专利名称：基于子带分解的宽带子阵自适应波束形成方法
技术领域：
本发明属于雷达技术领域，具体涉及一种宽带相控阵雷达的自适应波束形成方法，可用于宽带子阵自适应波束形成，实现自适应的抑制宽带干扰信号，并减少设备量和运算量，易于工程实现。
背景技术：
随着雷达技术的发展，对雷达的要求已不仅仅局限于目标的位置参数探测，还要给出目标的属性和目标的细微特征，目标识别和成像功能要求雷达具有大的信号带宽。另外，阵列雷达具有灵活控制的波束、高的信号增益、强的干扰抑制能力及角度高分辨等优点而被广泛使用。宽带阵列雷达结合宽带雷达和阵列雷达的优点，进一步增强了雷达的功能。 多功能相控阵成像雷达是现代雷达发展的一个重要方向。宽带相控阵雷达的主要技术难点在于波束形成方法。宽带相控阵波束形成的基本方法是空时二维处理，其加权系数不仅与方向有关，还与频率有关，远远大于常规的只控相位法的权系数，尤其当瞬时工作带宽很宽且阵列孔径很大的时候，采用上述方法运算量是非常大的。目前，用于宽带大扫描角相控阵雷达波束形成的主要方法是采用模拟延时单元来对包络进行对齐。但模拟延时单元是阵列中最昂贵的部分，且提供的延时是量化的，量化误差会使得输出信噪比下降和距离分辨率降低，影响目标成像质量；模拟延时单元体积庞大，这给组装带来了困难。因此，寻找数字波束形成(DBF)方法是宽带相控阵雷达功能实现的主要解决方法。但是DBF算法计算量较大，难以在瞬时宽带信号条件下使用，其原因也是设备量大和相应的成本增加等问题。如何得到简单有效的DBF方法是宽带阵列数字化的前提。当存在宽带旁瓣干扰时，目标淹没在干扰里，无法进行检测和识别。所以，在宽带有源干扰情况下自适应波束形成也是必须解决的问题。通�？刹捎贸橥费邮毕呒盎治哟椒ǘ钥泶扇沤卸韵橥费邮毕叻椒ㄓ布姆咽志薮螅扑惴浅８丛�。使用多速率滤波器划分为子带可以在数字域处理，但大型阵列的子带划分带来的运算量增加是难以承受的。
发明内容
本发明的目的在于针对上述已有技术的不足，提出了一种基于子带分解的宽带子阵自适应波束形成方法，实现自适应的抑制宽带干扰信号，并减少设备量和运算量，易于工程实现。实现本发明目的的技术思路是采用数字技术消除模拟延时单元带来的问题，把子带分解和划分子阵处理结合起来，其实现步骤包括如下(I)在宽带相控阵雷达中，设相控阵阵列为一个等距离线阵，阵元间距为d，阵元数为N，划分为L个子阵，每个子阵阵元数分别为PnA，其中η = 1，…，L;(2)将上述子阵通过移相器微波合成对准所在波束指向，获得经过合成后的数据 Y(t)
Y (t) = TX ⑴，其中X(t) = [X1 (t),…，xN(t)]T为阵列接收数据，[]T为向量转秩操作，Xi (t)为第i个阵元接收数据，其中i = l，…N，T为如下矩阵 T-
— %\ηθj—Rdsmd
3 λ ··. e Α O O O 0 0 0O O O
j—dsmej—P2dsm0
0 0 0 e A ··. e A 0 0 00 0 0
0 0 0 0 0 0 ； ··· ；0 0 0
(isin0j^-PLdsm0
o^ . . . /y ^
0 0 0 00 0000λ为发射信号的波长，Θ为波束指向方向，d为阵元间距，Pn为子阵阵元数，其中 η = I,…，L ;(3)将合成数据Y (t)转换为频域信号Y(W)Y (w) = TX(W),其中X(W)为阵列接收数据的频域表示,X(w) = A(w) S (w)+N(W), A(W)为信号频域导向矢量，S(W)为发射信号，N(w)为干扰和噪声信号，T为步骤⑵中所述的矩阵；(4)对频域导向矢量进行降维处理，得到导向矢量降维结果B(W)B(w) = TA(W)，(5)选取原型低通滤波器，并利用余弦调制滤波器组对该原型滤波器进行调制，得到分析和综合多速率滤波器组Hm (q) = 2h(q) cos((2w -1) (q - - (- l)m ^), 0<q<Q-l, l<m<Mfm(q) = 2h(q)cos((2m+ (-l)m^), 0<q<Q-l, \<m<M
2M 24其中，h' m(q)和f' m(q)分别为分析和综合多速率滤波器组，h(q)为原型低通滤波器，该滤波器是一个线性相位低通FIR滤波器，Q为原型滤波器的长度，M是余弦调制滤波器组的通道数；(6)将上述分析和综合多速率滤波器组分别修改为复数滤波器组hM)----2h(q)e 2M 2 4 ,0<q<Q-l,\<m<M
hM)----2h(q)e 2M 2 4 ,0<q<Q-l,M+l< w<2M
=2h(q)e 2M 2 4 ,0<q<Q-l,\<m<M
fM):=2h(q)e 2M 2 4 ,0<q<Q-l,M+l<w<2M其中hm(q)和fm(q)分别为修改后的分析和综合多速率滤波器组；(7)将频域信号Y(W)通过上述分析滤波器组进行滤波得到窄带信号，对该窄带信号进行下采样，得到下采样后的数据Zm(W)
I D-\Zm(W) = -^YiW/D + dw JHJw/D),
U d=0
2ττ其中％ =·^·，Y(w/D+dwd)表示频域信号Y(w)的多相滤波结构，Hm(w/D)为分析滤
5波器通过下采样后的频域响应，m表示余弦调制滤波器组的通道数，D为下采样倍数，d为阵元间距；(8)利用下采样后的数据Zm(W)和步骤(3)中的导向矢量降维结果，求得窄带内各子带自适应权值Wm: Ψ
Bh (Wm)R-1 (Wm)B(Wm)
9 TTffj其中Wra =7，B(Wm)表示导向矢量第m个子带的降维结果，=
R(Wm)表示协方差矩阵，BH(Wm)表示B(Wm)的共轭转置，表示Zm(w)的共轭转置；(9)在窄带内利用自适应权值Ψπ对各子带数据自适应加权，进行波束形成，得到子带输出数据^lZm{w) = ^i>HmYjY{w I D + dwd)Hm{w ID)，
U d=0其中Ψ；^(W)为波束形成后的结果，Ψ=表示共轭转置；(10)对上述波束形成后的信号Ψ；Α(μΟ进行上采样，然后经过综合滤波器组进行滤波，得到输出数据Fm(w)^lZm(Dw) = ^-Fm(w)^HmY4Y(w + dwd)Hm(w)，
Ud=0
2ττ其中= —, D为上采样倍数，Fm(W)为综合滤波器的频域响应，Hm(W)为分析滤
波器的频域响应，Y(w+dwd)为不同子阵接收的频域信号先后经过下采样和上采样后所得的结果。
(11)对各综合滤波器组的输出数据进行加权求和，得到最后结果输出尤(w):
MI MD-I
文 w=IX (wXi (加)=77ΣΧ (wX Σ r (w+好爪(…)
m=1m=1^I=Ct本发明与现有技术相比具有以下优点(I)现有的较常用的宽带波束形成方法是采用模拟延时线的方法，不仅体积庞大， 而且存在量化误差，影响波束形成的性能，且无法进行自适应处理抑制干扰信号，而本发明设计的基于子带分解的方法能够利用成熟的窄带波束形成的算法自适应抑制宽带干扰，且能并行操作，利于降低运算量；(2)现有的抽头延时线方法硬件耗费十分巨大，该方法需要进行矩阵求逆操作，其中矩阵维数等于需要延时线的个数和阵列通道个数的乘积，虽然可以自适应的抑制干扰信号，但计算非常复杂，本发明运算量集中在两个方面信号经过分析滤波器组和综合滤波器组的计算量，以及矩阵求逆获得自适应权值的计算量。本发明由于采用子阵处理和子带分
解，通道数大为减少，信号经过滤波器组的运算量仅为全阵列的同时全阵列矩阵求逆的
运算量为O (N3)，而子阵矩阵求逆的运算量仅为0(L3)，计算量较其他方法大为降低，其中N 为相控阵阵元数，L为划分后的子阵个数。另外在本发明中由于把整个阵列N个阵元划分为L个子阵，工程实现时仅需要L个发射接收�？楹褪莶杉？椋布试创笪档�。
图I是本发明的实现流程图；图2是本发明中余弦调制滤波器分析滤波器组的频率响应；图3是本发明中修改后的余弦调制滤波器分析滤波器组的频率响应；图4是本发明中某子带波束形成方向图；图5是本发明中静态波束形成后的接收信号；图6是本发明中基于子带分解的宽带自适应波束形成后的数据。
具体实施例方式参照图1，发明的实现步骤如下步骤I，把相控阵阵列划分成若干子阵。在宽带相控阵雷达中，设相控阵阵列为一个等距离线阵，阵元间距为d，阵元数为 N，采用多目标优化算法划分子阵，优化的目标函数为阵列增益、波束宽度和旁瓣电平，假设把整个相控阵划分为L个子阵，每个子阵阵元数分别为PnA，其中η = 1，…，L0步骤2，获得子阵合成数据Y (t)。 将上述各子阵通过移相器微波合成，对准所在波束指向，获得经过合成后的数据Y(t)Y(t) = TX ⑴，其中T为如下矩阵
权利要求
1. 一种基于子带分解的宽带子阵自适应波束形成方法，包括如下步骤(1)在宽带相控阵雷达中，设相控阵阵列为一个等距离线阵，阵元间距为d，阵元数为 N，随机划分为L个子阵，每个子阵阵元数分别为PnA，其中η = 1，…，L ；(2)将上述子阵通过移相器微波合成对准所在波束指向，获得经过合成后的数据 Y(t)
全文摘要
本发明公开了一种基于子带分解的宽带子阵自适应波束形成方法，主要解决现有技术运算量大，且无法进行自适应处理抑制宽带干扰信号的问题。其实现过程是1)把整个阵列划分成若干子阵，子阵通过移相器微波合成对准所在波束指向，得到子阵合成数据；2)选取原型滤波器，经过余弦调制滤波器组得到修改后的分析和综合滤波器组；3)子阵合成数据经过分析滤波器组后下采样，求窄带内自适应权值，在窄带内进行子带波束形成；4)对子带波束形成后的信号上采样，经过综合滤波器组并将各综合滤波器组的数据求和得到宽带自适应波束形成后的数据。本发明具有硬件规模小，运算量低，自适应抑制宽带干扰信号的优点，可用于宽带相控阵雷达自适应波束形成。
文档编号G01S7/41GK102608588SQ201210066849
公开日2012年7月25日 申请日期2012年3月14日 优先权日2012年3月14日
发明者刘峥, 张伦, 曹运合, 樊友友, 谢荣 申请人:西安电子科技大学
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