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专利名称：数字阵列超低副瓣自适应数字波束形成方法
技术领域：
本发明涉及数字阵列波束形成领域的一种超低副瓣自适应数字波束形成方法。
背景技术：
数字阵列已广泛应用于雷达、通信等领域。针对日益复杂的电磁环境，新一代雷达、通信系统基于数字阵列在接收端进一步研究自适应数字波束形成(ADBF)技术来抑制各种有源干扰。作为自适应滤波在阵列信号处理的应用，ADBF技术的研究已开展了三十余年，其核心思想是在天线主波束保形下实现干扰自适应置零。前期研究工作主要基于阵元级信号，后续针对大型相控阵系统进一步研究子阵级ADBF技术^_6]。ADBF是抑制干扰的有效手段，但实际雷达、通信系统必须支持其它功能。如雷达要求强杂波背景下的探测能力，这就需要天线或自适应波束具有低或超低副瓣电平。常规天线接收和波束是专业天线设计人员精心优化计算的，但ADBF—般基于输出信噪比最大准则计算幅相权值，与常规接收和波束相比其天线副瓣电平必然抬升[6’7]。对于大型数字阵列，当训练样本数有限导致噪声估计不充分时，其天线副瓣性能还将进一步恶化[8’9]。目前，有关ADBF后自适应波束的超低副瓣性能研究工作鲜有报道，我国学者对子阵ADBF和自适应旁瓣相消(ASLC)技术的副瓣电平控制技术开展了一些探索性研究，提出了一些改进
算法[6-8,10,11,15]自适应数字波束形成(ADBF)是现代数字阵列系统干扰抑制的核心技术，但现有 ADBF算法一般基于输出信噪比最大准则，无法兼顾自适应波束的副瓣性能。参考文献[I] Applebaum S P. Adaptive arrays [J]. IEEE Trans. ΑΡ· 1976，24 (5) :586-599.[2]Reed I S，Mallett J D，and Brennan L E. Rapid convergence rate in adaptive arrays[J]. IEEE Trans. AES. 1974，10 (6) :853-863.[3]Nickel U R 0. Subarray configurations for digital beamforming with low sidelobes and adaptive interference suppression[C]. Proc.of the IEEE International Radar Conference 1995，Alexander，USA :714-719.[4]Lombardo P，Pastina D，Quiescent pattern control in adaptive antenna processing at sub-array level.Proc. IEEE International Symposium on Phased Array Systems and Technology 2003，Boston，USA :176-181.[5]Gershman A B. Robust adaptive beamforming an overview of recent trends and advances in the field. ICATT 2003，Crimea，Ukraine :30-35.[6]王永良，丁前军，李荣峰.自适应阵列处理[Μ].清华大学出版社.2009.[7]李军，龚耀寰.大型线阵自适应数字波束形成超低副瓣技术[J].信号处理， 2005，21 (4) :397-401.[8]苏保伟.阵列数字波束形成技术研究[D].长沙国防科学技术大学，2006.[9]Jian L， Stocia P.On robust capon beamforming and diagonal loading.IEEE Trans. SP,2003,51 (7) :1702-1715.[10]胡航，邓新红.二维子阵级ADBF及方向图控制方法研究[J].电子与信息学报，2008，30 (4) :881-884.[11]胡航，邓新红.子阵级平面相控阵ADBF的旁瓣抑制方法[J].电波科学学报， 2008,23(1) :201-205.[12]Lebret H, Boyd S. Antenna array pattern synthesis via complex optimization. IEEE Trans. SP,1997,45(3) :526-532.[13]Liu J, Gershman A B, etc.. Adaptive beamforming with sidelobe control a second-order cone programming approach.IEEE Signal Processing Letter.2003,10(11) :331-334.[14]Er M. Array patter synthesis with a controlled mean-square sidelobe level.Signal Processing. 1992,40 (4) :977-981.[15]马晓静，刘育才.自适应旁瓣相消技术及其在数字阵列雷达中的应用.雷达与对抗，2010，30 (3) :25-29.

发明内容
本发明目的是针对现有阵元和子阵ADBF基于输出信噪比最大准则计算自适应权值无法有效控制自适应波束副瓣电平的不足，在深入分析ASLC副瓣电平控制机理基础上， 提出了一种基于旁瓣相消结构的波束域降维ADBF算法。本发明为实现上述目的，采用如下技术方案I)和波束常规形成通过优化设计，经幅相加权后实现和波束方位超低副瓣，由公式(I)，输出信号为S Σ = XWh(I)式中X为阵列俯仰合成后方位向各阵元的接收信号,为I XM矢量，M为阵列俯仰合成后方位向的阵元个数，W为和波束静态幅相加权矢量，上标H为复共轭转置运算；2)波束域干扰测向在数字阵列中，将数字阵列方位向各阵元的接收数据采用空域FFT变换到波束域，进行干扰空域测向，即B = XFh(2)式中F = [S1 SM]ΜΧΜ为空域FFT变换矩阵，由覆盖全空域的导向矢量构成，其
中第i导向矢量Si为% =[1 eJsm[2^(t-1)]... eJsm[^(!-1>(M-1)]]，在波束域根据输出峰值确定空
域干扰个数和相应的空域入射角，假定干扰测向确定的空域干扰个数为K，K个干扰的空域入射角分别为Q1, θ 2，......θ K ；3)干扰辅助波束设计独立设计指向每一个干扰的空域辅助波束，并通过切比雪夫加权压低干扰辅助波束的副瓣电平，则K个干扰辅助波束的输出信号为C = XFkh(3)式中Fk= [SK1 Sk 2…Skk]由各干扰辅助波束的空域幅相加权矢量构成，其中K个空域干扰中指向第j个干扰的空域辅助波束的幅相加权矢量Siu为
&」=[次宁(Μ—1>ιηθ ，式中0」为〖个空域干扰中第j个干扰经干扰测向确定的该干扰的空域入射角，λ 为第I个阵元的切比雪夫加权系数；4)自适应权值计算利用干扰辅助波束输出C对消常规和波束中的干扰信号，即Wrd = RclRcs(4)其中Rc = E[CHC]，Rcs = E[ChSs]，其中Ε[ ·]为数学期望运算，C为公式(3)所示的干扰辅助输出信号，Ss为公式(I)所不的常规和波束输出信号；理论分析和仿真结果表明本发明与ASLC相比，通过优化干扰辅助波束设计，降低了自适应旁瓣相消引起的副瓣扰动，从而进一步改善了自适应波束的副瓣性能。本文算法自适应处理自由度与干扰源数目有效匹配，算法收敛速度快，运算量小，因此在数字阵列系统中极具工程应用前景。


图I:数字阵列构型；
图2=ADBF信号处理模型，(a)阵元ADBF，(b)子阵ADBF
图3=ASLC信号处理模型；
图4=Waslc与Ge的变化关系；
图5:波束域降维ADBF信号处理流程；
图6:波束天线方向图7:单元/子阵ADBF波束方向图8:波束域干扰测向；
图9:波束域降维ADBF波束方向图。
具体实施例方式本发明基于旁瓣相消器结构，提出了针对干扰源设计辅助波束进而自适应对消常规和波束中干扰信号的波束域降维ADBF算法。与子阵ADBF相比，本文算法自适应处理自由度低，收敛速度快；与ASLC技术相比，本文算法优化了干扰辅助波束设计，自适应波束的副瓣性能进一步得到提高。文中基于数字阵列经俯仰合成后的方位线阵进行算法推导，但本文思想可推广应用于方位、俯仰的两维面阵。I.数字阵列ADBF信号模型假定数字阵列为方位M维、俯仰N维的矩形面阵，天线阵元间距为半波长。如图I 所示，天线阵元经俯仰合成后等价为一个M维的均匀方位线阵。阵元级ADBF对每个阵元的采样数据根据波束扫描指向，直接求解自适应权值[1’2]。对于大型数字阵列，自适应处理自由度M过高，导致求解权值的独立同分布样本(IID)数和计算量急剧膨胀，进而开展子阵 ADBF技术研究[3_6]。子阵ADBF为避免扫描栅瓣首先在阵元级通过幅相加权完成波束扫描， 进而对子阵输出进行空域ADBF，子阵划分方案在文献[6’8]中已有深入研究，本文不再赘述。 两种自适应方案信号处理流程如图2所示。假定空域有K个有源干扰，其方位入射角分别为[Q1 θ2…θκ]，则线阵接收信
号为[1_2]X = AS+N(I)其中A= [A01 A02…A0Jixk为各干扰信号接收复包络，S = [S01 Sg2-** S0kJkxm为各干扰信号的阵列流形，N为系统噪声。假定阵列波束指向为Qtl，单元级ADBF权矢量为
权利要求
1.一种数字阵列超低副瓣自适应数字波束形成方法，其特征在于包括以下四个步骤1)和波束常规形成通过优化设计，经幅相加权后实现和波束方位超低副瓣，由公式(I)，输出信号为Ss=XWh(I)式中X为阵列俯仰合成后方位向各阵元的接收信号，为I XM矢量，M为阵列俯仰合成后方位向的阵元个数，W为和波束静态幅相加权矢量，上标H为复共轭转置运算；2)波束域干扰测向在数字阵列中，将数字阵列方位向各阵元的接收数据采用空域 FFT变换到波束域，进行干扰空域测向，即B = XFh(2)式中F= [S1 SM]MXM为空域FFT变换矩阵，由覆盖全空域的导向矢量构成，其中第i导向矢量SiS q=[1 eJsm[2^(t-1)]... eJsm[^(!-1>(M-1)]]，在波束域根据输出峰值确定空域干扰个数和相应的空域入射角，假定干扰测向确定的空域干扰个数为K，K个干扰的空域入射角分别为 Q1, θ 2，......θ K ；3)干扰辅助波束设计独立设计指向每一个干扰的空域辅助波束，并通过切比雪夫加权压低干扰辅助波束的副瓣电平，则K个干扰辅助波束的输出信号为C = XFk11(3)式中& = [SKJ SK—2…SK—J由各干扰辅助波束的空域幅相加权矢量构成, 其中K个空域干扰中指向第j个干扰的空域辅助波束的幅相加权矢量Siu为&」=[次宁(Μ—1>ιηθ ，式中0」为〖个空域干扰中第j个干扰经干扰测向确定的该干扰的空域入射角，λ I为第I个阵元的切比雪夫加权系数；4)自适应权值计算利用干扰辅助波束输出C对消常规和波束中的干扰信号，SP Wrd=Rc1Rcs(4)其中Rc = E[CHc]，Rcs = E[CHSΣ]，其中E[·]为数学期望运算，C为公式(3)所示的干扰辅助输出信号，S Σ为公式(I)所不的常规和波束输出信号。
2.根据权利要求I所述的数字阵列超低副瓣自适应数字波束形成方法，其特征在于所述方法还可以应用于方位、俯仰的两维面阵。
全文摘要
本发明公布了一种数字阵列超低副瓣自适应数字波束形成(ADBF)方法，包括和波束常规形成，波束域干扰空域测向，构建干扰辅助波束和自适应权值计算四个步骤，具体利用数字阵列自适应设计针对干扰方向的辅助波束，进而在波束域降维空间内计算自ADBF权值。理论分析和仿真结果表明该算法在自适应抑制干扰的同时具有很好的超低副瓣波束保形性能，且收敛速度快，运算量�。�适合工程应用。
文档编号G01S7/36GK102608580SQ20121000266
公开日2012年7月25日 申请日期2012年1月6日 优先权日2012年1月6日
发明者朱岱寅, 沈明威, 韩国栋 申请人:河海大学