专利名称：阵列误差存在时均匀圆阵天线低副瓣波束形成方法
技术领域：
本发明属于通信技术领域，更进一步涉及雷达信号处理技术领域的阵列误差存在时均匀圆阵天线低副瓣波束形成方法。本发明可实现在阵列误差存在时对均匀圆阵天线进行低副瓣波束形成，得到良好的波束形成的结果。
背景技术：
目前，国内外在雷达信号处理技术领域中，波束形成时所使用的导向矢量是理想情况下的导向矢量或者是校正以后的导向矢量。北京交通大学在其专利申请文件“基于均匀圆阵列天线的多扇区空间复用方法及其系统”(公开号CN101674114,申请号200910093583.6，申请日2009.10.13)中进行波束形成时，所使用的导向矢量是理想情况下均匀圆阵天线的导向矢量。该专利申请所公开的技术存在的不足是，忽略了阵列误差对波束形成结果的影响，在实际应用中均匀圆阵天线存在着严重的阵列误差，导致波束形成的结果与理想情况下的波束形成结果偏差很大。中国船舶重工集团公司第七一五研究所在其专利申请文件“一种U形阵波束形成加权方法”(公开号CNlOl 149435A，申请号200710156454.8，申请日2007.10.23)中将参与波束形成的阵子投影到波阵面上然后通过加窗来完成波束形成，对阵列误差有一定的校正作用。该专利申请公开的技术存在的不足是，进行波束形成时阵列误差没有得到彻底的校正，残留的阵列误差将使波束形成结果变差。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提出一种阵列误差存在时均匀圆阵天线低副瓣波束形成方法，将阵列误差产生的影响矩阵因子看作均匀圆阵天线导向矢量的一部分，实际测量得到阵列误差存在时均匀圆阵天线的导向矢量，结合方向图综合方法计算得到均匀圆阵天线的低副瓣权系数，解决了现有技术忽略阵列误差或者阵列误差校正不彻底时得到的波束形成结果差的问题。实现本发明目的的思路是，将阵列误差产生的影响矩阵因子看做均匀圆阵天线导向矢量的一部分，实际测量得到阵列误差存在时均匀圆阵天线的导向矢量，结合方向图综合方法计算得到均匀圆阵天线的低副瓣权系数，继而对均匀圆阵天线进行波束形成。为了实现上述目的，本发明具体实现步骤包括如下:(I)架设天线:将均匀圆阵天线架设在由步进电机驱动的转台上；(2)放置信号源:将一单频的信号源放置于步骤⑴中均匀圆阵天线的远场；(3)获得接收机通道修正矩阵；(4)构建导向矢量:4a)设定转台转动的次数:设定架设有均匀圆阵天线的转台转动次数为360次，并将转台初次转动的次数序号置为零；4b)测量信号源到达角:利用全球定位系统或经纬仪测量出信号源到达角；
4c)构建信号源到达角的导向矢量:采集器采集均匀圆阵天线的接收信号，将采集到的任意一个快拍的信号作为步骤4b)中信号源到达角对应的导向矢量；4d)判断转台是否转过设定的次数:转台转动Γ，将转台转动的次数序号增加1，判断转台转动的次数序号是否为360，如果是，则执行步骤4b)，否则，执行步骤4e)；4e)导向矢量构建完成；(5)修正导向矢量:将步骤(3)获得的接收机通道修正矩阵左乘步骤(4)所构建的每个导向矢量；(6)形成低副瓣波束:采用方向图综合方法对修正后的导向矢量进行处理，产生低副瓣权系数，使用该低副瓣权系数对均匀圆阵天线进行波束形成。本发明与现有技术相比具有以下优点:
第一，本发明将阵列误差作为均匀圆阵天线的固有属性，将阵列误差产生的影响矩阵因子看作均匀圆阵天线导向矢量的一部分，通过实际测量得到阵列误差存在时均匀圆阵天线的导向矢量，将阵列误差全部考虑在内，克服了现有技术不考虑阵列误差或者阵列误差校正不彻底而导致波束形成结果差的问题，使得本发明具有波束形成结果良好的优点。第二，本发明采用方向图综合方法，对信号源的统计特性以及均匀圆阵接收信号模型没有任何要求，克服了现有技术因信号源统计特性的要求无法得到满足或者均匀圆阵天线接收信号模型与实际不一致而导致的波束形成结果差的问题，使得本发明具有实用性强的优点。
图1为本发明的流程图；图2为本发明实施例中采用八单元圆阵天线的示意图；图3为本发明实施例所形成的波束图。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明作进一步的详细描述。参照附图1对本发明的具体步骤做详细描述如下。步骤1，架设天线:将均匀圆阵天线架设在由步进电机驱动的转台上。步骤2，放置信号源:将一单频的信号源放置于步骤(I)中均匀圆阵天线的远场。步骤3，获得接收机通道修正矩阵:第一步:将一单频校正信号源的输出端口，分别与接收机各个通道的输入端口连接。第二步:采集器分别采集接收机各个通道的信号。第三步:将同一个时刻采集器采集的信号，按接收机通道的顺序组成一个向量，用向量中第二个至最后一个元素分别除以该向量的第一个元素，得到接收机通道修正系数向量。
第四步:将单位矩阵中的对角元素依次替换为接收机通道修正系数向量中的各元素，形成一个对角矩阵，将该对角矩阵确定为接收机通道修正矩阵。步骤4，构建导向矢量:4a)设定转台转动的次数:设定架设有均匀圆阵天线的转台转动次数为360次，并将转台初次转动的次数序号置为零。4b)测量信号源到达角:利用全球定位系统或经纬仪测量出信号源到达角。4c)构建信号源到达角的导向矢量:采集器采集均匀圆阵天线的接收信号，将采集到的任意一个快拍的信号作为步骤4b)中信号源到达角对应的导向矢量。4d)判断转台是否转过设定的次数:转台转动1°，将转台转动的次数序号增加1，判断转台转动的次数序号是否为360，如果是，则执行步骤4b)，否则，执行步骤4e)。4e)导向矢量构建完成。步骤5，修正导向矢量:将步骤(3)获得的接收机通道修正矩阵左乘步骤(4)所构建的每个导向矢量。步骤6，形成低副瓣波束:计算低副瓣权系数:第一步:在步骤(4)测量得到的全部信号源到达角中，根据所要观察的空域选取一个信号源到达角作为波束指向，同时，在(0°，360° )范围内，根据所要求的角度分辨率取主瓣宽度。本发明的实施例中所要观察的空域为信号源到达角为0°附近的空域，因此波束指向取0°，本发明的实施例中要求的角度分辨率为50°，因此主瓣宽度取50°。第二步:在(0，1)范围内，根据所要求的信号干扰比值取最大副瓣电平与主瓣电平的比值。本发明的实施例中所要求的信号干扰比0.1，因此最大副瓣电平与主瓣电平的比值为0.1。第三步:确定副瓣区域:如果波束指向Θ ^满足条件时，则将副瓣区域确定为[θ0+—,θ0 - γ + 360°]。如果波束指向θ ^满足360° ~<θ0< 360°条件时，则将副瓣区域确定为[沒0 + γ-360 ,θ0-—]。除上述两个情形外的其他情形下，将副瓣区域确定为[爲-^A +f]。其中，α表示本步骤第一步所选取的主瓣宽度，Θ ^表示本步骤第一步所选取的波束指向。本发明实施例中副瓣区域为[25° ,335° ]。第四步:选取步骤(4)测量得到的副瓣区域中的全部信号源到达角，组成副瓣区信号源到达角向量，并统计该向量中信号源到达角的个数。本发明实施例中副瓣区信号源到达角向量中信号源到 达角的个数为311。第五步:按照下式计算低副瓣权系数:w = (AAh) ^1Ab
A= [a ( θ 0), a ( Θ ^ , a ( θ 2),..., a ( Θ ^ ]b = [I, β , β , β , , β]Η其中，w表示低副瓣权系数，A表示波束指向控制矩阵，Ah表示波束指向控制矩阵A的共轭转置矩阵，(AAh)-1表示矩阵AAh的逆矩阵，b表示副瓣电平控制向量，a( Θ ^，a( Θ J，a( θ 2),..., a( Θ ^分别表不步骤(4)构建的信号源到达角Θ d, Θ !, Θ 2，...，Θ j的导向矢量，Qtl表示本步骤第一步所选取的波束指向，Q1, θ2，...，Θ ^分别表示副瓣区信号源到达角向量中的信号源到达角，J表示副瓣区信号源到达角向量中信号源到达角的个数，β表示本步骤第二步选取的最大副瓣电平与主瓣电平的比值，H表示共轭转置符号。
波束形成:利用低副瓣权系数对均匀圆阵天线在全空间的接收信号进行加权。下面结合附图2、附图3对本发明的效果做进一步的描述。图2为本发明实施例中采用的八单元均匀圆阵天线的示意图。图3为本发明实施例的波束图，其中，图3(a)为利用本发明测量得到的导向矢量产生的低副瓣权系数形成的波束图，图3(b)为利用理想导向矢量产生的低副瓣权系数形成的波束图。1、本发明实施例的条件:图2为本发明的实施例中采用的八单元均匀圆阵天线的示意图，图2中，天线的半径为3.06m,图2中所标示0，1，2，..7代表八单元均匀圆阵天线的八个阵子，八个阵子均匀分布在图2中的大圆上，s(t)表示本发明实施例中采用的单频信号源，Θ为信号源到达角。本发明实施例中信号源的频率为100.52MHz，采样频率为76.8MHz，数据率为200KHz，八单元均匀圆阵天线在每一个位置处采样的数据存放在一个单独的文件中，文件大小为5M。从每一个文件中任取一个数据构成八单元均匀圆阵天线在全空间的导向矢量，波束指向取为0°，应用方向图综合方法在MATLAB软件平台对导向矢量进行处理，得到一组低副瓣权系数。在每一个数据文件中任取一个与之前不同的数据，构成八单元均匀圆阵天线在全空间的接收信号样本，按此操作构成两个样本，使用低副瓣权系数对这两个样本进行加权，得到的波束如图3(a)所示。2、本发明实施例的结果分析:图3(a)为利用本发明产生的低副瓣权系数加在八单元均匀圆阵天线在全空间上接收数据的两个不同样本上得到的波束。图3(a)中横轴表示信号源的到达角，纵轴表示八单元均匀圆阵天线接收信号被加权以后的相对功率。图3(a)中曲线为八单元均匀圆阵天线接收信号被加权以后的相对功率随信号源到达角的变化曲线，图3(a)中以实线标示的曲线表示利用本发明产生的低副瓣波束加在八单元均匀圆阵天线在全空间接收信号的其中一个样本上形成的波束，以虚线标示的信号表示利用本发明产生的低副瓣波束加在八单元均匀圆阵天线在全空间接收信号的另外一个样本上形成的波束。从图3(a)中可以看出，利用本发明产生的低副瓣权系数加在八单元均匀圆阵天线在全空间上接收数据的两个不同样本上得到的波束几乎重叠在一起，而且最高副瓣的功率低于主瓣20dB，得到了良好的低副瓣波束形成结果。图3(b)为利用理想导向矢量产生的低副瓣权系数加在八单元均匀圆阵天线在全空间接收数据的一个样本上产生的波束，横轴表示信号源的到达角，纵轴表示八单元均匀圆阵天线接收信号被加权以后的相对功率，图3(b)中曲线为八单元均匀圆阵天线接收信号被加权以后的相对功率随信号源到达角的变化曲线，从图3(b)中可以看出，利用理想导向矢量产生的低副瓣权系数加在八单元均匀圆阵天线在全空间接收数据的一个样本上产生的波束，主瓣指向偏离了预期指向，最大副瓣电平过高，而利用本发明产生的低副瓣权系数可以得到良好的波束形成结果，最高副瓣功率低于主瓣20dB，证明了本发明的优越性和实用性。
权利要求
1.阵列误差存在时均匀圆阵天线低副瓣波束形成方法，其具体步骤如下: (1)架设天线:将均匀圆阵天线架设在由步进电机驱动的转台上； (2)放置信号源:将一单频的信号源放置于步骤(I)中均匀圆阵天线的远场； (3)获得接收机通道修正矩阵； (4)构建导向矢量: 4a)设定转台转动的次数:设定架设有均匀圆阵天线的转台转动次数为360次，并将转台初次转动的次数序号置为零； 4b)测量信号源到达角；利用全球定位系统或经纬仪测量出信号源到达角； 4c)构建信号源到达角的导向矢量:采集器采集均匀圆阵天线的接收信号，将采集到的任意一个快拍的信号作为步骤4b)中信号源到达角对应的导向矢量； 4d)判断转台是否转过设定的次数: 转台转动1°，将转台转动的次数序号增加1，判断转台转动的次数序号是否为360，如果是，则执行步骤4b)，否则，执行步骤4e)； 4e)导向矢量构建完成； (5)修正导向矢量: 将步骤(3)获得的接收机通道修正矩阵左乘步骤(4)所构建的每个导向矢量； (6)形成低副瓣波束: 采用方向图综合方法对修正后的导向矢量进行处理，产生低副瓣权系数，使用该低副瓣权系数对均匀圆阵天线进行波束形成。
2.根据权利要求1所述的阵列误差存在时均匀圆阵天线低副瓣波束形成方法，其特征在于:步骤(3)所述的接收机通道修正矩阵的获取步骤如下: 第一步:将一单频校正信号源的输出端口，分别与接收机各个通道的输入端口连接； 第二步:采集器分别采集接收机各个通道的信号； 第三步:将同一个时刻采集器采集的信号，按接收机通道的顺序组成一个向量，用向量中第二个至最后一个元素分别除以该向量的第一个元素，得到接收机通道修正系数向量； 第四步:将单位矩阵中的对角元素依次替换为接收机通道修正系数向量中的各元素，形成一个对角矩阵，将该对角矩 阵确定为接收机通道修正矩阵。
3.根据权利要求1所述的阵列误差存在时均匀圆阵天线低副瓣波束形成方法，其特征在于:步骤(6)所述的方向图综合方法的具体步骤如下: 第一步:在步骤(4)测量得到的全部信号源到达角中，根据所要观察的空域选取一个信号源到达角作为波束指向，同时，在(0°，360° )范围内，根据所要求的角度分辨率取主瓣宽度； 第二步:在(0，1)范围内，根据所要求的信号干扰比值取最大副瓣电平与主瓣电平的比值； 第三步:确定副瓣区域: 如果波束指向θ^满足■!条件时，则将副瓣区域确定为 - — + 360°]；如果波束指向Θ ^满足
4.根据权利要求1所述的阵列误差存在时均匀圆阵天线低副瓣波束形成方法，其特征在于:步骤(6)所述的波束形成是通过低副瓣权系数对均匀圆阵天线在全空间的接收信号进行加权来完成的。
全文摘要
本发明公开了一种阵列误差存在时均匀圆阵天线低副瓣波束形成方法，主要解决现有技术忽视均匀圆阵天线的阵列误差或者对阵列误差校正不彻底而导致波束形成差的问题。其实现的具体步骤如下，(1)架设天线；(2)放置信号源；(3)获得接收机通道修正矩阵；(4)构建导向矢量；(5)修正导向矢量；(6)形成低副瓣波束。本发明将阵列误差产生的影响矩阵因子看作阵列天线导向矢量的一部分，实际测量得到阵列误差存在时的导向矢量，具有构建的导向矢量与实际情况更加符合的优点。本发明利用方向图综合方法计算得到低副瓣权系数，能够得到满意的波束形成结果。对实测数据的处理结果进一步验证了本发明的优越性和实用性。
文档编号H04B7/06GK103152088SQ201310055960
公开日2013年6月12日 申请日期2013年1月31日 优先权日2013年1月31日
发明者王俊, 吕小永, 乔家辉, 朱昀, 王珏 申请人:西安电子科技大学