[发明专利]一种基于稀疏频控传感器天线阵列的多波束形成方法

说明书

本发明公开了一种基于稀疏频控传感器天线阵列的多波束形成方法，首先确定初始化频控阵、频率增量及其针对各波束相应的距离维加权向量和角度维加权向量，再根据由合成距离维加权向量和合成角度维加权向量之差构成的联合角度‑距离向量确定稀疏频控阵的阵元位置参数和各阵元频率增量组，进而确定目的频控阵中各阵元位置及相应阵元各频率增量组，最后通过凸优化方法确定稀疏频控阵各放大器的增益参数。本发明由于采用稀疏重建理论的稀疏优化布阵方法，在获得尽可能好的频控阵系统性能的条件下节约了阵元数，因而具有可利用更少的天线阵元达到同样低的阵列最高旁瓣高度，以及提高信号处理的速度、降低阵列系统的成本等优点。

技术领域

本发明属于频控传感器天线阵列设计技术领域，具体涉及一种基于稀疏频控传感器天线阵列的多波束形成方法的设计。

背景技术

有关无线传播信号的天线阵列信号处理技术已广泛应用于雷达、天文、地震、声纳、医学信号检测、地质探测、无线通信等领域。然而阵列系统中阵元数的多少严重地影响到阵列系统的成本、控制器和信号处理装置的复杂性以及信号处理的数据量和处理速度。因此，在给定条件下如何设置阵列系统中各传感器(阵元天线)的空间位置、频率增量大小及其放大器增益参数以实现最佳的空域滤波和空间谱估计具有重要的意义。优化布阵问题属于经典的高维非线性优化难题，目前针对相位阵普遍采用的布阵方法包括：逐对消去法、半定规划法、模拟退火法、遗传设计法、粒子群优化法等。其中半定规划法、模拟退火法、遗传设计法及粒子群优化设计方法在布阵时均是首先制定一个使旁瓣高度最小的目标函数，通过对目标函数进行处理找到最优的阵列加权或最优的阵元位置，或者同时搜索最优的阵列加权及阵元位置，但由于目标函数不是凸函数，所以涉及多维非线性优化问题的求解或多维参数搜索需进行大量的计算，并且优化的结果往往是需要较多的天线阵元，针对减少所需阵元数的处理复杂。而逐对消去法是对加权和位置分步优化，即在给定孔径条件下，首先设置一个阵元间隔为半波长且权系数相等的阵列，然后去除使旁瓣高度最小的那对阵元，重复该步骤直至剩余的阵元数达到给定值为止，最后利用线性规划方法求出剩余阵元数的最优加权，该方法虽然改善了传统均匀布阵的性能，但它仍不能获得满意的效果。而目前针对频控阵的布阵方法非常少，现有的离散椭球序列方法仍存在利用较多天线阵元的问题。

发明内容

本发明的目的是针对背景技术存在的缺陷，提出了一种基于稀疏频控传感器天线阵列的多波束形成方法，以达到在给定阵列孔径值及最高旁瓣高度不高于给定值的约束下，利用更少的天线阵元达到较低的阵列最高旁瓣高度，同时提高信号处理的速度，降低阵列系统的成本。

本发明的技术方案为：一种基于稀疏频控传感器天线阵列的多波束形成方法，包括以下步骤：

S1、确定初始化频控阵及其方位导向矩阵：根据给定的频控阵列孔径，按相邻阵元间隔1/4波长、相应各阵元第一频率增量依次递增7.5KHz，设置一个含有密集阵元的初始化频控阵，并根据设置的阵元数、频率增量组及将观测范围等栅格划分的观测区间数确定该初始化频控阵的方位导向矩阵。

S2、确定频控阵加权矩阵：在给定频控阵列孔径范围内，且所有波束相应的主瓣高度归一化、距离维最高旁瓣高度以及角度维最高旁瓣高度均不大于给定值的约束条件下，通过1-范数合成距离维加权向量、1-范数合成角度维加权向量以及1-范数联合角度-距离向量确定频控阵加权矩阵。其中联合角度-距离向量为合成距离维加权向量和合成角度维加权向量之差。

S3、确定稀疏频控阵阵列：根据联合角度-距离向量中各个大于最大元素0.001倍的元素所对应的位置分别放置天线阵元，同时确定各天线阵元对应的一组频率增量，以此得到一个稀疏频控阵阵列。