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一种基于辅助阵元的平面阵自适应波束形成耦合自校正方法

阅读：1036发布：2020-07-10

专利汇可以提供一种基于辅助阵元的平面阵自适应波束形成耦合自校正方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了一种基于辅助阵元的平面阵自适应波束形成耦合自校正方法，属于阵列波束形成技术领域；首先，根据实际阵元构建所需辅助阵元的物理模型；然后根据设置辅助阵元后的物理模型得到中间实际阵元的接收信号矢量；然后对中间子阵列的导向矢量进行校正求出校正后的导向矢量。最后根据线性约束最小方差准则结合拉格朗日乘子法，求出自适应波束形成的权值，实现平面阵天线去耦自校正。本发明适用于平面阵的去耦，并且可以在未知互耦矩阵的条件下进行耦合自校正；将存在耦合现象的平面阵列，通过耦合自校正，可以使得天线阵列可以生成准确的主瓣与零陷方向，且零陷深度足以满足对干扰信号的抑制，副瓣低。，下面是一种基于辅助阵元的平面阵自适应波束形成耦合自校正方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种基于辅助阵元的平面阵自适应波束形成耦合自校正方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：根据实际阵元和辅助阵元构建去耦自校正天线物理模型；
步骤二：求出构建后的中间子阵元阵列接收信号矢量
步骤三：对中间子阵列的导向矢量进行校正求出校正后的导向矢量；
步骤四：根据线性约束最小方差准则结合拉格朗日乘子法，求出自适应波束形成的权值w，最终实现平面阵天线去耦自校正。
2.根据权利要求1所述的一种基于辅助阵元的平面阵自适应波束形成耦合自校正方法，其特征在于，所述步骤一包含以下步骤：
步骤1.1：根据实际平面阵元的排列方式，在其外围设置辅助阵元并保持原平面阵。
3.根据权利要求1所述的一种基于辅助阵元的平面阵自适应波束形成耦合自校正方法，其特征在于，所述步骤二包含以下步骤：
步骤2.1：设置辅助阵元后的中间子阵列的接收信号矢量
P为选择矩阵，C为天线阵列互耦矩阵，为天线阵列方
T
向矢量矩阵，θi为方位角，φi为俯仰角，(i＝1,2,…,K)，s(n)＝[s1(n),…,sK(n)] 为信号矢量，n(n)为噪声，其中P为：
O为(N-2)×N维零矩阵，J为：
步骤2.2：通过选择矩阵进行阵列筛选后，中间子阵列接收信号矢量写为：
其中，为天线阵列的互耦矩阵，为天线阵列中间子阵列的噪声矢量。
4.根据权利要求1所述的一种基于辅助阵元的平面阵自适应波束形成耦合自校正方法，其特征在于，所述步骤三包含以下步骤：
步骤3.1：中间子阵列的互耦矩阵为：
式中，且中间子阵列的理想方向矢量为：
步骤3.2：根据式(1-5)和(1-6)得：
根据式(1-7)将中间实际阵列的导向矢量校正为
5.根据权利要求1所述的一种基于辅助阵元的平面阵自适应波束形成耦合自校正方法，其特征在于，所述步骤四包含以下步骤：
步骤4.1：根据线性约束最小方差准则有：
步骤4.2：利用拉格朗日乘子法，变换整理后得权值公式：
步骤4.3：根据式(1-7)得到：
为与耦合系数及期望信号方向有关的常数,自适应波束形成效果不受其影响,忽略后有：

说明书全文

一种基于辅助阵元的平面阵自适应波束形成耦合自校正方法

技术领域

[0001] 本发明涉及阵列波束形成技术领域，具体涉及一种基于辅助阵元的平面阵自适应波束形成耦合自校正方法。

背景技术

[0002] 在自适应波束形成天线阵列建模时，常假设各阵元之间相互独立的工作，但是在实际工作环境中，阵元间的互相耦合是无法避免的，特别是在对设备大小有较高要求的情况，而且当阵元之间距离较小时，阵列耦合对自适应波束形成的影响是非常大的。阵列天线阵元间互耦导致的方向矢量偏差，将会对自适应波束形成和DOA估计带来很大影响,可以造成自适应波束形成性能严重下降或者空间谱估计失败，所以消除互耦对阵列天线的影响在实际应用中对阵列天线的波束形成与测向的意义重大。但是由于天线阵列间的互耦问题具有较高的复杂度，所以对其进行校正比较困难。这一问题一直受到人们的关注，并提出了一些解决办法。但是这些方法或者应用条件要求较高、或受应用方向限制、或难以满足实际场景需求。

发明内容

[0003] 本发明的目的在于提供一种基于辅助阵元的平面阵自适应波束形成耦合自校正方法。传统的辅助阵元自适应波束形成耦合自校正方法的研究仅应用于线阵，而在实际的设计中自适应波束形成天线阵列大部分采用平面阵，因此平面阵阵元之间的互耦问题就必须考虑并解决。

[0004] 本发明的目的是这样实现的：

[0005] 一种基于辅助阵元的平面阵自适应波束形成耦合自校正方法，包括以下步骤：

[0006] 步骤一：根据实际阵元和辅助阵元构建去耦自校正天线物理模型；

[0007] 步骤二：求出构建后的中间子阵元阵列接收信号矢量

[0008] 步骤三：对中间子阵列的导向矢量进行校正求出校正后的导向矢量；

[0009] 步骤四：根据线性约束最小方差准则结合拉格朗日乘子法，求出自适应波束形成的权值w，最终实现平面阵天线去耦自校正。

[0010] 所述步骤一包含以下步骤：

[0011] 步骤1.1：根据实际平面阵元的排列方式，在其外围设置辅助阵元并保持原平面阵。

[0012] 所述步骤二包含以下步骤：

[0013] 步骤2.1：设置辅助阵元后的中间子阵列的接收信号矢量

[0014]

[0015] P为选择矩阵，C为天线阵列互耦矩阵，为天线阵列方向矢量矩阵，θi为方位角，φi为俯仰角，(i＝1,2,…,K)，s(n)＝[s1(n),…,sK(n)]T为信号矢量，n(n)为噪声，其中P为：

[0016]

[0017] O为(N-2)×N维零矩阵，J为：

[0018]

[0019] 步骤2.2：通过选择矩阵进行阵列筛选后，中间子阵列接收信号矢量写为：

[0020]

[0021] 其中，为天线阵列的互耦矩阵，为天线阵列中间子阵列的噪声矢量。

[0022] 所述步骤三包含以下步骤：

[0023] 步骤3.1：中间子阵列的互耦矩阵为：

[0024]

[0025] 式中，且中间子阵列的理想方向矢量为：

[0026]

[0027] 步骤3.2：根据式(1-5)和(1-6)得：

[0028]

[0029] 根据式(1-7)将中间实际阵列的导向矢量校正为

[0030] 所述步骤四包含以下步骤：

[0031] 步骤4.1：根据线性约束最小方差准则有：

[0032]

[0033] 步骤4.2：利用拉格朗日乘子法，变换整理后得权值公式：

[0034]

[0035] 步骤4.3：根据式(1-7)得到：

[0036]

[0037] 为与耦合系数及期望信号方向有关的常数,自适应波束形成效果不受其影响,忽略后有：

[0038]

[0039] 本发明的有益效果在于：

[0040] 1.本发明采用设置辅助阵元的方式进行阵列天线阵元之间的去耦合，可以在未知互耦矩阵的情况下对阵列天线互耦在自适应波束形成中进行自校正；

[0041] 2.本发明利用辅助阵元，在平面阵的情况下对阵列阵元之间的互耦合进行去耦。附图说明

[0042] 图1为天线阵列辅助阵元设置图；

[0043] 图2为窄带干扰情况下平面阵自适应波束形成图；

[0044] 图3为窄带干扰情况下基于辅助阵元的去耦合技术抗干扰前后功率谱图；

[0045] 图4为宽带干扰情况平面阵自适应波束形成图；

[0046] 图5为窄带干扰情况下基于辅助阵元的去耦合技术抗干扰前后功率谱图。

[0047] 图6为本发明步骤流程图；

具体实施方式

[0048] 本发明公开了一种基于辅助阵元的平面阵自适应波束形成耦合自校正方法；适用于平面阵的去耦，并且可以在未知互耦矩阵的条件下进行耦合自校正。把存在耦合现象的平面阵列，进行耦合自校正，可以使得天线阵列可以生成准确的主瓣与零陷方向，且零陷深度足以满足对干扰信号的抑制，副瓣低。包括以下步骤：步骤一：根据实际阵元构建所需辅助阵元的物理模型。步骤二：根据设置辅助阵元后的物理模型得到中间实际阵元的接收信号矢量。步骤三：对中间子阵列的导向矢量进行校正求出校正后的导向矢量。步骤四：根据线性约束最小方差准则结合拉格朗日乘子法，求出自适应波束形成的权值，最终实现平面阵天线去耦自校正。

[0049] 下面结合附图对本发明做进一步描述。

[0050] 实施例1：

[0051] 根据图1到图6，一种基于辅助阵元的平面阵自适应波束形成耦合自校正方法，包括以下步骤：

[0052] 步骤一：根据实际平面阵元的排列方式，在其外围设置辅助阵元并保持原平面阵，如图1所示。

[0053] 步骤二：如果假设存在K个平面波信号入射到此平面天线阵列，并且这些入射信号相互独立，它们的到达角都不相同，对于M×N维平面阵实际中间子阵列的接收信号矢量为：

[0054]

[0055] 其中，P为选择矩阵，C为天线阵列互耦矩阵，为天线阵列方向矢量矩阵，θi为方位角为，φi为俯仰角，其中(i＝1,2,…,K)，s(n)＝[s1(n),…,sK(n)]T为信号矢量，n(n)为噪声，其中P为：

[0056]

[0057] O为(N-2)×N维零矩阵，J为：

[0058]

[0059] 则通过选择矩阵进行阵列筛选后，中间子阵列接收信号矢量可进一步写为：

[0060]

[0061] 其中，为天线阵列的互耦矩阵，为天线阵列中间子阵列的噪声矢量。

[0062] 步骤三：由于实际阵元为平面阵，因此可知中间子阵列的互耦矩阵

[0063]

[0064] 式中，且中间子阵列的理想方向矢量为：

[0065]

[0066] 式中 dx为天线阵列x轴方向阵元间距，dy为天线阵列y轴方向阵元间距，且有dx、dy≤λ/2，λ为天线阵列接收信号波长。根据(1-5)式，可得：

[0067]

[0068] 另外，由与C相近的结构特点，可得下列关系：

[0069]

[0070] 那么将上式代入(1-7)，整理可得：

[0071]

[0072] 式中为：

[0073]

[0074] 其中，为选择出子阵列的理想
阵列流型矢量，即

[0075] 步骤四：根据线性约束最小方差准则有：

[0076]

[0077] 利用拉格朗日乘子法，变换整理后可得权值公式：

[0078]

[0079] 其中为平面阵的自相关矩阵，为理想阵列流型，
根据式(1-
9)得到：

[0080]

[0081] 因为为与耦合系数及期望信号方向有关的常数,自适应波束形成效果不受其影响,故忽略后有：

[0082]

[0083] 本发明的技术采用下述仿真进行验证：

[0084] 仿真条件：仿真实验模型设置如图1所示，天线阵列阵元具有各向同性，辅助阵元法的辅助阵元设置如图中空心圆圈所示，利用中间实心圆代表的子阵列进行自适应波束形成。同时假设期望信号来波方向是(0°，0°)，信噪比(SNR)为-20dB，干扰为窄带干扰，且其来波方向是(75°，0°)，设置干噪比(INR)为70dB，天线阵列阵元间耦合系数为c0＝1，c1＝0.43301-0.25i，c2＝0.43301-0.25i，c3＝0.14142-0.14142i。为更加直观的比较波束图信息，画出其二维波束图。从图2可以看出，阵列天线不存在互耦影响时，在窄带干扰下可以形成准确的期望主瓣方向，对准来波信号，同时在干扰信号方向形成较深的零陷，有较好的自适应波束形成性能。而在加入阵元间强互耦因素影响后，方向图发生畸变，产生较高副瓣，无法生成对应零陷，不能达到对干扰信号进行抑制的目的。而利用辅助阵元法的去耦合技术后，天线阵列可以生成准确的主瓣与零陷方向，且零陷深度足以满足对干扰信号的抑制，副瓣低于不存在耦合影响时的方向图副瓣。综上对比可以看出，在窄带干扰情况下，利用辅助阵元法的去耦合技术进行互耦自校正后，可以成功的对天线阵列阵元间互耦进行有效的自校正，且可以得到较满意的效果。图3为窄带干扰情况下利用辅助阵元法互耦自校正自适应波束形成前后功率谱图，从图中可以看出，利用辅助阵元法的去耦合技术进行阵列天线互耦校正后可以成功的抑制干扰信号，使得平面天线阵列达到克服天线阵元间耦合效应的目的。

[0085] 当考虑在宽带干扰情况下的耦合自校正性能，图4为宽带干扰情况下平面阵的自适应波束形成图，对不存在耦合，存在耦合以及基于辅助阵元的去耦合技术三种情况进行对比。由图4可以看出，在宽带干扰情况下，阵列天线不存在耦合影响时，可以形成准确的主瓣方向，对准期望信号，同时形成较深的零陷对准干扰信号方向，有较好的抗干扰性能。加入天线阵列强耦合作用影响并且没有进行去耦合处理的方向图发生畸变，产生较高副瓣，无法在干扰信号方向形成抑制零陷。利用辅助阵元法的去耦合技术后，天线阵列可以生成准确的主瓣与零陷方向，且零陷深度足以满足对干扰信号的抑制，副瓣低于不存在耦合影响时的方向图副瓣。综上对比可得，在宽带干扰情况下，利用辅助阵元法的去耦合技术进行耦合自校正后，可以成功的对天线阵列阵元间互耦进行有效的自校正，且可以得到较满意的效果。图5为宽带干扰情况下利用辅助阵元法互耦自校正自适应波束形成前后功率谱图，从图中可以看出，利用辅助阵元法的去耦合技术进行阵列天线互耦自校正后可以成功的抑制干扰信号，使得平面天线阵列达到克服天线阵元间耦合效应的目的。

[0086] 最后所应说明的是,以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明,本领域的普通技术人员应当理解,对本发明的技术方案进行修改或者等同替换,都不脱离本发明技术方案的精神和范围,其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

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