專利名稱：數字陣列超低副瓣自適應數字波束形成方法
技術領域：
本發明涉及數字陣列波束形成領域的一種超低副瓣自適應數字波束形成方法。
背景技術：
數字陣列已廣泛應用于雷達、通信等領域。針對日益復雜的電磁環境，新一代雷達、通信系統基于數字陣列在接收端進一步研究自適應數字波束形成(ADBF)技術來抑制各種有源干擾。作為自適應濾波在陣列信號處理的應用，ADBF技術的研究已開展了三十余年，其核心思想是在天線主波束保形下實現干擾自適應置零。前期研究工作主要基于陣元級信號，后續針對大型相控陣系統進一步研究子陣級ADBF技術^_6]。ADBF是抑制干擾的有效手段，但實際雷達、通信系統必須支持其它功能。如雷達要求強雜波背景下的探測能力，這就需要天線或自適應波束具有低或超低副瓣電平。常規天線接收和波束是專業天線設計人員精心優化計算的，但ADBF—般基于輸出信噪比最大準則計算幅相權值，與常規接收和波束相比其天線副瓣電平必然抬升[6’7]。對于大型數字陣列，當訓練樣本數有限導致噪聲估計不充分時，其天線副瓣性能還將進一步惡化[8’9]。目前，有關ADBF后自適應波束的超低副瓣性能研究工作鮮有報道，我國學者對子陣ADBF和自適應旁瓣相消(ASLC)技術的副瓣電平控制技術開展了一些探索性研究，提出了一些改進
算法[6-8,10,11,15]自適應數字波束形成(ADBF)是現代數字陣列系統干擾抑制的核心技術，但現有 ADBF算法一般基于輸出信噪比最大準則，無法兼顧自適應波束的副瓣性能。參考文獻[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，丁前軍，李榮峰.自適應陣列處理[Μ].清華大學出版社.2009.[7]李軍，龔耀寰.大型線陣自適應數字波束形成超低副瓣技術[J].信號處理， 2005，21 (4) :397-401.[8]蘇保偉.陣列數字波束形成技術研究[D].長沙國防科學技術大學，2006.[9]Jian L， Stocia P.On robust capon beamforming and diagonal loading.IEEE Trans. SP,2003,51 (7) :1702-1715.[10]胡航，鄧新紅.二維子陣級ADBF及方向圖控制方法研究[J].電子與信息學報，2008，30 (4) :881-884.[11]胡航，鄧新紅.子陣級平面相控陣ADBF的旁瓣抑制方法[J].電波科學學報， 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]馬曉靜，劉育才.自適應旁瓣相消技術及其在數字陣列雷達中的應用.雷達與對抗，2010，30 (3) :25-29.

發明內容
本發明目的是針對現有陣元和子陣ADBF基于輸出信噪比最大準則計算自適應權值無法有效控制自適應波束副瓣電平的不足，在深入分析ASLC副瓣電平控制機理基礎上， 提出了一種基于旁瓣相消結構的波束域降維ADBF算法。本發明為實現上述目的，采用如下技術方案I)和波束常規形成通過優化設計，經幅相加權后實現和波束方位超低副瓣，由公式(I)，輸出信號為S Σ = XWh(I)式中X為陣列俯仰合成后方位向各陣元的接收信號,為I XM矢量，M為陣列俯仰合成后方位向的陣元個數，W為和波束靜態幅相加權矢量，上標H為復共軛轉置運算；2)波束域干擾測向在數字陣列中，將數字陣列方位向各陣元的接收數據采用空域FFT變換到波束域，進行干擾空域測向，即B = XFh(2)式中F = [S1 SM]ΜΧΜ為空域FFT變換矩陣，由覆蓋全空域的導向矢量構成，其
中第i導向矢量Si為% =[1 eJsm[2^(t-1)]... eJsm[^(!-1>(M-1)]]，在波束域根據輸出峰值確定空
域干擾個數和相應的空域入射角，假定干擾測向確定的空域干擾個數為K，K個干擾的空域入射角分別為Q1, θ 2，......θ K ；3)干擾輔助波束設計獨立設計指向每一個干擾的空域輔助波束，并通過切比雪夫加權壓低干擾輔助波束的副瓣電平，則K個干擾輔助波束的輸出信號為C = XFkh(3)式中Fk= [SK1 Sk 2…Skk]由各干擾輔助波束的空域幅相加權矢量構成，其中K個空域干擾中指向第j個干擾的空域輔助波束的幅相加權矢量Siu為
&」=[次寧(Μ—1>ιηθ ，式中0」為〖個空域干擾中第j個干擾經干擾測向確定的該干擾的空域入射角，λ 為第I個陣元的切比雪夫加權系數；4)自適應權值計算利用干擾輔助波束輸出C對消常規和波束中的干擾信號，即Wrd = RclRcs(4)其中Rc = E[CHC]，Rcs = E[ChSs]，其中Ε[ ·]為數學期望運算，C為公式(3)所示的干擾輔助輸出信號，Ss為公式(I)所不的常規和波束輸出信號；理論分析和仿真結果表明本發明與ASLC相比，通過優化干擾輔助波束設計，降低了自適應旁瓣相消引起的副瓣擾動，從而進一步改善了自適應波束的副瓣性能。本文算法自適應處理自由度與干擾源數目有效匹配，算法收斂速度快，運算量小，因此在數字陣列系統中極具工程應用前景。


圖I:數字陣列構型；
圖2=ADBF信號處理模型，(a)陣元ADBF，(b)子陣ADBF
圖3=ASLC信號處理模型；
圖4=Waslc與Ge的變化關系；
圖5:波束域降維ADBF信號處理流程；
圖6:波束天線方向圖7:單元/子陣ADBF波束方向圖8:波束域干擾測向；
圖9:波束域降維ADBF波束方向圖。
具體實施例方式本發明基于旁瓣相消器結構，提出了針對干擾源設計輔助波束進而自適應對消常規和波束中干擾信號的波束域降維ADBF算法。與子陣ADBF相比，本文算法自適應處理自由度低，收斂速度快；與ASLC技術相比，本文算法優化了干擾輔助波束設計，自適應波束的副瓣性能進一步得到提高。文中基于數字陣列經俯仰合成后的方位線陣進行算法推導，但本文思想可推廣應用于方位、俯仰的兩維面陣。I.數字陣列ADBF信號模型假定數字陣列為方位M維、俯仰N維的矩形面陣，天線陣元間距為半波長。如圖I 所示，天線陣元經俯仰合成后等價為一個M維的均勻方位線陣。陣元級ADBF對每個陣元的采樣數據根據波束掃描指向，直接求解自適應權值[1’2]。對于大型數字陣列，自適應處理自由度M過高，導致求解權值的獨立同分布樣本(IID)數和計算量急劇膨脹，進而開展子陣 ADBF技術研究[3_6]。子陣ADBF為避免掃描柵瓣首先在陣元級通過幅相加權完成波束掃描， 進而對子陣輸出進行空域ADBF，子陣劃分方案在文獻[6’8]中已有深入研究，本文不再贅述。 兩種自適應方案信號處理流程如圖2所示。假定空域有K個有源干擾，其方位入射角分別為[Q1 θ2…θκ]，則線陣接收信
號為[1_2]X = AS+N(I)其中A= [A01 A02…A0Jixk為各干擾信號接收復包絡，S = [S01 Sg2-** S0kJkxm為各干擾信號的陣列流形，N為系統噪聲。假定陣列波束指向為Qtl，單元級ADBF權矢量為
權利要求
1.一種數字陣列超低副瓣自適應數字波束形成方法，其特征在于包括以下四個步驟1)和波束常規形成通過優化設計，經幅相加權后實現和波束方位超低副瓣，由公式(I)，輸出信號為Ss=XWh(I)式中X為陣列俯仰合成后方位向各陣元的接收信號，為I XM矢量，M為陣列俯仰合成后方位向的陣元個數，W為和波束靜態幅相加權矢量，上標H為復共軛轉置運算；2)波束域干擾測向在數字陣列中，將數字陣列方位向各陣元的接收數據采用空域 FFT變換到波束域，進行干擾空域測向，即B = XFh(2)式中F= [S1 SM]MXM為空域FFT變換矩陣，由覆蓋全空域的導向矢量構成，其中第i導向矢量SiS q=[1 eJsm[2^(t-1)]... eJsm[^(!-1>(M-1)]]，在波束域根據輸出峰值確定空域干擾個數和相應的空域入射角，假定干擾測向確定的空域干擾個數為K，K個干擾的空域入射角分別為 Q1, θ 2，......θ K ；3)干擾輔助波束設計獨立設計指向每一個干擾的空域輔助波束，并通過切比雪夫加權壓低干擾輔助波束的副瓣電平，則K個干擾輔助波束的輸出信號為C = XFk11(3)式中& = [SKJ SK—2…SK—J由各干擾輔助波束的空域幅相加權矢量構成, 其中K個空域干擾中指向第j個干擾的空域輔助波束的幅相加權矢量Siu為&」=[次寧(Μ—1>ιηθ ，式中0」為〖個空域干擾中第j個干擾經干擾測向確定的該干擾的空域入射角，λ I為第I個陣元的切比雪夫加權系數；4)自適應權值計算利用干擾輔助波束輸出C對消常規和波束中的干擾信號，SP Wrd=Rc1Rcs(4)其中Rc = E[CHc]，Rcs = E[CHSΣ]，其中E[·]為數學期望運算，C為公式(3)所示的干擾輔助輸出信號，S Σ為公式(I)所不的常規和波束輸出信號。
2.根據權利要求I所述的數字陣列超低副瓣自適應數字波束形成方法，其特征在于所述方法還可以應用于方位、俯仰的兩維面陣。
全文摘要
本發明公布了一種數字陣列超低副瓣自適應數字波束形成(ADBF)方法，包括和波束常規形成，波束域干擾空域測向，構建干擾輔助波束和自適應權值計算四個步驟，具體利用數字陣列自適應設計針對干擾方向的輔助波束，進而在波束域降維空間內計算自ADBF權值。理論分析和仿真結果表明該算法在自適應抑制干擾的同時具有很好的超低副瓣波束保形性能，且收斂速度快，運算量小，適合工程應用。
文檔編號G01S7/36GK102608580SQ20121000266
公開日2012年7月25日 申請日期2012年1月6日 優先權日2012年1月6日
發明者朱岱寅, 沈明威, 韓國棟 申請人:河海大學