基于最大输出信噪比的共形极化阵发射方向图赋形算法

本发明属于雷达通信技术，尤其涉及共形极化阵列的发射方向图赋形技术。

背景技术：

1、近年来，共形阵列因其能够灵活地附着在车辆和飞机表面以节省空间并获得更大的角度覆盖范围等而受到越来越多地关注。但载体曲率的影响使得各个阵元单元方向图和极化特性各不相同，从而导致共形阵列发射方向图出现了较高的峰值旁瓣电平以及严重的交叉极化电平，发射波束性能大大下降。所以如何设计出权向量以实现期望的发射方向图至关重要。

2、由于方向图综合问题中的目标函数和约束条件大部分呈多参数、非线性、不可微甚至不连续的特点，使得传统的基于梯度寻优技术的数值优化方法无法有效地求得工程满意解。因此智能优化算法以其良好的鲁棒性在阵列天线方向图的综合设计中得到了广泛的应用。mehrabian等人提出入侵杂草优化算法可以有效的降低峰值旁瓣电平，但该算法容易陷入局部最优且耗时较长，具有一定的局限性(参见文献：mehrabian ar,lucas c.a novelnumerical optimization algorithm inspired from weed colonization[j].ecological informatics,2006,1(4):355-366.)。除此之外，交替投影算法也可以应用于共形阵列波束赋形，其通过在可实现方向图与期望方向图两个集合轮流投影，使阵列方向图逼近期望方向图，但该方法用于复杂阵列时会发生主波束指向偏移，不利于实际工程的实现(参见文献：guodong h,wei w,biao d.perturbation alternating projectionsmethod for pattern synthesis of phased array antenna[c]//millimeterwaves.ieee,2012.)。近年来凸优化理论也成为方向图赋形算法的重要研究工具，但针对于共形阵列发射波束形成的研究较少，仅有的相关算法也计算量较大，且对交叉极化的抑制效果不是很理想。

3、因此在自由度有限且约束众多的前提下，如何合成期望的共形极化阵列发射波束方向图具有重大的研究意义。

技术实现思路

1、申请人分析了现有的共形极化阵列发射波束赋形方法，由于该领域的相关算法较少，且现有算法在多指标约束条件下效果不是很理想，鉴于此，本发明提供了一种基于最大输出信噪比的共形极化阵发射方向图赋形算法，用以解决现有方法中存在的问题。

2、本发明提供的技术方案，具体为，一种基于最大输出信噪比的共形极化阵发射方向图赋形算法，该方法包括如下步骤：

3、步骤1)设置共形极化阵列的阵元总数n，阵元沿圆环切线或垂线交叉间隔放置，阵元在和方向上的单元方向图其中角度θ∈[0,π/2]为俯仰角，角度为方位角；

4、步骤2)综合考虑阵元各向相异以及载体遮蔽效应，根据阵元局部方向图，建立共形阵列模型，第n个阵元局部坐标下的和极化方向图分别为：

5、

6、

7、其中，是在第n个阵元的局部坐标系下的指向；通过欧拉旋转实现局部坐标系和全局坐标系的转换，得到第n个阵元全局坐标系下的和方向的单元方向图和

8、

9、步骤3)分别得到方向、方向上、主极化方向以及交叉极化方向上的导向向量：

10、

11、

12、

13、

14、对应的空域响应分别为其中，λ为信号波长，(xn,yn,zn)为第n个阵元的阵元位置，(γco,ηco)和(γx,ηx)分别为主极化参数以及交叉极化参数；

15、步骤4)构造输出信噪比pout，pout由主极化导向向量和交叉极化导向向量构成：

16、

17、步骤5)基于期望发射方向图确定各种约束；

18、对旁瓣电平和交叉极化电平以及凹陷区域电平的约束为：

19、

20、

21、

22、对主波束的极化约束和指向约束为：

23、

24、

25、其中，ωs、ωn、ωp分别为旁瓣区域角度范围、凹陷区域角度范围、极化约束角度范围。ε′、ρ、μ′、τ′为待求参数。

26、步骤6)构造基于最大输出信噪比的共形极化阵列发射方向图赋形凸优化模型：

27、

28、步骤7)确定凸优化模型参数并得到期望权向量；

29、基于主波束指向和参数τ所在的约束，首先利用凸优化求出参数τ的下限τmin，代入然后加入ε所在的约束去求ε的下限εmin，依此类推，最终利用逐步递进的思想选出参数最后将其代入凸优化模型进行求解，从而得到满足期望发射方向图的最优权向量。

30、进一步地，在所述步骤4)中，利用主波束指向和交叉极化电平约束对输出信噪比表达式进行进一步的转换，可以发现此时输出信噪比的分子接近于常数，所以输出信噪比最大化，也就是分母whw最小化。

31、进一步地，在所述步骤5)中，由于难以求解，所以我们将其转化为和此时需注意旁瓣电平的约束已经包含对旁瓣角度范围交叉极化分量电平的约束，所以在对交叉极化电平进行约束时，只需要关注主瓣范围即可。

32、本发明公开了一种对共形极化阵列发射方向图进行快速有效的波束赋形算法。本发明从输出信噪比最大化的角度建立多约束共形极化阵列发射方向图波束赋形模型，且在模型求解过程中采用逐步递进的思想对相关参数进行理论最优求解，充分利用了阵列自由度使得该算法在多约束下也可以高效地达到期望共形阵列发射波束图。

33、本发明的有益效果是，在阵列输出信噪比增大的同时，使得共形极化阵列发射方向图能够满足主波束指向和极化约束，并且在特定角度范围内形成凹陷，且有效降低发射波束方向图峰值旁瓣电平以及交叉极化电平。

技术特征：

1.基于最大输出信噪比的共形极化阵发射方向图赋形算法，其特征在于，包括以下步骤：

2.如权利要求1所述方法，其特征在于，阵列的不透光性使得信号只能从模型外侧发出，所以根据天线本身特性，第n个阵元的和极化方向图分别为：

3.如权利要求1所述方法，其特征在于，输出信噪比中在约束及下可以近似看作常数，所以输出信噪比最大化，也就是whw最小化；

4.如权利要求1所述方法，其特征在于，所述共形极化阵发射方向图赋形凸优化模型为：

5.如权利要求1所述方法，其特征在于，得到所述模型待求参数的具体方法为先不考虑输出信噪比的约束，而是递进求出各参数在相互约束下的理论最优值，待选出合理的参数值后再基于输出信噪比最大化约束进行最终权向量的求解；

6.如权利要求1所述方法，其特征在于，该算法在任何共形阵列以及任何极化方式下均适用，具有一定的普遍性；且由于考虑了最大化信噪比输出，信噪比性能得到了改善；

技术总结
本发明涉及雷达通信技术，公开了一种基于最大输出信噪比的共形极化阵发射方向图赋形算法。本发明首先综合考虑阵元各向相异以及载体遮蔽效应，根据阵元局部方向图，建立共形阵列模型。然后，构造基于最大输出信噪比的共形极化阵发射方向图赋形凸优化模型。最后利用逐步递进的思想确定模型参数，从而对权向量进行求解，得到最优权向量。该方法从输出信噪比最大的角度对共形极化阵列发射端波束赋形展开研究。在多约束的前提下巧妙的构造了最优化模型，使得阵列输出信噪比增大的同时，主波束指向和极化信息得到有效约束，峰值旁瓣电平和交叉极化电平也得到有效降低，并且还能够在特定角度范围内形成凹陷。

技术研发人员：谢菊兰,付小川,陈政宇,汪亚龙,杨攀,何子述
受保护的技术使用者：电子科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13