一种基于优化矢量加权的稀疏阵方向图旁瓣抑制方法与流程

1.本发明涉及一种抑制稀疏阵列方向图旁瓣电平的方法。

背景技术：

2.传统阵列天线常为均匀线阵或面阵，而实际应用场景中，对阵列天线的角度分辨力要求较高，因此需要天线孔径尽可能大。若阵列天线采用均匀布阵的方式，将导致成本极大增加。
3.近年来稀疏阵列布局的阵列天线得到广泛研究，包括最小冗余阵、互质阵以及嵌套阵等。稀疏阵列布局的阵列天线通过非均匀排布阵元间距来增大天线孔径，达到提高角度分辨力的目的。同时，稀疏阵列布局的阵列天线还可以减少信息冗余、降低成本。然而对于稀疏阵列布局的阵列天线而言，其稀疏阵列方向图的主瓣波束虽窄，由于其空间非均匀特性，导致方向图的旁瓣电平较高，从而造成测角精度降低。

技术实现要素：

4.本发明要解决的技术问题是：对于稀疏阵列布局的阵列天线而言，其稀疏阵列方向图的旁瓣电平较高，从而造成测角精度降低。
5.为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供了一种基于优化矢量加权的稀疏阵方向图旁瓣抑制方法，以抑制稀疏阵列布局阵列天线方向图的旁瓣电平，其特征在于，包括以下步骤：
6.步骤1、构建稀疏阵列布局阵列天线；
7.步骤2、模拟稀疏阵列布局阵列天线在目标探测角时的多通道回波；
8.步骤3、初始化稀疏阵列布局阵列天线在目标探测角时的加权向量ω；
9.步骤4、利用上一步得到的加权向量ω对多通道回波加权，则加权后稀疏阵列方向图的主瓣角度范围的信号以及副瓣范围的信号分别表示为向图的主瓣角度范围的信号以及副瓣范围的信号分别表示为分别表示加权前稀疏阵列方向图的主瓣角度范围的信号以及副瓣范围的信号；
10.步骤5、获得加权后的稀疏阵列方向图的主瓣能量以及副瓣能量基于主瓣能量以及副瓣能量构造代价函数，使得副瓣能量在始终小于主瓣能量的前提下尽可能小的同时保证主瓣能量在较小范围内浮动；基于所构造的代价函数利用优化算法对加权向量ω进行优化，每次优化后返回步骤4，利用优化后的加权向量ω对多通道回波重新加权，直至达到最大优化迭代次数后，获得最优的加权向量ω；
11.步骤6、利用最优的加权向量ω对稀疏阵列布局阵列天线在任意探测角时的多通道回波进行加权。
12.优选地，步骤2中，所述目标探测角为0
°
探测角。
13.优选地，步骤3中，所述加权向量ω为复数向量，
式中，n表示通道数量，ωn表示第n个通道的加权值，|ωn|表示第n个通道的加权幅度值，表示第n个通道的加权相位值。
14.优选地，步骤5中，所构造的代价函数如下式所示：
[0015][0016][0017][0018]
式中，αh为旁瓣能量峰值，γ为归一化主瓣能量，δ为可接受的主瓣能量浮动范围。
[0019]
优选地，步骤5中，将所述式(1)及所述式(2)进一步合并为：
[0020][0021]
式中，μ1、μ2分别表示加权系数，根据具体阵列排布情况进行设计。
[0022]
优选地，步骤1中，所述稀疏阵列布局阵列天线为二维面阵，则：通过所述步骤2至所述步骤5分别获得最优的方位维加权向量和俯仰维加权向量；在步骤 6中，利用最优的方位维加权向量和俯仰维加权向量分别对方位维和俯仰维在任意探测角时的多通道回波进行加权，分别实现方位维稀疏阵方向图旁瓣抑制以及俯仰维稀疏阵方向图旁瓣抑制。
[0023]
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
[0024]
1)针对稀疏阵列方向图中旁瓣较高的问题，通过对多通道信号加权求和，有效抑制了旁瓣功率；
[0025]
2)无需对每个探测角度重新生成加权矢量，只需生成目标在目标探测角(本发明采用0
°
探测角)时的加权矢量；实验证明，目标在目标探测角时生成的加权矢量，在其他角度下仍可保持相当的旁瓣抑制性能：
[0026]
3)本发明不受目标数量限制，在多目标场景下依然有效；
[0027]
4)对于二维面阵，本发明可生成方位维加权矢量和俯仰维加权矢量，且在方位维和俯仰维分别实现旁瓣抑制。
附图说明
[0028]
图1为一种基于优化矢量加权的稀疏阵方向图旁瓣抑制方法流程图；
[0029]
图2示意了实施例中采用的稀疏面阵；
[0030]
图3示意了方位维旁瓣抑制效果；
[0031]
图4示意了方位维多目标场景下旁瓣抑制效果；
[0032]
图5示意了俯仰维旁瓣抑制效果。
具体实施方式
[0033]
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
[0034]
如图1所示，本实施例公开的一种基于优化矢量加权的稀疏阵方向图旁瓣抑制方法具体包括以下步骤：
[0035]
步骤1、构建如图2所示的稀疏阵列布局阵列天线，该稀疏阵列布局阵列天线为二维面阵。其中波长为λ＝0.0038，阵列间隔以λ/2为单位，在俯仰向和方位向都具有一定的稀疏性，阵元数n＝27。面阵的方位维测角范围为[-75，75]、俯仰维测角范围为[-15，15]。将方位维主瓣和副瓣范围设置为[-1,1]和 [-75,-2]∪[2,75]，俯仰维主瓣和副瓣范围设置为[-1,1]和[-15,-2]∪[2,15]。
[0036]
步骤2、模拟稀疏阵列布局阵列天线在0
°
探测角时的多通道回波gr。
[0037]
步骤3、初始化稀疏阵列布局阵列天线在0
°
探测角时的加权向量ω，加权向量ω为复数向量，式中，n表示通道数量，ωn表示第n个通道的加权值，|ωn|表示第n个通道的加权幅度值，表示第n个通道的加权相位值。
[0038]
本实施例中，将加权向量ω初始值设置为ω0＝[1,...,1,π,...,π]，ω大小为1
×
2n
[0039]
步骤4、对多通道回波加权
[0040]
常规空间波束形成方法如下式(1)所示：
[0041]gθ
＝agrꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0042]
式(1)中，g
θ
表示指向目标角度θ的回波，a表示导向矢量矩阵。
[0043]
本发明中，考虑对多通道回波加权，则空间波束形成方法如下式(2)所示：
[0044]gθ
＝a(ω
·gr
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0045]
表示加权后指向主瓣范围内第i个角度θi的回波，则表示为下式(3)
[0046][0047]
式中，dn表示第n个虚拟通道与第n-1个虚拟通道之间的间距表示目标，λ表示波长，表示加权前波束指向主瓣范围内第i个角度θi的回波，且 [0048]
则，基于加权向量ω对多通道回波加权，得到加权后稀疏阵列方向图的主瓣角度范围的信号以及副瓣范围的信号分别表示加权前稀疏阵列方向图的主瓣角度范围的信号以及副瓣范围的信号。
[0049]
步骤5、获得加权后的稀疏阵列方向图的主瓣能量以及副瓣能量，基于主瓣能量以及副瓣能量构造代价函数，利用优化算法对加权向量ω进行优化，返回步骤4，利用优化后的加权向量ω对多通道回波重新加权，直至达到最大优化迭代次数后，获得最优的加权
向量ω。
[0050]
步骤5具体包括以下步骤：
[0051]
本发明期望通过加权通道，使副瓣功率尽可能小，且始终小于主瓣功率同时保证主瓣功率在较小范围内浮动，因此对加权向量ω的优化问题建模如下式(8)-(10)所示：
[0052][0053][0054][0055]
式中，αh为旁瓣能量峰值，γ为归一化主瓣能量，δ为可接受的主瓣能量浮动范围。
[0056]
由于式(8)-(10)所示的模型中包含两项目标函数，因此对各目标函数进行系数加权，将对加权向量ω的优化问题的全局目标函数设置为下式(11)所示形式：
[0057][0058]
式(11)中，μ1、μ2分别表示加权系数，根据具体阵列排布情况进行设计，本实施例中，μ1＝0.8，μ2＝0.2。
[0059]
对加权向量ω的优化问题以上式(11)建模后，通过优化算法进行参数优化，加权向量ω的幅值优化范围设置为[0,1]，相位优化范围设置为[0,2π]。所采用的优化算法包括但不限于遗传算法、模式搜索、粒子优化、全局优化等。
[0060]
本实施例中，如图3所示，采用本发明提供的方法后，对方位维旁瓣抑制可达5db以上，并且如图4所示，对不同角度下的多目标依然可实现3db以上的抑制水平，如图5所示俯仰维旁瓣抑制水平可达3db以上。

技术特征：

1.一种基于优化矢量加权的稀疏阵方向图旁瓣抑制方法，以抑制稀疏阵列布局阵列天线方向图的旁瓣电平，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、构建稀疏阵列布局阵列天线；步骤2、模拟稀疏阵列布局阵列天线在目标探测角时的多通道回波；步骤3、初始化稀疏阵列布局阵列天线在目标探测角时的加权向量ω；步骤4、利用上一步得到的加权向量ω对多通道回波加权，则加权后稀疏阵列方向图的主瓣角度范围的信号以及副瓣范围的信号分别表示为主瓣角度范围的信号以及副瓣范围的信号分别表示为分别表示加权前稀疏阵列方向图的主瓣角度范围的信号以及副瓣范围的信号；步骤5、获得加权后的稀疏阵列方向图的主瓣能量以及副瓣能量基于主瓣能量以及副瓣能量构造代价函数，使得副瓣能量在始终小于主瓣能量的前提下尽可能小的同时保证主瓣能量在较小范围内浮动；基于所构造的代价函数利用优化算法对加权向量ω进行优化，每次优化后返回步骤4，利用优化后的加权向量ω对多通道回波重新加权，直至达到最大优化迭代次数后，获得最优的加权向量ω；步骤6、利用最优的加权向量ω对稀疏阵列布局阵列天线在任意探测角时的多通道回波进行加权。2.如权利要求1所述的一种基于优化矢量加权的稀疏阵方向图旁瓣抑制方法，其特征在于，步骤2中，所述目标探测角为0
°
探测角。3.如权利要求1所述的一种基于优化矢量加权的稀疏阵方向图旁瓣抑制方法，其特征在于，步骤3中，所述加权向量ω为复数向量，式中，n表示通道数量，ω
n
表示第n个通道的加权值，|ω
n
|表示第n个通道的加权幅度值，表示第n个通道的加权相位值。4.如权利要求1所述的一种基于优化矢量加权的稀疏阵方向图旁瓣抑制方法，其特征在于，步骤5中，所构造的代价函数如下式所示：在于，步骤5中，所构造的代价函数如下式所示：在于，步骤5中，所构造的代价函数如下式所示：式中，α
h
为旁瓣能量峰值，γ为归一化主瓣能量，δ为可接受的主瓣能量浮动范围。5.如权利要求4所述的一种基于优化矢量加权的稀疏阵方向图旁瓣抑制方法，其特征在于，步骤5中，将所述式(1)及所述式(2)进一步合并为：
式中，μ1、μ2分别表示加权系数，根据具体阵列排布情况进行设计。6.如权利要求1所述的一种基于优化矢量加权的稀疏阵方向图旁瓣抑制方法，其特征在于，步骤1中，所述稀疏阵列布局阵列天线为二维面阵，则：通过所述步骤2至所述步骤5分别获得最优的方位维加权向量和俯仰维加权向量；在步骤6中，利用最优的方位维加权向量和俯仰维加权向量分别对方位维和俯仰维在任意探测角时的多通道回波进行加权，分别实现方位维稀疏阵方向图旁瓣抑制以及俯仰维稀疏阵方向图旁瓣抑制。

技术总结

本发明公开了一种基于优化矢量加权的稀疏阵方向图旁瓣抑制方法，以抑制稀疏阵列布局阵列天线方向图的旁瓣电平，其特征在于，包括以下步骤：构建稀疏阵列布局阵列天线；模拟稀疏阵列布局阵列天线在目标探测角时的多通道回波；初始化加权向量；对多通道回波加权；基于所构造的代价函数利用优化算法对加权向量进行优化，获得最优的加权向量；利用最优的加权向量对稀疏阵列布局阵列天线在任意探测角时的多通道回波进行加权。本发明针对稀疏阵列方向图中旁瓣较高的问题，通过对多通道信号加权求和，有效抑制了旁瓣功率；且无需对每个探测角度重新生成加权矢量。角度重新生成加权矢量。角度重新生成加权矢量。