基于二阶锥规划的宽带发射数字波束形成干扰设计方法技术

本发明专利技术公开了一种基于二阶锥规划的宽带发射数字波束形成干扰设计方法，其主要思路为：确定均匀线阵和宽带数字信号，均匀线阵包括M个阵元，对宽带数字信号进行分路，得到M路宽带数字信号；然后得到M个FIR滤波器冲激响应；将每路宽带数字信号分别经过对应的FIR滤波器冲激响应进行FIR滤波后，得到M路经过FIR滤波后的宽带数字信号；对每路经过FIR滤波后的宽带数字信号分别进行数/模转换、上变频处理、射频滤波处理和放大处理后，得到M路经过幅相处理后的宽带信号；将每路经过幅相处理后的宽带信号分别通过对应阵元发射到空中后得到宽带干扰波束，所述宽带干扰波束为基于二阶锥规划的宽带发射数字波束形成干扰设计结果。

【技术实现步骤摘要】
基于二阶锥规划的宽带发射数字波束形成干扰设计方法
本专利技术属于雷达干扰
，特别涉及一种基于二阶锥规划的宽带发射数字波束形成干扰设计方法，适用于宽带雷达干扰信号的发射。
技术介绍
随着固态功放器件的快速发展，干扰机大量采用固态功放进行末级放大；由于单芯片固态功放的输出功率有限，为达到较高的发射功率输出，通常采用多芯片进行电路合成；但随着功率的增加，其合成效率会逐渐下降，为解决这一问题，可以采用阵列天线并通过数字波束形成(DBF)或模拟波束形成(ABF)技术进行空间功率合成；而数字波束形成技术具有很多模拟波束形成不具备的优点；例如，数字波束形成可以快速改变波束指向、形状，控制灵活、精准，可以实现多个干扰发射信号间迅速切换，具有同时多波束形成能力等优点；因此，在电子对抗领域，数字波束形成技术是提高电子干扰性能的一项关键技术。在现代作战环境中，雷达主要依靠发射和接收宽带信号，对空域中的目标精确成像并识别，所以宽带化是现代雷达的发展趋势；如果要对宽带雷达进行有效地干扰，则相应的雷达对抗系统也应采取宽带处理技术，并发射宽带干扰信号，且干扰信号的带宽必须等于或大于雷达接收机的带宽；雷达宽带干扰数字波束形成本质上属于发射数字波束形成，而发射数字波束形成是将传统的发射波束形成所需的幅度加权和移相从射频部分放到数字部分来实现，从而形成发射波束。对于宽带干扰数字波束形成，主要分为时域处理和频域处理两种方法，其中对于文献“基于非均匀延时阵列的同时多波束干扰技术研究”(现代雷达,2014,36(10):43-48)中，雷磊、周青松等人采用的抽头延迟线延时叠加方法，以及文献“基于分数时延的宽带自适应波束形成”(清华大学学报(自然科学版),2011,51(07):988-992)和文献“基于分数时延的宽带数字阵列波束形成”(雷达科学与技术,2008,6(06):450-453)中韦文,李宁,范占春,李会勇等人采用的基于分数时延的时域处理方法对器件性能要求较高，时延时间越小，实现越复杂，在雷达及雷达对抗领域中的工程实现较困难。文献“Widebandtransmitbeamformingusinginteger-time-delayedandphase-shiftedwaveforms”(ElectronicsLetters,2017,53(6):376-378)GaoY,JiangD,LiuM提出的基于整数时延与相移相结合的方法仅适用于一些可以明确获得瞬时相位信息的信号，局限性较大；而在频域上处理宽带信号，为达到较高的波束指向精度，常用的方法是将宽带信号通过毗邻带通滤波器划分成子带，然后对每个子带进行对应的幅相加权处理，最后再合成宽带，这种方法虽然在数字信号处理上比较简单，但是会使得各个窄带之间的相位无法衔接，从而影响性能；文献“宽带相控阵雷达发射多波束形成和雷达通信一体化技术研究”(南京:东南大学,2017)岳寅提出了一种仅适用于宽带LFM信号的射频时(频)变矢量加权方式的发射波束形成算法，由于该算法可适用的信号形式单一，所以不适用于干扰领域。
技术实现思路
针对上述现有技术存在的不足，本专利技术的目的在于提出一种基于二阶锥规划的宽带发射数字波束形成干扰设计方法，该种基于二阶锥规划的宽带发射数字波束形成干扰设计方法通过在每个阵元通道各自使用一个对应的宽带FIR滤波器对待发射的宽带干扰信号进行整体的幅相调制，避免了将宽带信号划分成子带处理后造成相位无法衔接的问题；此外，对干扰波束优化设计的目标一般是使形成的干扰波束具有更低的旁瓣电平和更窄的主瓣宽度，以利于将有限的干扰功率尽可能地集中在主瓣方向，从而提高干扰功率有效利用率，保证干扰的总体效益。同时，在干扰发射模式下，有时需要实现自适应波束零点，这对提高雷达电子战系统的抗侦察能力、抗反辐射导弹(ARM)能力以及避免对己方雷达和侦察设备产生有源干扰等具有重要意义。本专利技术的主要思路：相对于传统方法优化波束形成器是在满足期望信号增益的同时使得其输出总功率达到最小，本专利技术使用线性约束最小功率准则(LCMP)对波束形成器进行优化，使得在约束条件下，干扰波束具有更低的旁瓣电平和更窄的主瓣宽度；此外，通过增加约束条件，可以在特定方向上形成零点，或者是在计算自相关矩阵时，在期望形成零点的方向包含一带宽与期望发射信号相同的信号，则在使得输出功率最小化的过程中，同样会在期望形成零点的方向形成零点；最后，通过消除旁瓣约束式的频率依赖性，并最终将滤波器系数求解问题的解析形式转化为相应的二阶锥规划(SOCP)形式，降低了优化难度。为达到上述技术目的，本专利技术采用如下技术方案予以实现。一种基于二阶锥规划的宽带发射数字波束形成干扰设计方法，包括以下步骤：步骤1，确定均匀线阵和宽带数字信号，所述均匀线阵包括M个阵元，每个阵元分别对应一个阵元通道，对所述宽带数字信号进行分路，得到M路宽带数字信号；然后基于二阶锥规划的算法计算得到每个阵元通道对应的FIR滤波器冲激响应，记为M个FIR滤波器冲激响应；M为大于1的正整数；M路宽带数字信号与M个FIR滤波器冲激响应一一对应；步骤2，将每路宽带数字信号分别经过对应的FIR滤波器冲激响应进行FIR滤波后，得到M路经过FIR滤波后的宽带数字信号；步骤3，对每路经过FIR滤波后的宽带数字信号分别进行数/模转换、上变频处理、射频滤波处理和放大处理后，得到M路经过幅相处理后的宽带信号；M路经过幅相处理后的宽带信号与M个阵元一一对应；步骤4，将每路经过幅相处理后的宽带信号分别通过对应阵元发射到空中，然后利用波束形成技术得到宽带干扰波束，所述宽带干扰波束为基于二阶锥规划的宽带发射数字波束形成干扰设计结果。本专利技术与现有的技术相比具有以下优点：第一，由于本专利技术直接在每个发射阵元通道各自使用一个对应的FIR滤波器对待发射的宽带信号进行整体的幅相调制，解决了传统方法中将宽带信号划分成子带处理再合成宽带信号后导致相位无法衔接从而影响干扰性能的问题。第二，由于本专利技术在频域上采用FIR滤波器结合线性约束最小功率准则(LCMP)来进行波束形成，克服了在时域上基于抽头延迟线延时叠加和基于分数时延滤波器的宽带波束形成技术对各高速数字信号通道间、板间互联需要精确同步的过高要求，使得本专利技术在工程上更易实现。第三，由于本专利技术通过消除宽带信号旁瓣约束的频率依赖性来优化宽带波束方向图，并采用二阶锥规划(SOCP)对其求解，降低了算法的计算复杂度，克服了原有技术对于旁瓣约束数量过大的问题，使得本专利技术具有计算效率高，简单可用的优点。附图说明下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步详细说明。图1为本专利技术的一种基于二阶锥规划的宽带发射数字波束形成干扰设计方法流程图；图2为本专利技术的基于FIR滤波器的宽带发射波束形成模型图；图3(a)为本专利技术的仿真实验中的波束立体方向图；图3(b)为本专利技术的仿真实验中的波束空域方向图；图3(c)为仿真1中本专利技术的仿真实验中归一化总输出功率对比图；图4(a)为仿真2中本专利技术的仿真实验中归一化总输出功率对比图；图4(b)为本专利技术的仿真实验中归一化总输出功率主瓣对比图。具体实施方式参照图1，为本专利技术的一种基于二阶锥规划的宽带发射数字波束形成干扰设计方法流程图；其中所述基于二阶锥规划的宽带发射数字本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于二阶锥规划的宽带发射数字波束形成干扰设计方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，确定均匀线阵和宽带数字信号，所述均匀线阵包括M个阵元，每个阵元分别对应一个阵元通道，对所述宽带数字信号进行分路，得到M路宽带数字信号；然后基于二阶锥规划的算法计算得到每个阵元通道对应的FIR滤波器冲激响应，记为M个FIR滤波器冲激响应；M为大于1的正整数；M路宽带数字信号与M个FIR滤波器冲激响应一一对应；步骤2，将每路宽带数字信号分别经过对应的FIR滤波器冲激响应进行FIR滤波后，得到M路经过FIR滤波后的宽带数字信号；步骤3，对每路经过FIR滤波后的宽带数字信号分别进行数/模转换、上变频处理、射频滤波处理和放大处理后，得到M路经过幅相处理后的宽带信号；M路经过幅相处理后的宽带信号与M个阵元一一对应；步骤4，将每路经过幅相处理后的宽带信号分别通过对应阵元发射到空中，然后利用波束形成技术得到宽带干扰波束，所述宽带干扰波束为基于二阶锥规划的宽带发射数字波束形成干扰设计结果。

【技术特征摘要】
1.一种基于二阶锥规划的宽带发射数字波束形成干扰设计方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，确定均匀线阵和宽带数字信号，所述均匀线阵包括M个阵元，每个阵元分别对应一个阵元通道，对所述宽带数字信号进行分路，得到M路宽带数字信号；然后基于二阶锥规划的算法计算得到每个阵元通道对应的FIR滤波器冲激响应，记为M个FIR滤波器冲激响应；M为大于1的正整数；M路宽带数字信号与M个FIR滤波器冲激响应一一对应；步骤2，将每路宽带数字信号分别经过对应的FIR滤波器冲激响应进行FIR滤波后，得到M路经过FIR滤波后的宽带数字信号；步骤3，对每路经过FIR滤波后的宽带数字信号分别进行数/模转换、上变频处理、射频滤波处理和放大处理后，得到M路经过幅相处理后的宽带信号；M路经过幅相处理后的宽带信号与M个阵元一一对应；步骤4，将每路经过幅相处理后的宽带信号分别通过对应阵元发射到空中，然后利用波束形成技术得到宽带干扰波束，所述宽带干扰波束为基于二阶锥规划的宽带发射数字波束形成干扰设计结果。2.如权利要求1所述的一种基于二阶锥规划的宽带发射数字波束形成干扰设计方法，其特征在于，在步骤1中，所述M个FIR滤波器冲激响应，其得到过程为：1.1确定宽带数字信号，所述宽带数字信号为均匀线阵发射的数字信号中数字信号带宽与经过上变频处理后的数字信号中心频率之间的比值在7％-15％之间的数字信号；所述宽带数字信号发射到空中的表现形式为波束，将波束主瓣指向与M个阵元连线之间的夹角，记为期望形成波束主瓣指向φd；1.2令h表示M个FIR滤波器冲激响应，得到基于线性约束最小功率准则准则的波束形成优化问题为：其中，subjectto表示约束条件，C为约束矩阵，f为约束值矢量，CT＝Ad，f＝bd，令ωi表示第i个频率栅格点的角频率，i＝1,2,…,Nf，Nf表示将宽带数字信号的角频率范围离散化后的频率栅格点总个数，L表示每个阵元通道对应的FIR滤波器冲激响应包括的FIR滤波器系数总个数，L≥1；Re表示取实部操作，Im表示取虚部操作；I表示M×M维单位矩阵，Rxx表示ML×ML维矩阵，ωl表示宽带数字信号的角频率最小值，ωu表示宽带数字信号的角频率最大值，e(ejω)＝[1,e-jω,e-j2ω,…,e-j(L-1)ω]T，Sxx(ω)＝E{x(ejω)xH(ejω)}，上标T表示转置，x(ejω)＝[X1(ejω),...,Xm(ejω),...,XM(ejω)]T，ω表示角频率变量，ω∈[ωl,ωu]，E表示求期望，s[n]表示将宽带数字信号分路为M路后每路宽带数字信号中的第n个元素值，s[n-k]表示对s[n]延迟长度k后的元素值，n＝0,1,…,Γ-1，Γ表示将宽带数字信号分路为M路后每路宽带数字信号包括的元素值总个数，k＝0,1,…,L...

【专利技术属性】
技术研发人员：汤建龙，张鸿伟，斯海飞，安坤，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61