓣權係數:w = (AAh) ^1Ab
A= [a ( θ 0), a ( Θ ^ , a ( θ 2),..., a ( Θ ^ ]b = [I, β , β , β , , β]Η其中，w表示低副瓣權係數，A表示波束指向控制矩陣，Ah表示波束指向控制矩陣A的共軛轉置矩陣，(AAh)-1表示矩陣AAh的逆矩陣，b表示副瓣電平控制向量，a( Θ ^，a( Θ J，a( θ 2),..., a( Θ ^分別表不步驟(4)構建的信號源到達角Θ d, Θ !, Θ 2，...，Θ j的導向矢量，Qtl表示本步驟第一步所選取的波束指向，Q1, θ2，...，Θ ^分別表示副瓣區信號源到達角向量中的信號源到達角，J表示副瓣區信號源到達角向量中信號源到達角的個數，β表示本步驟第二步選取的最大副瓣電平與主瓣電平的比值，H表示共軛轉置符號。
波束形成:利用低副瓣權係數對均勻圓陣天線在全空間的接收信號進行加權。下面結合附圖2、附圖3對本發明的效果做進一步的描述。圖2為本發明實施例中採用的八單元均勻圓陣天線的示意圖。圖3為本發明實施例的波束圖，其中，圖3(a)為利用本發明測量得到的導向矢量產生的低副瓣權係數形成的波束圖，圖3(b)為利用理想導向矢量產生的低副瓣權係數形成的波束圖。1、本發明實施例的條件:圖2為本發明的實施例中採用的八單元均勻圓陣天線的示意圖，圖2中，天線的半徑為3.06m,圖2中所標示0，1，2，..7代表八單元均勻圓陣天線的八個陣子，八個陣子均勻分布在圖2中的大圓上，s(t)表示本發明實施例中採用的單頻信號源，Θ為信號源到達角。本發明實施例中信號源的頻率為100.52MHz，採樣頻率為76.8MHz，數據率為200KHz，八單元均勻圓陣天線在每一個位置處採樣的數據存放在一個單獨的文件中，文件大小為5M。從每一個文件中任取一個數據構成八單元均勻圓陣天線在全空間的導向矢量，波束指向取為0°，應用方向圖綜合方法在MATLAB軟體平臺對導向矢量進行處理，得到一組低副瓣權係數。在每一個數據文件中任取一個與之前不同的數據，構成八單元均勻圓陣天線在全空間的接收信號樣本，按此操作構成兩個樣本，使用低副瓣權係數對這兩個樣本進行加權，得到的波束如圖3(a)所示。2、本發明實施例的結果分析:圖3(a)為利用本發明產生的低副瓣權係數加在八單元均勻圓陣天線在全空間上接收數據的兩個不同樣本上得到的波束。圖3(a)中橫軸表示信號源的到達角，縱軸表示八單元均勻圓陣天線接收信號被加權以後的相對功率。圖3(a)中曲線為八單元均勻圓陣天線接收信號被加權以後的相對功率隨信號源到達角的變化曲線，圖3(a)中以實線標示的曲線表示利用本發明產生的低副瓣波束加在八單元均勻圓陣天線在全空間接收信號的其中一個樣本上形成的波束，以虛線標示的信號表示利用本發明產生的低副瓣波束加在八單元均勻圓陣天線在全空間接收信號的另外一個樣本上形成的波束。從圖3(a)中可以看出，利用本發明產生的低副瓣權係數加在八單元均勻圓陣天線在全空間上接收數據的兩個不同樣本上得到的波束幾乎重疊在一起，而且最高副瓣的功率低於主瓣20dB，得到了良好的低副瓣波束形成結果。圖3(b)為利用理想導向矢量產生的低副瓣權係數加在八單元均勻圓陣天線在全空間接收數據的一個樣本上產生的波束，橫軸表示信號源的到達角，縱軸表示八單元均勻圓陣天線接收信號被加權以後的相對功率，圖3(b)中曲線為八單元均勻圓陣天線接收信號被加權以後的相對功率隨信號源到達角的變化曲線，從圖3(b)中可以看出，利用理想導向矢量產生的低副瓣權係數加在八單元均勻圓陣天線在全空間接收數據的一個樣本上產生的波束，主瓣指向偏離了預期指向，最大副瓣電平過高，而利用本發明產生的低副瓣權係數可以得到良好的波束形成結果，最高副瓣功率低於主瓣20dB，證明了本發明的優越性和實用性。
權利要求
1.陣列誤差存在時均勻圓陣天線低副瓣波束形成方法，其具體步驟如下: (1)架設天線:將均勻圓陣天線架設在由步進電機驅動的轉臺上； (2)放置信號源:將一單頻的信號源放置於步驟(I)中均勻圓陣天線的遠場； (3)獲得接收機通道修正矩陣； (4)構建導向矢量: 4a)設定轉臺轉動的次數:設定架設有均勻圓陣天線的轉臺轉動次數為360次，並將轉臺初次轉動的次數序號置為零； 4b)測量信號源到達角；利用全球定位系統或經緯儀測量出信號源到達角； 4c)構建信號源到達角的導向矢量:採集器採集均勻圓陣天線的接收信號，將採集到的任意一個快拍的信號作為步驟4b)中信號源到達角對應的導向矢量； 4d)判斷轉臺是否轉過設定的次數: 轉臺轉動1°，將轉臺轉動的次數序號增加1，判斷轉臺轉動的次數序號是否為360，如果是，則執行步驟4b)，否則，執行步驟4e)； 4e)導向矢量構建完成； (5)修正導向矢量: 將步驟(3)獲得的接收機通道修正矩陣左乘步驟(4)所構建的每個導向矢量； (6)形成低副瓣波束: 採用方向圖綜合方法對修正後的導向矢量進行處理，產生低副瓣權係數，使用該低副瓣權係數對均勻圓陣天線進行波束形成。
2.根據權利要求1所述的陣列誤差存在時均勻圓陣天線低副瓣波束形成方法，其特徵在於:步驟(3)所述的接收機通道修正矩陣的獲取步驟如下: 第一步:將一單頻校正信號源的輸出埠，分別與接收機各個通道的輸入埠連接； 第二步:採集器分別採集接收機各個通道的信號； 第三步:將同一個時刻採集器採集的信號，按接收機通道的順序組成一個向量，用向量中第二個至最後一個元素分別除以該向量的第一個元素，得到接收機通道修正係數向量； 第四步:將單位矩陣中的對角元素依次替換為接收機通道修正係數向量中的各元素，形成一個對角矩陣，將該對角矩 陣確定為接收機通道修正矩陣。
3.根據權利要求1所述的陣列誤差存在時均勻圓陣天線低副瓣波束形成方法，其特徵在於:步驟(6)所述的方向圖綜合方法的具體步驟如下: 第一步:在步驟(4)測量得到的全部信號源到達角中，根據所要觀察的空域選取一個信號源到達角作為波束指向，同時，在(0°，360° )範圍內，根據所要求的角度解析度取主瓣寬度； 第二步:在(0，1)範圍內，根據所要求的信號幹擾比值取最大副瓣電平與主瓣電平的比值； 第三步:確定副瓣區域: 如果波束指向θ^滿足■!條件時，則將副瓣區域確定為 - — + 360°]；如果波束指向Θ ^滿足
4.根據權利要求1所述的陣列誤差存在時均勻圓陣天線低副瓣波束形成方法，其特徵在於:步驟(6)所述的波束形成是通過低副瓣權係數對均勻圓陣天線在全空間的接收信號進行加權來完成的。
全文摘要
本發明公開了一種陣列誤差存在時均勻圓陣天線低副瓣波束形成方法，主要解決現有技朮忽視均勻圓陣天線的陣列誤差或者對陣列誤差校正不徹底而導致波束形成差的問題。其實現的具體步驟如下，(1)架設天線；(2)放置信號源；(3)獲得接收機通道修正矩陣；(4)構建導向矢量；(5)修正導向矢量；(6)形成低副瓣波束。本發明將陣列誤差產生的影響矩陣因子看作陣列天線導向矢量的一部分，實際測量得到陣列誤差存在時的導向矢量，具有構建的導向矢量與實際情況更加符合的優點。本發明利用方向圖綜合方法計算得到低副瓣權係數，能夠得到滿意的波束形成結果。對實測數據的處理結果進一步驗證了本發明的優越性和實用性。
文檔編號H04B7/06GK103152088SQ201310055960
公開日2013年6月12日 申請日期2013年1月31日 優先權日2013年1月31日
發明者王俊, 呂小永, 喬家輝, 朱昀, 王珏 申請人:西安電子科技大學