专利名称：一种近场相控阵波束聚焦方法
技术领域：
本发明涉及近场相控阵波束聚焦算法，其主要应用于相控阵波束的控制，用以在近场区域内聚焦形成可与远场波瓣可比拟的、可相控扫描的高性能波束。
背景技术：
相控阵技术是通过改变单元相位来实现波束方向的扫描，区别于传统机械转动的波束控制。相控阵系统具有更多的功能、更强的探测能力、更大的覆盖空域、更高的数据率、 更高的可靠性以适应复杂多变的目标环境。相控阵波束在微秒级的时间内便可在全空域内跳跃，波束灵活多变，易于实现自适应旁瓣抑制和对抗各种干扰，并可由计算机实现信号处理和波束控制。相控阵系统的缺点在于造价昂贵，主要应用于军事领域。
随着发射/接收组件和智能天线技术的进步，未来的相控阵系统自然将会在移动通信、智能楼宇和工业雷达等民用领域推广。军用相控阵通常工作在满足平面波条件的远场，扫描波束与阵列单元幅相之间的傅里叶变换关系为业内广泛使用，而不满足远场条件的近场应用将在未来成为更为一般性的常态，传统的相移控制波束扫描的方法并不适用。发明内容
本发明的目的在于提出近场相控阵波束聚焦方法，能在近场范围内形成高性能的波束，并能实现对波束扫描和控制。
本发明为了达到上述发明目的采用如下技术方案
一种近场相控阵波束聚焦方法，其特征在于通过对近场相控阵天线阵列单元的非线性移相在近场聚焦形成类似于在远场的波瓣图，阵面单元的幅相权重以解析表达的形式给出，并通过对幅相权重的优化以控制波束的指向、零深和副瓣等参数，在近场区域综合出高性能的波束。
其中，所述相控阵波束扫描所需单元的非线性相移以解析表达形式给出。
其中，所述的近场相控阵波束的指向、零深和副瓣等参数的控制，是基于解析表达的初值对阵列单元幅相权重的优化计算。
本发明是根据点源的非线性相位路径补偿在阵列口径的近场聚焦处实现同相相干叠加、进而综合出可与远场相比拟的波瓣图，阵列各单元的幅度相位权重是由近场传输算子在获取理想波瓣图求Moore-Penrose广义逆的方法获得，并以该解析表达为参考，优化波束的指向、零深和副瓣等参数，在阵列的近场综合出高性能波束。
本发明相对于现有技术的优点在于
I、该方法的优点在于对近场相控阵波束的扫描和控制。
2、该方法的适用阵列不局限于规则的平面、柱面或球面的部分或全部，可具一般性的。
3、对近场相控阵波束聚焦的单元幅相优化的算法不限定。
4、该方法的应用领域不限于雷达波或声波。
5、该方法的应用阵列不限于数字相控阵或物理，有源或无源的相控阵。
图I是本发明的近场波束聚焦示意图。
图2是本发明的波束参数控制的优化计算流程框图。
图3是本发明的近场方向图对比图。
图中，A1Cr'i) > A2 (r' 2) > An(r' n) > An(r' N)分别表示位于 r'2> r' n、 r',处的阵列单元，r' 为序号为n的源点位置矢量，0为坐标系原点。近场聚焦波束控制器是计算阵列单元的幅相权重I、W2、\、Wn以在近场综合出目标波束P(rm ； 0 3dB，0 null， Iside)，L为序号为m的场点位置矢量，0 3dB为波束3dB宽度，9 null为波束零深位置，Iside为波束副瓣电平，I表示阵列的波束合成。Li代表线性相移，Mp代表MP逆相移，Nli非线性M=I相移，Cmp幅相优化相移。(图3中标示了这些图例)。
优化计算流程以框图形式给出，以阵列单元幅相初值为参考，以计算的近场波束指标可适度为目标，采用优化算法对阵列单元幅相搜索寻优，迭代给出满足可适度的最优解。其中点划线方框表示优化目标，包括对波束宽度、指向、零深和副瓣等指标的控制。短线方框表示寻优算法，为不限定的任意优化方法。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施方式
详细介绍本发明。
本发明基本原理是由相干激励的信号通过各阵列单元发射或接收，如图I所示， 通过对各单元的幅相控制在近场区域相干合成出高性能的波束，近场聚焦波束控制的优化计算流程如图2所示。近场相控阵波束向量表达为自由空间波方程格林算子矩阵与单元幅相向量的乘积，
G(^i) 吨,0…GCr1,r;)WM) IPM)G(r2,r/)G(r2,r2f)G(r2，<)…G(T2X)W1^P2(rI)K)gK)gK)…gK)=PMG{rM,r；) G(rM,0', Vn )M^NAMKD(I)
其中，格林函数GK):-AIrm-(rm^rf n)为自由空间波方程的点源脉冲4兀Kl激励响应，Wn(r' n)为阵列单元的幅相权重，Pm(rm)为待综合的近场波束，(k为波数，N为阵列单元数量，M为近场波束观察点数量，IV . .，rM为原点到阵列单元的矢径，r/...,r/ 为原点到近场观察点的矢径，)。当Ir1J >> Ir' J时的远场情形，本发明不涉及。
若Pm(rm)为近场待综合的理想波束Pm(rm) = 8 (r_rm), 8表示狄拉克函数,所需的阵列单元的初始幅相权重为，
权利要求
1.一种近场相控阵波束聚焦方法，其特征在于通过对近场相控阵天线阵列单元的非线性移相在近场聚焦形成锐波束的波瓣图，阵面单元的初始幅相权重以解析表达的形式给出，并通过对幅相权重的优化以控制波束的指向、零深和副瓣参数，在近场区域综合出高性能的波束。
2.如权利要求I所述的一种近场相控阵波束聚焦方法，其特征在于所述阵面单元的初始幅相权重以解析表达的形式给出，具体表示为近场传输广义逆和近场理想波束的矩阵矢量乘积。
3.如权利要求I所述的一种近场相控阵波束聚焦方法，其特征在于基于解析表达的初值对阵列单元幅相权重的优化计算，在近场区域内控制相控阵波束的指向、零深和副瓣参数。
4.如权利要求I所述的一种近场相控阵波束聚焦方法，其特征在于阵列口径形式为平面、规则的柱面部分或全部或规则的球面部分或全部，或不规则的任意曲面。
5.如权利要求
6.如权利要求理相控阵。
7.如权利要求阵。I所述的一种近场相控阵波束聚焦方法，其应用领域为雷达波或声波。I所述的一种近场相控阵波束聚焦方法，其应用口径为数字相控阵或物I所述的一种近场相控阵波束聚焦方法，其应用口径为有源或无源相控
全文摘要
本发明涉及一种近场相控阵波束聚焦方法，其根据点源的非线性相移在口径的近场形成可与远场相比拟的波瓣图，阵列各单元的初始幅度相位权重是由近场传输算子在获取理想波瓣图求Moore-Penrose广义逆的方法获得，并以该解析表达为参考，优化波束的指向、零深和副瓣等参数，在相控阵阵列的近场综合出高性能波束。
文档编号H01Q3/30GK102544732SQ201210041619
公开日2012年7月4日 申请日期2012年2月21日 优先权日2012年2月21日
发明者李志平, 武建华, 许鼎 申请人:北京航空航天大学