一种数字阵列雷达的数字赋形波束设计方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种数字阵列雷达系统中数字波束形成技术，特别是一种数字阵列雷 达的数字赋形波束设计方法。
【背景技术】
[0002] 数字阵列雷达（DAR)是一种接收和发射波束都采用数字波束形成技术的全数字 阵列扫描雷达，与传统的相控阵雷达相比，数字阵列雷达具有很多优点：（1)易于实现超低 收发副瓣；（2)信号处理方式灵活；（3)可以利用直接频率合成（DDS)技术；(4)不需要射频 或微波移相器；（5)雷达的整机功耗低、可靠性高。
[0003] 常规赋形波束设计通常使用一些分析技术，如泰勒级数和切比雪夫法，但会在赋 形区域产生很大的波纹，所以为了得到更好的赋形效果，随机类优化算法在赋形波束设 计中得到了广泛应用。例如遗传算法（GA)，模拟退火法，粒子群算法（PSO)和微分进化 算法（DE)等，单一的随机优化算法可以求取全局最优解，但是赋形效果一般。可以使用 组合优化算法来弥补单优化算法某些方面的不足。将GA和直接搜索算法进行结合，先 使用GA进行初步优化，再使用直接搜索算法进行二次优化，这样既保持了 GA全局寻优 的特点，又避免了在接近最优解时出现的小幅度随机波动。如果将步长加速法作为一个 局部搜索算子，融入到基于实数编码的GA中，步长加速法在局部搜索中搜索较快的优点 加入到了组合算法中，可以改良GA算法计算速度慢的缺陷。Electron. Lett (Electron. Lett. ,1999, 35，（8)，ρρ· 625 - 627)刊载的《互親下的共形阵列合成》（Conformal array synthesis including mutual Coupling) 一文中，在16阵元均勾线阵上使用正交投影法实 现了余割平方波束综合，赋形效果较好，但是当阵元数减少时，该方法设计出的赋形波束方 向图的副瓣电平较高。
[0004] 以上这些优化算法，优化复杂度和赋形区域的波纹难以同时达到最好，而本发明 采用基于凸优化算法的方法进行余割平方赋形波束设计，设计出的赋形波束方向图具有副 瓣电平低、赋形区最大波纹小等优良性能，而且在小阵元数时仍然能保持良好的波束赋形 效果。
【发明内容】
[0005] 为了解决现有技术存在的问题，本发明提供一种数字阵列雷达的数字赋形波束设 计方法，该算法使得当阵元数较小时，优化得出的方向图副瓣电平、赋形区最大波纹电平等 仍然能维持良好的性能，且算法复杂度相对较低。
[0006] -种数字阵列雷达的数字赋形波束设计方法，包括：
[0007] 步骤1，将M个阵元垂直均匀排布为M阵元线阵；
[0008] 步骤2,使用阵元线阵的阵列加权矢量的自相关系数作为优化变量，建立凸优化模 型并求解，获得阵列方向图函数幅度平方的全局最优解和赋形区域最大波纹电平：
[0009] 基于空间仰角采样得到一组离散的仰角值对优化模型进行半无界条件估计，
[0010] 基于内点法求解凸优化模型，得到阵列方向图函数幅度平方的全局最优解，
[0011] 获得阵列方向图赋形区域的最大波纹电平；
[0012] 步骤3,若赋形区域最大波纹电平大于最大波纹电平的要求值，改变阵元线阵中的 阵元数M = M+1，重新进行步骤2的凸优化模型的建立和凸优化模型的求解；若赋形区域最 大波纹电平满足设计要求，转步骤4 ;
[0013] 步骤4,对阵列方向图函数幅度平方进行谱分解得到阵列加权矢量的最优解，将其 输出作为数字阵列雷达的最优波束赋形向量。
[0014] 本发明与现有技术相比，具有以下优点：本发明通过使用阵列加权矢量的自相关 系数作为赋形波束优化设计的优化变量，将非凸优化问题转换为凸优化问题，得到最优自 相关系数后通过谱分解得到最优阵列加权矢量，与GA算法、步长加速法等经典算法相比， 本发明的副瓣电平和最大波纹电平较小，抗干扰性能强，且天线阵元数较小时仍能保持良 好的性能，算法复杂度较低，易于实现。
[0015] 下面结合说明书附图对本发明做进一步描述。
【附图说明】
[0016] 图1为本发明方法流程图。
[0017] 图2为M阵元线阵垂直均匀排布的示意图。
[0018] 图3为阵元数M = 12时，本发明设计出的余割平方赋形波束方向图。
[0019] 图4为阵元数M = 16时，本发明设计出的余割平方赋形波束方向图。
【具体实施方式】
[0020] 结合图1，一种数字阵列雷达的数字赋形波束设计方法，包括以下步骤：
[0021] 步骤1，将M个阵元垂直均匀排布为M阵元线阵；
[0022] 步骤2,使用阵元线阵的阵列加权矢量的自相关系数作为优化变量，建立凸优化模 型并求解，获得阵列方向图函数幅度平方的全局最优解和赋形区域最大波纹电平：
[0023] 基于空间仰角采样得到一组离散的仰角值对优化模型进行半无界条件估计，
[0024] 基于内点法求解凸优化模型，得到阵列方向图函数幅度平方的全局最优解，
[0025] 获得阵列方向图赋形区域的最大波纹电平；
[0026] 步骤3,若赋形区域最大波纹电平大于最大波纹电平的要求值，改变阵元线阵中的 阵元数M = M+1，重新进行步骤2的凸优化模型的建立和凸优化模型的求解；若赋形区域最 大波纹电平满足设计要求，转步骤4 ;
[0027] 步骤4,对阵列方向图函数幅度平方进行谱分解得到阵列加权矢量的最优解，将其 输出作为数字阵列雷达的最优波束赋形向量。
[0028] 结合图1和2,步骤1中形成的M阵元线阵每个阵元均为各向同性天线，阵元间 距为d;载波波长为λ ;阵列发射的窄带信号为只〇;仰角为Θ ;最大波纹电平的要求值 为％;发射信号的导向矢量
【主权项】
1. 一种数字阵列雷达的数字赋形波束设计方法，其特征在于，包括： 步骤1，将M个阵元垂直均匀排布为M阵元线阵； 步骤2,使用阵元线阵的阵列加权矢量的自相关系数作为优化变量，建立凸优化模型并 求解，获得阵列方向图函数幅度平方的全局最优解和赋形区域最大波纹电平： 基于空间仰角采样得到一组离散的仰角值对优化模型进行半无界条件估计， 基于内点法求解凸优化模型，得到阵列方向图函数幅度平方的全局最优解， 获得阵列方向图赋形区域的最大波纹电平； 步骤3,若赋形区域最大波纹电平大于最大波纹电平的要求值，改变阵元线阵中的阵元 数M=M+1，重新进行步骤2的凸优化模型的建立和凸优化模型的求解；若赋形区域最大波 纹电平满足设计要求，转步骤4 ; 步骤4,对阵列方向图函数幅度平方进行谱分解得到阵列加权矢量的最优解，将其输出 作为数字阵列雷达的最优波束赋形向量。
2. 根据权利要求1所述的数字阵列雷达的数字赋形波束设计方法，其特征在于， 步骤2中所述凸优化模型为： minimizea^ subjecttol/a2《R(0)/|D(目）Ia2, 0G[0pi，0的] R(目）《52, 0G[-90。，0JU[0班，9〇。]; R(日）> 0forall0G[-90。，90。] 其中，a为赋形区域的最大波纹电平，D(0)为目标函数，[0pi，0p2]为波束赋形区 域，[-90。，0JU[0日2,9〇。]为低旁瓣区，0pi为赋形区的下边界，0P2为赋形区的 上边界，0^为左低旁瓣区的上边界，0S2为右低旁瓣区的下边界；5为旁瓣衰减电平，
为r(k)的傅里叶变换形式，r(k)为阵列加权矢量W的自相 关系数：
W= ....wjT，记矢量r= (r(0),r(l)，…，r(M-l))GRM， 0为仰角，7 = >/立表示虚数单位，人为阵元载波波长，（1为阵元间距，阵列方向图函 数
a(0)为阵列发射的窄带信号；^/；)的导向矢量
3. 根据权利要求2所述的数字阵列雷达的数字赋形波束设计方法，其特征在于，步 骤2中基于空间仰角采样方法将仰角-90°《0《90°进行采样，得到一组离散的仰角 值-90°《日0 《0 90。，其中N= 15M，M为阵元数。
4. 根据权利要求2所述的数字阵列雷达的数字赋形波束设计方法，其特征在于，赋形 区域最大波纹电平为
【专利摘要】本发明提供一种数字阵列雷达的数字赋形波束设计方法，包括：将M个阵元垂直均匀排布为M阵元线阵；使用阵元线阵的阵列加权矢量的自相关系数作为优化变量，建立凸优化模型并求解，获得阵列方向图函数幅度平方的全局最优解和赋形区域最大波纹电平；将赋形区域最大波纹电平与最大波纹电平的要求值进行比较，判断优化结果是否满足设计要求；若优化结果满足设计要求，对阵列方向图函数幅度平方进行谱分解，得到阵列加权矢量的最优解，输出作为最优波束赋形向量。本发明提供的赋形波束设计方法使得当阵元数较小时，优化得出的方向图副瓣电平、赋形区最大波纹电平等仍然能维持良好的性能，且算法复杂度相对较低。
【IPC分类】G01S7-02
【公开号】CN104793187
【申请号】CN201510192119
【发明人】秦夷, 朱唯唯, 张家庆, 王芮, 谢仁宏, 芮义斌, 郭山红, 李鹏
【申请人】南京理工大学
【公开日】2015年7月22日
【申请日】2015年4月21日