[发明专利]一种近场阵列波束控制方法

说明书

本发明属于信号处理技术领域，涉及一种基于近场阵列波束控制方法。本发明首先会根据初始加权向量进行波束形成获得初始波束图，在此基础上寻找最大增益值点进行迭代调整，每次迭代中将所控制的平面或区间内旁瓣最大增益值点调整至目标值，直至旁瓣区域满足设计要求时，所获得的加权向量为最后结果。该发明相对阵元激励加权法和凸优化法，具有更高的精确性和灵活性，对于时间复杂度和算法的准确性都有很好的兼顾。本发明还能够在单一平面的波束控制基础上，进行区间的波束控制，实现近场场景下的区间低旁瓣波束形成。

技术领域

本发明属于信号处理技术领域，涉及一种近场阵列波束控制方法。

背景技术

随着阵列信号处理技术的发展，在远场天线阵列研究日趋成熟的背景下，近场天线阵列成为了当下逐渐火热的话题。近场天线阵列目前已经广泛运用于麦克风阵列、无线充电技术、射频识别技术、声纳、雷达等领域，涉及人们的日常生活甚至是国防用途。远场阵列研究中的成果可以有限制地转换为近场条件下的结论。近场阵列信号处理中的一个重要问题就是如何去设计阵列的加权向量，使得其满足不同的需求。当前研究较多的方法有两种：阵元激励加权法、凸优化法。

在进行常规波束控制时，通常以阵列的导向矢量作为加权向量，此时该导向矢量对应的即是阵元激励。阵元激励加权法旨在设计一个满足期望阵列响应的阵元激励加权向量，其可以是导向矢量，也可以通过迭代傅里叶法、切比雪夫加权法等方式进行激励设计，从而设计出满足期望阵列相应的加权方式，但其缺乏精确性和灵活性，很难设计出一些赋形波束。

凸优化法则是基于凸优化理论，将阵列模型转换为凸优化问题，利用CVX工具包等进行求解。当问题能够映射为凸集时可以很好的利用相关理论和工具进行求解。对于期望形状的赋形平面，只要问题能转换为凸集通常都能求解出答案。但是该方法也存在弊端，凸优化设计通常是交由计算机进行一步求解，用户送入输入之后获得输出，几乎不产生其他中间过程。该方法虽然有很高的精确性，能给对很多复杂问题进行求解，但是欠缺灵活性，且由于凸优化算法本身的特性，求解复杂问题的时间会比较长。

上述波束控制的方法虽然在一定程度上能够解决波束形成中加权向量设计的问题，但是各自都有所欠缺，时间复杂度和精确性难以做到较好的平衡。当设计中需要提高精度时，产生的高额时间成本使得实际系统中的部署很难实现；而为了提高时间效率所采用的方法则会一定程度的降低精度，削弱波束形成的效果。并且上述波束控制方法通常只能针对单一平面进行近场波束控制，当需要对一段区间的波束进行控制和设计时，上述方法无法实现。因此需要一个可控时间复杂度且灵活性高的准确性波束形成算法。

发明内容

本发明提供了一种近场阵列波束控制方法，实现以迭代设计权向量的方式进行波束形成，能够给出每一次迭代步骤中的权向量的显式表达式，实现精确的区间波束设计。相较于上述阵元激励加权法和凸优化法，本发明能够在有限次矩阵乘法运算实现波束形成的权向量设计，有效的降低了时间复杂度，并提高精度和灵活性，且在单一平面控制的基础上实现了区间的近场波束控制。

为了便于理解，对本发明采用的技术作如下说明：

本发明中所使用近场阵列天线为M×M维半波长均布面阵，此时导向矢量为一个矩阵形式。通常情况下将该矩阵按列展开得到一个一维向量，此时得到的导向矢量可以用向量描述，若以阵列中心处阵元为参考点，三维空间中任意一点r_*＝(x_*,y_*,z_*)的导向矢量描述为：

其中，λ为天线阵列工作波长，d_(m,*)为序号为m的阵元与目标点r_*＝(x_*,y_*,z_*)的距离。将波束聚焦于某目标点r₀＝(x₀,y₀,z₀)的常规波束形成权向量w₀为：