低副瓣零陷波束形成方法技术

本发明专利技术提出了一种低副瓣零陷波束形成方法，利用本发明专利技术可以降低低副瓣零陷权向量设计复杂度，增加灵活性，便于硬件实现。本发明专利技术通过以下技术方案予以实现：基于虚拟子阵分步加权，将实际的均匀直线阵列划分为两个虚拟的均匀直线子阵，且两个子阵仅有一个阵元共用；低副瓣零陷权向量模块利用分步加权对波束图进行零陷约束和低副瓣约束，通过调整虚拟子阵阵元数的分配方式和副瓣电平值使两个虚拟子阵的权向量对应的波束宽度相等，低副瓣零陷权向量模块对低副瓣权向量模块和零陷权向量模块得到的低副瓣权向量和零陷权向量进行卷积，得到低副瓣零陷权向量；然后按照最大副瓣电平小于门限下波束主瓣最窄的原则选取最优权向量，完成低副瓣零陷波束形成。

Low sidelobe null beamforming method

【技术实现步骤摘要】
低副瓣零陷波束形成方法
本专利技术涉及一种广泛应用于雷达、通信、声纳、地震、天文中的阵列信号处理，尤其是涉及一种针对均匀直线阵列的基于虚拟子阵分步加权的低副瓣零陷波束形成方法。
技术介绍
阵列信号处理是信号处理的一个重要分支。阵列信号处理是将滤波理论应用到空域上来，使用多个阵元对远场信号的接收时间差在空间上对信号进行滤波的信号处理技术。阵列信号处理是指对阵元所感应信号的处理。阵列信号处理可两大分支：波达方向(DOA)估计和空域滤波。阵列信号处理的主要问题包括：对空间信号的波达方向的分布进行超分辨估计的空间谱估计；阵列方向图的主瓣指向所需的方向的波束形成技术；使天线的零点对准所有的干扰方向的零点形成技术。数字波束形成DBF是空域滤波的范畴，是在原有模拟波束形成的基础上引入数字信号处理的方法而建立起来的一门新技术。空间辐射的信号经过波束形成处理后，主瓣方向以外的信号被削弱，其中零陷区间的信号被完全抑制，这可以用于干扰和杂波抑制。当干扰信号的方向已知时，可将零陷对准这些干扰信号的同时将主波束对准期望信号。这种方式的波束形成通常称为零陷波束形成或零陷导引。通过一个零陷抵消一个干扰信号，占用阵列天线的一个自由度。零陷波束形成利用信源的方向信息来计算阵元加权因子，使在干扰信源的方向上产生零陷。在接收端，阵列信号处理可以对空间分布的各传感器接收的信号进行处理，从中提取出有用信号以及信号所包含的信息，达到增强有用信号，抑制干扰和噪声的目的；在发射端，阵列信号处理可以对各传感器将要辐射的信号进行分别处理，使得信号在空间中合成的信号不同，即实现了空间能量分布的控制，达到抗截获、定向通信的目的。与传统的单个定向传感器相比，传感器阵列具有较高的信号增益、灵活的波束控制、很高的空间分辨率以及极强的干扰抑制能力。数字波束形成是阵列信号处理领域的一个非常重要的研究内容。它既能实现对特定区域的信号进行接收或向特定区域辐射信号，还能对特定区域进行抑制，用以消除干扰或者抗截获。在现有技术均匀直线阵列(UniformLinearArray，ULA)低副瓣零陷波束形成技术中，零陷波束形成算法很多，典型的有线性约束最小方差(LCMV)、正交投影算法等。但是常规的零陷算法形成的零陷比较尖锐，这限制了零陷性能，尤其是移动场景，为此零陷展宽的算法被提出。典型的零陷展宽算法有基于LCMV的零陷展宽算法、Mailloux等提出的零陷展宽算法等。以上的零陷算法在零点处的干扰抑制性能较好，但是其波束图在主瓣附近的旁瓣未进行约束，往往较高，不利于干扰和杂波抑制。在波束形成中，对干扰抑制能力的一个直观表征就是波束的旁瓣级。低副瓣波束形成技术可以有效降低波束的旁瓣电平，使得信号能量主要集中在主瓣，有效避免从旁瓣截获信号，或者干扰从旁瓣进入，从而降低系统的虚警。低副瓣波束形成算法很多，其中Dolph-Chebychev加权和Taylor加权均能显性地控制副瓣电平。前者的波束图仅受阵元个数和旁瓣电平的影响。虽然低副瓣零陷波束形成技术在零陷区域拥有非常好的干扰抑制性能，旁瓣电平得到很好的控制。但是低副瓣零陷权向量不存在显式解，其求解往往需要使用优化算法，这使得运算量较大，也不利于实现。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对上述现有技术均匀直线阵列ULA低副瓣零陷波束形成技术存在的问题，提供一种可以避免优化求解算法，有效降低运算量，便于硬件实现的低副瓣零陷波束形成方法。为解决上述技术问题，本专利技术针对均匀直线阵列，提供一种低副瓣零陷波束形成方法：具有如下技术特征：基于虚拟子阵分步加权，将实际的均匀直线阵列划分为两个虚拟的均匀直线子阵，且两个子阵有且仅有一个阵元共用；针对两个虚拟子阵设计两个用于生成低副瓣权向量和零陷权向量的低副瓣权向量模块、零陷权向量模块和低副瓣零陷权向量模块；低副瓣零陷权向量模块利用分步加权对波束图进行零陷约束和低副瓣约束，通过调整虚拟子阵阵元数的分配方式和副瓣电平值使两个虚拟子阵的权向量对应的波束宽度相等；低副瓣零陷权向量模块对低副瓣权向量模块和零陷权向量模块得到的低副瓣权向量和零陷权向量进行卷积，得到低副瓣零陷权向量；然后调整并改变虚拟子阵阵元数的分配方式，向低副瓣权向量模块提供低副瓣子阵阵元数，向零陷权向量模块输送零陷子阵阵元数，继续计算低副瓣零陷权向量，按照最大副瓣电平小于设计门限下波束主瓣最窄的原则选取最优权向量，从而获得最优的低副瓣零陷权向量，完成低副瓣零陷波束形成。本专利技术具有如下有益效果。本专利技术基于虚拟子阵分步加权，将物理阵列划分为两个虚拟子阵：低副瓣权向量设计子阵和零陷权向量设计子阵，利用虚拟子阵分别设计低副瓣权向量和零陷权向量，通过调整虚拟子阵阵元数的分配方式和副瓣电平值使两个虚拟子阵的权向量对应的波束宽度相等，对所得的低副瓣权向量和零陷权向量进行卷积，按照最大副瓣电平小于某门限下波束主瓣最窄的原则选取最优权向量，即低副瓣零陷权向量，避免了优化求解算法的繁琐性，降低权向量设计复杂度，有效降低了运算量。本专利技术采用设计的低副瓣权向量模块、零陷权向量模块和低副瓣零陷权向量模块。利用分步加权实现对波束图的零陷约束和低副瓣约束，消除了低副瓣和零陷两个约束条件的耦合性，通过调整虚拟子阵阵元数分配方式和副瓣电平值使这两个权向量对应的波束宽度相等，对所得的低副瓣权向量和零陷权向量进行卷积，得到低副瓣零陷权向量，避免了优化求解算法，增加设计的灵活性，便于硬件实现。这种零陷波束形成技术在收发时均有非常重要的作用。在发射时，该技术可以对特定的方位的能量进行抑制，其抑制水平非常高，可以使得该方位几乎接收不到信号，从而达到抗截获的目的；在接收时，该技术可以对该方位的辐射进行完全抑制，从而避免了干扰信号对有用信号的干扰，提高信号处理的性能。附图说明图1是本专利技术低副瓣零陷波束形成原理示意图。图2是本专利技术低副瓣零陷波束形成流程图。图3是低副瓣加权的波束宽度随副瓣电平的变化曲线示意图。图4是低副瓣加权的波束宽度随虚拟阵元数的变化曲线示意图。图5是零陷算法波束宽度随虚拟阵元数的变化曲线示意图。图6是本专利技术低副瓣零陷权向量对应的波束图。具体实施方式参阅图1。根据本专利技术，基于虚拟子阵分步加权，将实际的均匀直线阵列划分为两个虚拟的均匀直线子阵，且两个子阵有且仅有一个阵元共用；针对两个虚拟子阵设计两个用于生成低副瓣权向量和零陷权向量的低副瓣权向量模块、零陷权向量模块和低副瓣零陷权向量模块；低副瓣零陷权向量模块利用分步加权对波束图进行零陷约束和低副瓣约束，通过调整虚拟子阵阵元数的分配方式和副瓣电平值，使两个虚拟子阵的权向量对应的波束宽度相等；低副瓣零陷权向量模块对低副瓣权向量模块和零陷权向量模块得到的低副瓣权向量和零陷权向量进行卷积，得到低副瓣零陷权向量；然后调整并改变虚拟子阵阵元数的分配方式，向低副瓣权向量模块提供低副瓣子阵阵元数，向零陷权向量模块输送零陷子阵阵元数，继续计算低副瓣零陷权向量，按照最大副瓣电平小于设计门限下波束主瓣最窄的原则选取最优权向量，从而获得最优的低副瓣零陷权向量，完成低副瓣零陷波束形成。参阅图2。初始化零陷权向量模块的虚拟阵列阵元数Mz；零陷权向量模块利用零陷算法计算零陷权向量ωz、对应波束图的波束宽度BWd和最大副瓣电平Rz；根据物理阵元数目M和虚拟零本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种低副瓣零陷波束形成方法，具有如下技术特征：基于虚拟子阵分步加权，将实际的均匀直线阵列划分为两个虚拟的均匀直线子阵，且两个子阵有且仅有一个阵元共用；针对两个虚拟子阵设计两个用于生成低副瓣权向量和零陷权向量的低副瓣权向量模块、零陷权向量模块和低副瓣零陷权向量模块；低副瓣零陷权向量模块利用分步加权对波束图进行零陷约束和低副瓣约束，通过调整虚拟子阵阵元数的分配方式和副瓣电平值，使两个虚拟子阵的权向量对应的波束宽度相等；低副瓣零陷权向量模块对低副瓣权向量模块和零陷权向量模块得到的低副瓣权向量和零陷权向量进行卷积，得到低副瓣零陷权向量；然后调整并改变虚拟子阵阵元数的分配方式，向低副瓣权向量模块提供低副瓣子阵阵元数，向零陷权向量模块输送零陷子阵阵元数，继续计算低副瓣零陷权向量，按照最大副瓣电平小于设计门限下波束主瓣最窄的原则选取最优权向量，从而获得最优的低副瓣零陷权向量，完成低副瓣零陷波束形成。

【技术特征摘要】
1.一种低副瓣零陷波束形成方法，具有如下技术特征：基于虚拟子阵分步加权，将实际的均匀直线阵列划分为两个虚拟的均匀直线子阵，且两个子阵有且仅有一个阵元共用；针对两个虚拟子阵设计两个用于生成低副瓣权向量和零陷权向量的低副瓣权向量模块、零陷权向量模块和低副瓣零陷权向量模块；低副瓣零陷权向量模块利用分步加权对波束图进行零陷约束和低副瓣约束，通过调整虚拟子阵阵元数的分配方式和副瓣电平值，使两个虚拟子阵的权向量对应的波束宽度相等；低副瓣零陷权向量模块对低副瓣权向量模块和零陷权向量模块得到的低副瓣权向量和零陷权向量进行卷积，得到低副瓣零陷权向量；然后调整并改变虚拟子阵阵元数的分配方式，向低副瓣权向量模块提供低副瓣子阵阵元数，向零陷权向量模块输送零陷子阵阵元数，继续计算低副瓣零陷权向量，按照最大副瓣电平小于设计门限下波束主瓣最窄的原则选取最优权向量，从而获得最优的低副瓣零陷权向量，完成低副瓣零陷波束形成。2.如权利要求1所述的低副瓣零陷波束形成方法，其特征在于：零陷权向量模块利用零陷算法计算零陷权向量ωz、对应波束图的波束宽度BWd和最大副瓣电平Rz，根据物理阵元数目和M虚拟零陷子阵阵元数Mz，计算低副瓣权向量模块的虚拟阵列阵元数Ml＝M+1-Mz。3.如权利要求2所述的低副瓣零陷波束形成方法，其特征在于：在虚拟阵列阵元数为Ml和主瓣波束宽度为BWd的条件下，低副瓣权向量模块计算低副瓣权向量的副瓣电平值Rl，并判断副瓣电平值Rl是否小于1，否则根据最大副瓣电平小于设计门限下波束主瓣最窄的准则，由零陷权向量模块在零陷权向量ωz的记录中选取最优权向量，获得最优的低副瓣零陷权向量。4.如权利要求3所述的低副瓣零陷波束形成方法，其特征在于：低副瓣权向量模块计算低副瓣虚拟子阵阵元数为Ml时的最大副瓣电平Rd＝RlRz和低副瓣权向量ωl；对低副瓣权向量ωl和零陷权向量ωz进行卷积得到低副瓣零陷权向量ω＝conv(ωl,ωz)，其中，conv(ωl,ωz)代表ωl和ωz线性卷积。5.如权利要求4所述的低副瓣零陷波束形成方法，其特征...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘亮，朱胜利，王亚涛，乔文昇，王立，黄秀琼，
申请(专利权)人：西南电子技术研究所中国电子科技集团公司第十研究所，
类型：发明
国别省市：四川,51