本发明专利技术提供了一种基于十字阵发射圆环阵接收的联合低旁瓣多波束形成方法，涉及阵列信号处理领域，使用两个相互垂直的均匀直线阵构成十字发射阵列，同时使用均匀圆环阵作为接收阵列，通过发射‑接收联合处理，一次发射形成指向不同方位的多个发射‑接收联合低旁瓣波束，若干次发射完成后获得的多个发射‑接收联合低旁瓣波束即可均匀覆盖0°～360°范围，本发明专利技术与传统的使用单个阵元发射、多个阵元组成均匀圆环阵接收进行主动多波束形成的方法相比，保证了足够的多波束形成效率，利用最优化方法获得覆盖0°～360°的多个联合低旁瓣波束，在使用接收阵元个数相同的情况下获得主瓣宽度相同但旁瓣更低的联合波束并保证足够的多波束形成效率。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及阵列信号处理领域，尤其是多波束形成方法。
技术介绍
在雷达、声纳等探测领域中，常使用单个阵元发射、多个阵元组成均匀圆环阵接收的主动多波束系统(H.L.Van Trees,Detection,Estimation,and Modulation Theory,Optimum Array Processing,Wiley Interscience,2002)。通过一次发射，多次接收波束形成，该系统可获得均匀覆盖0°～360°范围的多个波束，并基于波束输出完成探测等任务。与均匀直线阵相比，均匀圆环阵具有圆周对称的优点，使用其作为接收阵可以避免左右弦模糊，并且能够在0°～360°内形成多个等束宽波束，但会带来波束旁瓣过高的缺点，导致系统的干扰抑制能力下降。在接收阵使用均匀圆环阵的情况下，为了获得最低旁瓣，C.A.Olen与R.T.Compton(C.A.Olen,R.T.Compton,A Numerical Pattern Synthesis Algorithm for Arrays,IEEE Trans.Antennas Propagat.,1990,38(10):1666-1676)提出了基于自适应迭代算法的旁瓣控制方法，使用该方法可以获得任意主瓣宽度下的最低旁瓣波束，但计算量较大。之后，B.K.Lau等人(B.K.Lau,Y.H.Leung,A Dolph-Chebyshev Approach to the Synthesis of Array Patterns for Uniform Circular Arrays,Proc.IEEE Int.Symp.Circuits Systems(ISCAS),2000,1:124-127)提出了适用于均匀圆环阵的Dolph-Chebyshev波束合成方法，使用这一方法可以在计算量较小的情况下获得同样的效果。但是，C.A.Olen和B.K.Lau等人提出的波束合成方法仅针对接收圆环阵进行了波束优化。若要获得更低旁瓣的多个波束，必须以主瓣宽度变宽或阵元个数增加为代价。因此，传统的主动多波束系统在约束主瓣宽度较窄的前提下，使用C.A.Olen和B.K.Lau等人提出的波束合成方法无法同时获得理想的低旁瓣波束。
技术实现思路
传统的主动多波束系统中使用单个阵元发射、多个阵元组成均匀圆环阵进行接收，通过一次发射多次接收波束形成获得均匀覆盖0°～360°的多个波束。为了克服现有技术的不足，解决传统方法在主瓣较窄的前提下难以获得理想低旁瓣波束的问题，本专利技术提出使用两个相互垂直的均匀直线阵构成十字发射阵列，同时使用均匀圆环阵作为接收阵列，通过发射—接收联合处理，一次发射即可形成指向不同方位的多个发射—接收联合低旁瓣波束，若干次发射完成后获得的多个发射—接收联合低旁瓣波束即可均匀覆盖0°～360°范围。使用该方法可以在不牺牲主瓣宽度和不增加接收阵元个数的前提下获得理想的低旁瓣波束，同时保证一定的多波束形成效率。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案包括如下步骤：步骤1：根据设计频率fD设计发射阵和接收阵参数本专利技术中主动多波束形成系统的阵列由一个十字发射阵和一个均匀圆环接收阵构成，两者位于相互平行的两个平面中，两平面之间的距离的取值范围为λD～10λD，其中λD＝c/fD，为设计频率fD下的信号波长，c为信号传播速度，十字发射阵和均匀圆环接收阵两者几何中心的连线与两平面垂直，十字发射阵由相互垂直的两个M元均匀直线阵构成，两直线阵位于同一平面中，几何中心相互重合，两直线阵中任意两个相邻阵元的间距均为dt，且λD≤dt≤5λD，当M为奇数时，两直线阵共用阵列中心位置处的一个阵元，当M为偶数时，两直线阵没有公共阵元，N元均匀圆环接收阵中任意相邻两阵元间的圆弧长dr＝λD/2；步骤2：使用步骤1设计的十字发射阵和均匀圆环接收阵进行发射—接收联合处理每次联合处理中发射端进行一次发射，接收端进行多次接收波束形成，多次联合处理完成后获得覆盖0°～360°的多个联合低旁瓣波束：信号发射过程中，十字发射阵有两种发射方式，第一种发射方式是两个直线阵分别在不同时刻发射中心频率为fD，频段为f1,1到f1,2的窄带脉冲信号，f1,1和f1,2满足窄带条件f1,2-f1,1＜fD/10，第二种发射方式是十字发射阵中的两个直线阵同时发射频段不同的窄带脉冲信号，即一个直线阵的发射信号中心频率为fD，频段为f1,1到f1,2，另一直线阵的发射信号的中心频率为fD'，频段为f2,1到f2,2，f2,1和f2,2同样满足窄带条件f2,1-f2,2＜fD'/10，且f2,1到f2,2和f1,1到f1,2的频段范围没有重合；两种发射方式中均使用十字发射阵中的两个直线阵对信号进行加权发射，加权向量为其中为发射波束主瓣的方位角，λt为发射信号中心频率下的波长，m为大于等于0小于等于M-1的整数；发射时，发射阵1产生的发射波束的主瓣和栅瓣覆盖45°～135°和225°～315°，发射阵2产生的发射波束的主瓣和栅瓣覆盖0°～45°、135°～225°和315°～360°，设一共需要获得K个联合波束来覆盖0°～360°，则发射阵1和发射阵2各需要进行J＝K/4I次发射，其中I为发射阵1使用的加权向量发射信号时，发射波束中落入45°～135°内的主瓣和栅瓣的个数之和，第j次发射中，直线阵1的发射波束主瓣的方位角为直线阵2的发射波束主瓣的方位角为结合之前所述的两种发射方式，使用第一种发射方式时，发射端一共需要进行2J次发射，使用第二种发射方式时，发射端一共需要进行J次发射，第二种发射方式将发射次数减少一半，若接收机具有滤波功能，使用第一种发射方式，否则使用第二种发射方式；发射端每次发射后，接收端对回波信号进行多次接收波束形成，每次接收波束形成的主瓣对准此次发射波束的一个主瓣或栅瓣，针对发射阵1的回波信号，每次接收波束形成的主瓣对准45°～135°或225°～315°内的一个主瓣或栅瓣，针对发射阵2的回波信号每次接收波束形成的主瓣对准0°～45°、135°～225°或315°～360°内的一个发射主瓣或栅瓣；当十字发射阵采用第一种发射方式时，接收端直接对回波信号进行接收波束形成处理，当十字发射阵采用第二种发射方式时，接收端先对回波信号进行滤波，再进行接收波束形成处理，在每次接收波束形成中，使用波束优化技术对均匀圆环阵上的权值进行优化，使联合波束的旁瓣最低，在J次或2J次发射—接收联合处理后，即可获得覆盖0°～360°的多个低旁瓣联合波束，完成对0°～360°方向的多波束形成；步骤2中所述的使用波束优化技术对均匀圆环阵上的权值进行优化的详细步骤如下：接收端进行接收波束形成的加权系数由求解最优化问题获得，设某次发射获得的波束响应函数为表示方位角，发射波束图中主瓣和栅瓣出现的位置为则接收端进行多次接收波束形成，其中第k次接收波束形成的主瓣对准出现在处的主瓣或栅瓣，设第k次接收波束形成的加权系数为wk，则第k次接收波束形成获得的接收波束响应函数为其中，上标H表示共轭转置，为均匀圆环阵的阵列流型向量，以xoy平面内的坐标原点为参考点，为其中k＝2π/λr为波数，λr为接收信号的中心频率，R为均匀圆环阵的半径，为第本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种基于十字阵发射圆环阵接收的联合低旁瓣多波束形成方法，其特征在于包括下述步骤：步骤1：根据设计频率fD设计发射阵和接收阵参数本专利技术中主动多波束形成系统的阵列由一个十字发射阵和一个均匀圆环接收阵构成，两者位于相互平行的两个平面中，两平面之间的距离的取值范围为λD～10λD，其中λD＝c/fD，为设计频率fD下的信号波长，c为信号传播速度，十字发射阵和均匀圆环接收阵两者几何中心的连线与两平面垂直，十字发射阵由相互垂直的两个M元均匀直线阵构成，两直线阵位于同一平面中，几何中心相互重合，两直线阵中任意两个相邻阵元的间距均为dt，且λD≤dt≤5λD，当M为奇数时，两直线阵共用阵列中心位置处的一个阵元，当M为偶数时，两直线阵没有公共阵元，N元均匀圆环接收阵中任意相邻两阵元间的圆弧长dr＝λD/2；步骤2：使用步骤1设计的十字发射阵和均匀圆环接收阵进行发射—接收联合处理每次联合处理中发射端进行一次发射，接收端进行多次接收波束形成，多次联合处理完成后获得覆盖0°～360°的多个联合低旁瓣波束：信号发射过程中，十字发射阵有两种发射方式，第一种发射方式是两个直线阵分别在不同时刻发射中心频率为fD，频段为f1,1到f1,2的窄带脉冲信号，f1,1和f1,2满足窄带条件f1,2‑f1,1＜fD/10，第二种发射方式是十字发射阵中的两个直线阵同时发射频段不同的窄带脉冲信号，即一个直线阵的发射信号中心频率为fD，频段为f1,1到f1,2，另一直线阵的发射信号的中心频率为fD'，频段为f2,1到f2,2，f2,1和f2,2同样满足窄带条件f2,1‑f2,2＜fD'/10，且f2,1到f2,2和f1,1到f1,2的频段范围没有重合；两种发射方式中均使用十字发射阵中的两个直线阵对信号进行加权发射，加权向量为其中为发射波束主瓣的方位角，λt为发射信号中心频率下的波长，m为大于等于0小于等于M‑1的整数；发射时，发射阵1产生的发射波束的主瓣和栅瓣覆盖45°～135°和225°～315°，发射阵2产生的发射波束的主瓣和栅瓣覆盖0°～45°、135°～225°和315°～360°，设一共需要获得K个联合波束来覆盖0°～360°，则发射阵1和发射阵2各需要进行J＝K/4I次发射，其中I为发射阵1使用的加权向量发射信号时，发射波束中落入45°～135°内的主瓣和栅瓣的个数之和，第j次发射中，直线阵1的发射波束主瓣的方位角为直线阵2的发射波束主瓣的方位角为结合之前所述的两种发射方式，使用第一种发射方式时，发射端一共需要进行2J次发射，使用第二种发射方式时，发射端一共需要进行J次发射，第二种发射方式将发射次数减少一半，若接收机具有滤波功能，使用第一种发射方式，否则使用第二种发射方式；发射端每次发射后，接收端对回波信号进行多次接收波束形成，每次接收波束形成的主瓣对准此次发射波束的一个主瓣或栅瓣，针对发射阵1的回波信号，每次接收波束形成的主瓣对准45°～135°或225°～315°内的一个主瓣或栅瓣，针对发射阵2的回波信号每次接收波束形成的主瓣对准0°～45°、135°～225°或315°～360°内的一个发射主瓣或栅瓣；当十字发射阵采用第一种发射方式时，接收端直接对回波信号进行接收波束形成处理，当十字发射阵采用第二种发射方式时，接收端先对回波信号进行滤波，再进行接收波束形成处理，在每次接收波束形成中，使用波束优化技术对均匀圆环阵上的权值进行优化，使联合波束的旁瓣最低，在J次或2J次发射—接收联合处理后，即可获得覆盖0°～360°的多个低旁瓣联合波束，完成对0°～360°方向的多波束形成；步骤2中所述的使用波束优化技术对均匀圆环阵上的权值进行优化的详细步骤如下：接收端进行接收波束形成的加权系数由求解最优化问题获得，设某次发射获得的波束响应函数为表示方位角，发射波束图中主瓣和栅瓣出现的位置为则接收端进行多次接收波束形成，其中第k次接收波束形成的主瓣对准出现在处的主瓣或栅瓣，设第k次接收波束形成的加权系数为wk，则第k次接收波束形成获得的接收波束响应函数为其中，上标H表示共轭转置，为均匀圆环阵的阵列流型向量，以xoy平面内的坐标原点为参考点，为其中k＝2π/λr为波数，λr为接收信号的中心频率，R为均匀圆环阵的半径，为第i个阵元的方位角，接收端第k次接收波束形成获得的发射—接收联合波束响应函数为为使联合波束图的旁瓣最低，wk可通过解以下最优化问题得到式中BWSL为主瓣宽度，在求解wk时选择BWSL与处主瓣或栅瓣的零点宽度BW0k相同。...
【技术特征摘要】
1.一种基于十字阵发射圆环阵接收的联合低旁瓣多波束形成方法，其特征在于包括下述步骤：步骤1：根据设计频率fD设计发射阵和接收阵参数本发明中主动多波束形成系统的阵列由一个十字发射阵和一个均匀圆环接收阵构成，两者位于相互平行的两个平面中，两平面之间的距离的取值范围为λD～10λD，其中λD＝c/fD，为设计频率fD下的信号波长，c为信号传播速度，十字发射阵和均匀圆环接收阵两者几何中心的连线与两平面垂直，十字发射阵由相互垂直的两个M元均匀直线阵构成，两直线阵位于同一平面中，几何中心相互重合，两直线阵中任意两个相邻阵元的间距均为dt，且λD≤dt≤5λD，当M为奇数时，两直线阵共用阵列中心位置处的一个阵元，当M为偶数时，两直线阵没有公共阵元，N元均匀圆环接收阵中任意相邻两阵元间的圆弧长dr＝λD/2；步骤2：使用步骤1设计的十字发射阵和均匀圆环接收阵进行发射—接收联合处理每次联合处理中发射端进行一次发射，接收端进行多次接收波束形成，多次联合处理完成后获得覆盖0°～360°的多个联合低旁瓣波束：信号发射过程中，十字发射阵有两种发射方式，第一种发射方式是两个直线阵分别在不同时刻发射中心频率为fD，频段为f1,1到f1,2的窄带脉冲信号，f1,1和f1,2满足窄带条件f1,2-f1,1＜fD/10，第二种发射方式是十字发射阵中的两个直线阵同时发射频段不同的窄带脉冲信号，即一个直线阵的发射信号中心频率为fD，频段为f1,1到f1,2，另一直线阵的发射信号的中心频率为fD'，频段为f2,1到f2,2，f2,1和f2,2同样满足窄带条件f2,1-f2,2＜fD'/10，且f2,1到f2,2和f1,1到f1,2的频段范围没有重合；两种发射方式中均使用十字发射阵中的两个直线阵对信号进行加权发射，加权向量为其中为发射波束主瓣的方位角，λt为发射信号中心频率下的波长，m为大于等于0小于等于M-1的整数；发射时，发射阵1产生的发射波束的主瓣和栅瓣覆盖45°～135°和225°～315°，发射阵2产生的发射波束的主瓣和栅瓣覆盖0°～45°、135°～225°和315°～360°，设一共需要获得K个联合波束来覆盖0°～360°，则发射阵1和发射阵2各需要进行J＝K/4I次发...
【专利技术属性】
技术研发人员：孙超，蒋光禹，刘雄厚，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61
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