基于阵列优化和波束形成的高隔离收发同时相控阵

1.本发明涉及相控阵列天线技术领域，更具体地，涉及一种基于阵列优化和波束形成的高隔离收发同时相控阵。


背景技术：

2.传统相控阵的操作系统通常是时分双工的，占用较多的时间资源，降低相控阵的效率。为了缓解这个问题，提出同时发射和接收(simultaneous transmit andreceive，star)技术，并在通信、雷达、频谱传感和军用无线电中引起了极大的关注。star支持无线电设备在同一频段同时发送(tx)和接收(rx)，从而提高无线通信系统的吞吐量和频谱效率。star技术还被用于连续波雷达，通过连续发射低功率波形来持续照亮目标来实现隐身。然而，star需要在发射器和接收器之间建立足够高的隔离，才能发挥作用。并且由于系统中的有源器件携带的非线性特性和噪声，在大规模阵列中，从发射通道到接收通道的耦合无法准确估计，难以提高发射通道和接收通道之间的隔离度。
3.公开日为2021.10.22的中国发明申请公开了一种孔径级收发同时阵列优化方法，该方法首先确定孔径级收发同时阵列的配置参数；定义孔径级数字对消架构中的有效各向同性隔离，以根据所述有效各向同性隔离对所述配置参数进行优化；根据优化后的配置参数，构建孔径级收发同时阵列；对所述孔径级收发同时阵列进行收发子阵划分；对所述孔径级收发同时阵列的收发配置进行动态变换；计算每种收发配置下的有效各向同性隔离；根据各个收发配置的有效各向同性隔离，确定最优的收发子阵配置。但是，对于高功率、远距离、宽波束覆盖的探测雷达和通信场景，现有技术仍有一定的局限性。


技术实现要素：

4.针对的现有技术的局限，本发明提出一种基于阵列优化和波束形成的高隔离收发同时相控阵，本发明采用的技术方案是：
5.一种基于阵列优化和波束形成的高隔离收发同时相控阵，其由若干天线作为阵元组成；所述天线分别包括决定阵元发射状态或接收状态的发射器以及接收器；其中，处于发射状态的阵元组成发射孔径，处于接收的阵元组成接收孔径；
6.其通过结合遗传算法以及粒子群算法，对发射孔径与接收孔径的配置以及发射波束形成器与接收波束形成器进行联合优化；其根据所述联合优化得到的最优收发孔径划分与最优收发波束形成，获得最大连续波雷达收发阵列孔径的隔离度。
7.相较于现有技术，本发明提供的方案利用了发射和接收波束成形技术和孔径优化技术来增强发射孔径和接收孔径之间的隔离度，可动态调节阵元的收发状态，进而动态修改发射和接收子阵列的大小和几何形状，并且在最优的发射和接收子阵列的基础上，通过优化发射和接收波束形成矢量进一步提高有效全向各项同性 eii，使得孔径级数字相控阵能够实现发射和接收同时进行，降低系统的时间资源、频谱资源的开销，能够很好地适应高功率、远距离、宽波束覆盖的探测雷达和通信场景。
8.作为一种优选方案，在所述联合优化的过程中，采用遗传算法优化发射孔径与接收孔径的配置，采用粒子群算法优化发射波束形成器与接收波束形成器。
9.作为一种优选方案，其以孔径级同时收发阵列自干扰抑制模型进行联合优化。
10.进一步的，所述孔径级同时收发阵列自干扰抑制模型的目标函数按以下公式表示：
[0011][0012][0013][0014]
其中，是发射波束形成器矢量，是接收波束形成器矢量，g 是单个阵元的增益，m
bt
是干扰和噪声协方差矩阵，pn是接收器中的总残余噪声， q
t
和qr是发射孔径和接收孔径的导向矢量；是具有3db噪声系数的100mhz 带宽通道的热噪声功率；x表示阵列平面中每个阵元到x轴的距离，y表示阵列平面中每个元素到y轴的距离；pi(iter) 表示每次迭代期间阵列发射孔径和接收孔径配置；eii表示有效全向隔离的理论极限，p
t
表示发射孔径的发射功率，gr表示接收孔径的总增益。
[0015]
更进一步的，在所述联合优化的每次迭代中，先采用遗传算法优化q
t
、qr，再采用粒子群算法优化b
t
、br。
[0016]
更进一步的，所述联合优化的包括以下流程：
[0017]
s1，设置遗传算法和粒子群算法的参数，初始化q
t
、qr、b
t
、br；
[0018]
s2，根据初始化的q
t
、qr、b
t
、br,计算eii；找出最大eii作为初始化时的个体最优和全局最优；
[0019]
s3，采用遗传算法进行选择、交叉、变异操作，更新q
t
、qr；
[0020]
s4，采用粒子群算法更新粒子的速度和位置，更新b
t
、br；
[0021]
s5，计算eii；更新个体最优eii以及全局最优eii；
[0022]
s6，判断是否已满足迭代条件，是则执行步骤s7，否则返回步骤s3进行下一次迭代；
[0023]
s7，根据迭代出的最大eii，得到最优的q
t
、qr、b
t
、br。
[0024]
作为一种优选方案，其由8个vivaldi天线作为阵元组成；所述vivaldi天线通过sma连接器馈电，依次以11mm的间距均匀排列在金属板上。
[0025]
作为一种优选方案，所述天线采用微带-缝隙耦合馈电，天线的工作带宽为 8.17-14.8ghz，相邻天线之间的耦合在整个带宽范围内小于-10db。
[0026]
作为一种优选方案，所述天线构成1x8相控线阵。
[0027]
本发明还包括以下内容：
[0028]
一种通信设备，其采用如前述的基于阵列优化和波束形成的高隔离收发同时相控阵发射信号和接收信号。
附图说明
[0029]
图1为本发明实施例相控阵天线模型和物理原型；
[0030]
图2至图4为本发明实施例相控阵天线的仿真参数示意图；
[0031]
图5为本发明实施例联合优化的流程逻辑示意图；
[0032]
图6、图7为本发明实施例ga优化发射接收孔径分区的eii和pn曲线示意图；
[0033]
图8、图9为本发明实施例pso优化发射接收波束形成的eii和pn曲线示意图；
[0034]
图10、图11为本发明实施例ga-pso优化发射接收孔径分区和发射接收波束形成的eii和pn曲线示意图；
[0035]
图12、图13为本发明实施例ga优化发射接收孔径分区、pso优化发射接收波束形成和ga-pso优化发射接收孔径分区和发射接收波束形成三种情况下的性能比较示意图。
具体实施方式
[0036]
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
[0037]
应当明确，所描述的实施例仅仅是本技术实施例一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术实施例中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本技术实施例保护的范围。
[0038]
在本技术实施例使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本技术实施例。在本技术实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。
[0039]
下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本技术相一致的所有实施方式。相反，它们仅是如所附权利要求书中所详述的、本技术的一些方面相一致的装置和方法的例子。在本技术的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序，也不能理解为指示或暗示相对重要性。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
[0040]
此外，在本技术的描述中，除非另有说明，“多个”是指两个或两个以上。“和 /或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，a和/或b，可以表示：单独存在a，同时存在a和b，单独存在b这三种情况。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。以下结合附图和实施例对本发明做进一步的阐述。
[0041]
为了解决现有技术的局限性，本实施例提供了一种技术方案，下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
[0042]
实施例1
[0043]
一种基于阵列优化和波束形成的高隔离收发同时相控阵，其由若干天线作为阵元组成；所述天线分别包括决定阵元发射状态或接收状态的发射器以及接收器；其中，处于发
射状态的阵元组成发射孔径，处于接收的阵元组成接收孔径；
[0044]
其通过结合遗传算法以及粒子群算法，对发射孔径与接收孔径的配置以及发射波束形成器与接收波束形成器进行联合优化；其根据所述联合优化得到的最优收发孔径划分与最优收发波束形成，获得最大连续波雷达收发阵列孔径的隔离度。
[0045]
相较于现有技术，本发明提供的方案利用了发射和接收波束成形技术和孔径优化技术来增强发射孔径和接收孔径之间的隔离度，可动态调节阵元的收发状态，进而动态修改发射和接收子阵列的大小和几何形状，并且在最优的发射和接收子阵列的基础上，通过优化发射和接收波束形成矢量进一步提高有效全向各项同性 eii，使得孔径级数字相控阵能够实现发射和接收同时进行，降低系统的时间资源、频谱资源的开销，能够很好地适应高功率、远距离、宽波束覆盖的探测雷达和通信场景。
[0046]
实施例2
[0047]
本实施例可以视为在实施例1基础上得到的一种改进或延伸实施例，一种基于阵列优化和波束形成的高隔离收发同时相控阵，其由若干天线作为阵元组成；所述天线分别包括决定阵元发射状态或接收状态的发射器以及接收器；其中，处于发射状态的阵元组成发射孔径，处于接收的阵元组成接收孔径；
[0048]
其通过结合遗传算法以及粒子群算法，对发射孔径与接收孔径的配置以及发射波束形成器与接收波束形成器进行联合优化；其根据所述联合优化得到的最优收发孔径划分与最优收发波束形成，获得最大连续波雷达收发阵列孔径的隔离度；
[0049]
在所述联合优化的过程中，采用遗传算法优化发射孔径与接收孔径的配置，采用粒子群算法优化发射波束形成器与接收波束形成器。
[0050]
作为一种可选实施例，其由8个vivaldi天线作为阵元组成；所述vivaldi天线通过sma连接器馈电，依次以11mm的间距均匀排列在金属板上。
[0051]
作为一种可选实施例，所述天线采用微带-缝隙耦合馈电，天线的工作带宽为8.17-14.8ghz，相邻天线之间的耦合在整个带宽范围内小于-10db。
[0052]
作为一种可选实施例，所述天线构成1x8相控线阵。
[0053]
具体的，本实施例的相控阵天线模型和物理原型可参阅图1，本实施例的相控阵天线的仿真参数示意图可参阅图2～图4。
[0054]
作为一种优选实施例，其以孔径级同时收发阵列自干扰抑制模型进行联合优化。
[0055]
进一步的，所述孔径级同时收发阵列自干扰抑制模型的目标函数按以下公式表示：
[0056][0057][0058]
[0059]
其中，是发射波束形成器矢量，是接收波束形成器矢量，g 是单个阵元的增益，m
bt
是干扰和噪声协方差矩阵，pn是接收器中的总残余噪声， q
t
和qr是发射孔径和接收孔径的导向矢量；是具有3db噪声系数的100mhz 带宽通道的热噪声功率；x表示阵列平面中每个阵元到x轴的距离，y表示阵列平面中每个元素到y轴的距离；pi(iter)表示每次迭代期间阵列发射孔径和接收孔径配置；eii表示有效全向隔离的理论极限，p
t
表示发射孔径的发射功率，gr表示接收孔径的总增益。
[0060]
更进一步的，在所述联合优化的每次迭代中，先采用遗传算法优化q
t
、qr，再采用粒子群算法优化b
t
、br。
[0061]
具体的，采用遗传算法对阵列发射和接收孔径q
t
,qr进行优化，通过对每个阵元的收发状态进行二进制编码，其中二进制字符串中的每个数字(1/0)都对应于阵列中的天线发射/接收状态。所有参数的值均由二进制代码表示。每个编码的参数并排放置形成一个基因，也就是一个长二进制字符串，每个基因对应一种发射和接收孔径配置，阵列的发射/接收阵元导向矢量每次迭代是动态改变，可计算该发射和接收孔径配置下的eii。遗传算法具有检查参数组合数量的性能。采用8阵元均匀相控线阵，其收发配置有2
8-2种情况，排除阵元表示全发射或者全接收的情况。采用遗传算法可随机遍历收发配置中的可能，得出最优的该发射和接收孔径配置。
[0062]
在此基础上，再采用pso算法优化发射和接收波束形成器b
t
,br，从上面的公式中可以看出，由于目标函数在b
t
和br中是非凸函数，存在多个极值点。而粒子群优化(pso)对于求解连续变量的非凸优化问题具有求解精度高、求解速度快的特点，适用于求解波束赋形的优化问题，并且不需要在优化发射波束形成和优化接收波束形成两个方向上构造表达式，从而降低了计算复杂度。因此利用pso 优化出发射和接收波束形成矢量b
t
和br，可以使得发射和接收阵列间的eii达到最大，提高系统的收发隔离性能。
[0063]
更进一步的，请参阅图5，所述联合优化的包括以下流程：
[0064]
s1，设置遗传算法和粒子群算法的参数，初始化q
t
、qr、b
t
、br；
[0065]
s2，根据初始化的q
t
、qr、b
t
、br,计算eii；找出最大eii作为初始化时的个体最优和全局最优；
[0066]
s3，采用遗传算法进行选择、交叉、变异操作，更新q
t
、qr；
[0067]
s4，采用粒子群算法更新粒子的速度和位置，更新b
t
、br；
[0068]
s5，计算eii；更新个体最优eii以及全局最优eii；
[0069]
s6，判断是否已满足迭代条件，是则执行步骤s7，否则返回步骤s3进行下一次迭代；
[0070]
s7，根据迭代出的最大eii，得到最优的q
t
、qr、b
t
、br。
[0071]
具体的，在所述步骤s1中，根据天线阵列大小，需要设置与初始化的内容包括：二进制基因配置(即发射和接收孔径配置)、交叉概率、变异概率初始化基因个数，粒子种群、粒子维数、粒子位置和速度，位置表示待优化参数(即发射和接收波束形成矢量b
t
,br)，最大迭代次数。
[0072]
在所述步骤s3中，所述选择操作是将优化后的个体直接遗传给下一代，或者通过
配对和交叉产生新的个体，然后将它们遗传给下一代。例如阵元数为8，随机选择配置1(11010101)和配置2(10011011)作为选择算子。
[0073]
所述交叉操作是两个选择算子的染色体随机进行交换，以0.6的交叉概率成对选择算子随机交叉染色体，得到新的发送和接收配置。例如，选择算子的最后三个染色体成对随机交叉，得到新的发送和接收配置(11010011、10011101)。
[0074]
所述变异操作是随机改变基因中的某个染色体，以0.4的变异概率随机选择交叉后的两个新配置之一，对二进制数之一进行变异，得到最新的收发器配置。例如，对选定基因中的一条染色体进行突变，以获得最新的发送和接收配置 (10010101)。
[0075]
在第k次迭代期间，所述步骤s4使用pso速度和位置更新公式更新第i个粒子的位置其中，惯性权重随迭代次数而变化：
[0076][0077][0078]
上式中，为发射和接收波束形成器矢量b
t
,br的映射值，k表示在第k次迭代过程中，为pso中的速度矢量；c1和c2分别设为2。
[0079]
采用ga用于优化发射和接收孔径，pso用于优化发射和接收波束形成。以发射和接收孔径之间的最大隔离作为适应度函数，找到最佳的孔径分布和发射和接收波束形成器。此外，alstar阵列的自干扰消除模型采用1
×
8vivaldi相控阵，保证了实验数据的真实性和可靠性。
[0080]
其中，图6、图7给出了发射功率分别在1w\10w\20w\30w激励下，采用孔径优化技术下的eii和pn的曲线图。图8、图9给出了发射功率分别在1w\10w\20w\30w激励下，采用波束赋形技术下的eii和pn的曲线图。图10、图11给出了发射功率分别在1w\10w\20w\30w激励下，结合孔径优化和波束赋形技术下的eii和pn的曲线图。图12、图13给出了当发射功率为30w时，仅采用孔径优化技术实现的隔离度为133.27db；仅使用波束赋形技术实现的隔离度为147.79db，结合孔径优化和波束赋形技术实现的隔离度为153.96db。与前两种方法相比，本发明方案分别提高了20.69db和6.17db的隔离度。这表明结合阵列孔径优化和波束成形技术是进一步提高发射机和接收机隔离度的有效方法。
[0081]
需要强调的是，本实施方案以均匀线阵来说明收发同时ga-pso阵列联合优化法的应用，但这样的优化方法不局限于均匀线阵。任何采用这种方式进行发射/接收孔径和发射/接收波束形成联合优化的天线阵列，都属于本技术保护范围。
[0082]
相较于现有技术，本发明采用发射和接收波束成形技术和孔径优化技术来增强发射孔径和接收孔径之间的隔离度，首先采用遗传算法(ga)对阵列发射/接收孔径配置进行优化，从而确定孔径配置，在此基础上，采用粒子群算法(pso) 优化发射和接收波束形成器，然后以有效全向隔离为评价函数判断当前的孔径结构和波束形成器是否最优，从而在最优的发射接收孔径分区和发射接收波束形成配置中得出eii。
[0083]
实施例3
[0084]
一种通信设备，其采用实施例1或2所述的基于阵列优化和波束形成的高隔离收发同时相控阵发射信号和接收信号。
[0085]
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。