基于近似ADMM的波束形成方法、装置、设备及介质制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种基于近似ADMM的波束形成方法、装置、设备及介质，涉及阵列信号处理技术领域，方法为：获取初始复权矢量，利用初始复权矢量获取初始旁瓣区域功率数据和初始主瓣区域功率数据，基于获得的数据构建初始优化模型，初始优化模型包括原目标函数和原约束条件，原目标函数用于表征初始旁瓣区域功率数据和初始主瓣区域功率数据之间的关系，原约束条件包括用于对旁瓣区域进行功率和限制的旁瓣约束、用于对主瓣区域进行功率和限制的主瓣约束、用于限制天线阵列的复权矢量的幅值和相位的功率约束，通过构建辅助变量，对初始优化模型进行简化，对简化后的模型进行近似优化、近似迭代处理后，利用ADMM进行求解，实现波束方向图的绘制。向图的绘制。向图的绘制。

【技术实现步骤摘要】
基于近似ADMM的波束形成方法、装置、设备及介质


[0001]本专利技术涉及阵列信号处理
，具体涉及一种基于近似ADMM的波束形成方法、装置、设备及介质。

技术介绍

[0002]波束方向图是非均匀间距和相位受限的线性天线阵的成形波束方向图的宽频带合成，波束形成是阵列信号处理领域中的一项关键技术，目前已被广泛应用在雷达、麦克风阵列、声纳等领域。波束形成的重点在于为线性天线阵设计一个权重向量，以产生指定的波束方向图，目前已有多种方法可以为实际场景设计对应的波束方向图。
[0003]对于波束方向图，其波形设计的方法主要分为两种：一种是根据感兴趣信号可能到达的方向设置主瓣电平和主瓣波纹系数；另一种是直接对旁瓣电平进行约束，降低可能存在的干扰对所需信息的影响。但以上方法往往存在误差，当设定的参数过大或者过小时，生成的波束方向图可能不适合实际场景甚至无法实现，特别是对于仅相位和恒模约束合成问题，因此，有必要避免前述情况发生。
[0004]在实际工程应用中，波束合成问题通常是分式非凸问题，往往很难直接解决。解决分式非凸问题常用的方法是采用半正定松弛法进行求解，即通过将分式非凸问题转化成半正定规划问题，利用对半正定问题的约束进行松弛，最后求解优化问题得到波束方向图。但该方法与大多数现有的解决分式非凸问题的方法一样，存在计算量复杂、耗时长且系统抗干扰性较差的问题，无法满足波束成形阵列应用需求。

技术实现思路

[0005]本专利技术所要解决的技术问题是：现有的波束合成方法解决分式非凸问题时，求解困难，且计算量复杂、系统抗干扰性能较差。为解决该技术问题，本专利技术提供了一种基于近似ADMM的波束形成方法、装置、设备及介质。
[0006]本专利技术解决上述技术问题的技术方案如下：
[0007]一种基于近似ADMM的波束形成方法，包括以下步骤：
[0008]步骤S1：获取初始复权矢量，利用所述初始复权矢量获取初始旁瓣区域功率数据和初始主瓣区域功率数据；
[0009]步骤S2：根据所述初始复权矢量、所述初始旁瓣区域功率数据和所述初始主瓣区域功率数据，构建初始优化模型，所述初始优化模型包括原目标函数和原约束条件，所述原目标函数用于表征初始旁瓣区域功率数据和初始主瓣区域功率数据之间的关系，所述原约束条件包括旁瓣约束、主瓣约束和功率约束，所述旁瓣约束用于限制旁瓣区域的功率和，所述主瓣约束用于限制主瓣区域的功率和，所述功率约束用于限制天线阵列的复权矢量的幅值和相位；
[0010]步骤S3：构建第一辅助变量，利用所述第一辅助变量对所述原目标函数进行简化处理，得到第一中间函数A，所述第一中间函数A包括旁瓣区域最大功率数据A和主瓣区域最
小功率数据A，对所述第一中间函数A包含的旁瓣区域最大功率数据A和主瓣区域最小功率数据A进行近似优化处理，得到第二中间函数B，所述第二中间函数B包括旁瓣区域最大功率数据B和主瓣区域最小功率数据B，根据所述第二中间函数B和所述原约束条件，构建二次优化模型；
[0011]步骤S4：对所述二次优化模型中的旁瓣区域最大功率数据B和主瓣区域最小功率数据B进行近似替代，得到新优化模型，利用交替方向乘子法(Alternating Direction Method ofMultipliers，简称为ADMM)求解所述新优化模型，得到目标复权矢量，根据所述目标复权矢量计算出目标主瓣区域功率和目标旁瓣区域功率，根据所述目标主瓣区域功率和所述目标旁瓣区域功率绘制波束方向图。
[0012]本专利技术的有益效果是：基于旁瓣区域、主瓣区域的功率建立模型，并仅对旁瓣区域、主瓣区域的功率进行约束，不对主瓣电平、主瓣波纹系数或旁瓣电平进行约束，避免了设置主瓣电平、主瓣波纹系数或旁瓣电平时可能出现波束方向图无法满足实际需求的情况，实现对主瓣和旁瓣的控制；本方法通过引入第一辅助变量，将原目标函数进行简化，再对简化后得到的第一中间函数A进行近似优化、近似替代处理，将分式问题转化为更易于求解的非分式问题，实现将分式非凸问题转化为常规的凸优化问题进行求解，从而减少了计算量和波束形成时间；本方法利用ADMM求解新优化模型时，迭代次数少，收敛速度快；本方法可生成波束方向图，且能提高系统的抗干扰性能。
[0013]在上述技术方案的基础上，本专利技术还可以做如下改进。
[0014]进一步，所述步骤S1具体包括：
[0015]获取多个位置的阵元组成的线性天线阵列在目标方向θ上的辐射波束图w
H
a(θ)，其中，w表示初始复权矢量，w
H
表示初始复权矢量的共轭转置，a(θ)表示导向矢量；
[0016]将辐射波束图的旁瓣区域划分为S个等间距的角度区域，得到集合A
S
，初始旁瓣区域功率数据为|w
H
a(A
S
)|2，，表示角度区域的功率；其中，a(A
S
)为旁瓣区域导向矢量，下标i为变量且取值为正整数，1≤i≤S，变量i对应的元素表示角度区域的导向矢量；
[0017]将辐射波束图的主瓣区域划分为M个等间距的角度区域，得到集合A
M
，初始主瓣区域功率数据为|w
H
a(A
M
)|2，，表示角度区域的功率；其中，a(A
M
)为主瓣区域导向矢量，下标j为变量且取值为正整数，1≤j≤M，变量j对应的元素表
示角度区域的导向矢量。
[0018]进一步，所述步骤S2中，根据所述初始复权矢量、所述初始旁瓣区域功率数据和所述初始主瓣区域功率数据，构建初始优化模型具体包括：
[0019]根据所述旁瓣区域最大功率与所述主瓣区域最小功率的最小比值建立原目标函数，所述原目标函数为：
[0020][0021]根据所述初始复权矢量和所述初始旁瓣区域功率数据建立旁瓣约束，所述旁瓣约束为：
[0022][0023]根据所述初始复权矢量和所述初始主瓣区域功率数据建立主瓣约束，所述主瓣约束为：
[0024][0025]根据所述初始复权矢量建立功率约束，所述功率约束为：
[0026]w
H
w＝1
[0027]其中，其中，表示的导向矢量的共轭转置，σ1表示待合成波束方向图的旁瓣功率之和；波束方向图的旁瓣功率之和；表示的导向矢量的共轭转置，σ2表示待合成波束方向图的主瓣功率之和；
[0028]所述初始优化模型为：
[0029][0030]采用上述进一步方案的有益效果是：原目标函数中不包含主瓣电平、主瓣波纹系数以及旁瓣电平，以避免指定的主瓣电平过大、旁瓣电平过小时，出现无法生成想要的波束方向图的问题；初始化优化模型的约束条件中未对复权矢量具体元素的幅值和相位进行限制，使得复权矢量的自由度更高，并通过对旁瓣区域、主瓣区域进行功率和限制以及限制天线阵列的复权矢量的幅值和相位，使得旁瓣峰值功率更低，主瓣区域波束形状更好，提高了系统的抗干扰能力。
[0031]进一步，所述步骤本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于近似ADMM的波束形成方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤S1：获取初始复权矢量，利用所述初始复权矢量获取初始旁瓣区域功率数据和初始主瓣区域功率数据；步骤S2：根据所述初始复权矢量、所述初始旁瓣区域功率数据和所述初始主瓣区域功率数据，构建初始优化模型，所述初始优化模型包括原目标函数和原约束条件，所述原目标函数用于表征初始旁瓣区域功率数据和初始主瓣区域功率数据之间的关系，所述原约束条件包括旁瓣约束、主瓣约束和功率约束，所述旁瓣约束用于限制旁瓣区域的功率和，所述主瓣约束用于限制主瓣区域的功率和，所述功率约束用于限制天线阵列的复权矢量的幅值和相位；步骤S3：构建第一辅助变量，利用所述第一辅助变量对所述原目标函数进行简化处理，得到第一中间函数A，所述第一中间函数A包括旁瓣区域最大功率数据A和主瓣区域最小功率数据A，对所述第一中间函数A包含的旁瓣区域最大功率数据A和主瓣区域最小功率数据A进行近似优化处理，得到第二中间函数B，所述第二中间函数B包括旁瓣区域最大功率数据B和主瓣区域最小功率数据B，根据所述第二中间函数B和所述原约束条件，构建二次优化模型；步骤S4：对所述二次优化模型中的旁瓣区域最大功率数据B和主瓣区域最小功率数据B进行近似替代，得到新优化模型，利用交替方向乘子法求解所述新优化模型，得到目标复权矢量，根据所述目标复权矢量计算出目标主瓣区域功率和目标旁瓣区域功率，根据所述目标主瓣区域功率和所述目标旁瓣区域功率绘制波束方向图。2.根据权利要求1所述的一种基于近似ADMM的波束形成方法，其特征在于，所述步骤S1具体包括：获取多个位置的阵元组成的线性天线阵列在目标方向θ上的辐射波束图w
H
a(θ)，其中，w表示初始复权矢量，w
H
表示初始复权矢量的共轭转置，a(θ)表示导向矢量；将辐射波束图的旁瓣区域划分为S个等间距的角度区域，得到集合A
S
，初始旁瓣区域功率数据为|w
H
a(A
S
)|2，表示角度区域的功率；其中，a(A
S
)为旁瓣区域导向矢量，下标i为变量且取值为正整数，1≤i≤S，变量i对应的元素表示角度区域的导向矢量；将辐射波束图的主瓣区域划分为M个等间距的角度区域，得到集合A
M
，初始主瓣区域功率数据为|w
H
a(A
M
)|2，，表示角度区域的功率；其中，a(A
M
)为主瓣区域导向矢量，下标j为变量且取值为正整数，1≤j≤M，变量j对应的元素表示角度区域的导向矢量。
3.根据权利要求2所述的一种基于近似ADMM的波束形成方法，其特征在于，所述步骤S2中，根据所述初始复权矢量、所述初始旁瓣区域功率数据和所述初始主瓣区域功率数据，构建初始优化模型具体包括：根据所述旁瓣区域最大功率与所述主瓣区域最小功率的最小比值建立原目标函数，所述原目标函数为：根据所述初始复权矢量和所述初始旁瓣区域功率数据建立旁瓣约束，所述旁瓣约束为：根据所述初始复权矢量和所述初始主瓣区域功率数据建立主瓣约束，所述主瓣约束为：根据所述初始复权矢量建立功率约束，所述功率约束为：w
H
w＝1其中，其中，表示的导向矢量的共轭转置，σ1表示待合成波束方向图的旁瓣功率之和；表示的导向矢量的共轭转置，σ2表示待合成波束方向图的主瓣功率之和；根据所述旁瓣约束、所述主瓣约束、所述功率约束和所述原目标函数，构建所述初始优化模型，所述初始优化模型为：4.根据权利要求3所述的一种基于近似ADMM的波束形成方法，其特征在于，所述步骤S3中，构建第一辅助变量，利用所述第一辅助变量对所述原目标函数进行简化处理，得到第一中间函数A，具体包括：构建所述第一辅助变量y，通过所述第一辅助变量y对所述原目标函数中的初始旁瓣区域功率数据、初始主瓣区域功率数据进行变换，得到第一中间函数A，其中，
所述第一中间函数A为：其中，为所述第一中间函数A中的旁瓣区域最大功率数据A，为所述第一中间函数A中的主瓣区域最小功率数据A。5.根据权利要求4所述的一种基于近似ADMM的波束形成方法，其特征在于，所述步骤S3中，对所述第一中间函数A包含的旁瓣区域最大功率数据A和主瓣区域最小功率...

【专利技术属性】
技术研发人员：巩朋成，张卓钰，吴云韬，李利荣，黎杨，余亮，钱良，时愈，
申请(专利权)人：武汉工程大学，
类型：发明
国别省市：