專利名稱：具有低旁瓣特性的子陣級自適應數字波束形成器的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種子陣級自適應數字波束形成器。
背景技術：
陣列天線由多個按一定規則排列的天線構成。相控陣是一種十分重要的陣列天線 形式，在通信、無線電測向、智能天線、地震勘探等領域具有重要應用。它通過移相器控制方 向圖的波束指向，與傳統的機械掃描方法相比具有很大優勢。它無需對天線進行機械旋轉， 大大提高了波束掃描速度，具有快速發現目標的優勢；即使在多目標環境下，也可通過改變 移相器快速跟蹤目標。相控陣利用陣元之間的相位差進行測向，可通過增加陣列孔徑得到 窄波束，從而大大提高測向精度。在相控陣的每個陣元后接一個數字接收通道(包括混頻、放大、濾波及A/D變換 等)后，就得到數字陣列的相控陣。數字陣列的相控陣可采用陣列信號處理技術，使許多先 進的陣列處理方法得以應用。數字陣列的相控陣具有傳統相控陣不可比擬的優越性，大大 提高了相控陣系統的信息檢測與信號處理性能。例如，可將自適應數字波束形成(ADBFJPAdaptive Digital Beamforming)技術 應用到數字陣列的相控陣中。自適應數字波束形成將天線技術與信號處理相結合，是一種 十分重要的自適應天線技術。它依據空間自適應濾波原理，可調整陣列方向圖，在電子干 擾方向形成零點，且隨干擾源方向的變化調整零點位置，從而大大提高系統的抗干擾性能。 通常電子干擾環境是不斷變化的，而ADBF可自適應地調整參數，動態改變方向圖的零點位 置，同時根據某種最優準則使抑制干擾的性能達到最優。一些相控陣系統的陣元數很多，常常達到數百至數千，此時若仍采用與陣元數同 等數量的接收通道，在造價和運算能力上都將無法承受。為此通常采用子陣結構，將若干相 鄰陣元組合為一個子陣，在每個子陣后接一個接收通道并進行數字化，從而可大大降低陣 列成本并減小信號處理的維數。然而，采用子陣結構后，無法得到每個陣元的數字化輸出，只能得到每個子陣的數 字化輸出，因而常規的陣元級陣列處理方法不再適用，必須采用子陣級陣列處理方法。子陣 級陣列處理與常規的陣元級陣列處理有顯著不同，存在許多子陣級處理所要解決的特殊問 題。如在相控陣中應用自適應數字波束形成技術時，需要采用子陣級的自適應數字波 束形成器。在子陣級ADBF中，通常陣元級的模擬加權用于抑制靜態方向圖的旁瓣，而子陣 級的數字加權用于進行自適應干擾抑制。子陣級ADBF目前主要有兩種方法1.采用子陣級最優自適應波束形成器，這是目 前的一種常規技術。該方法的特點是具有最優的自適應干擾抑制性能，但旁瓣性能很差其 在子陣輸出進行最優自適應濾波，破壞了由陣元加權得到的靜態方向圖的旁瓣，從而導致 自適應方向圖的旁瓣電平顯著增加；在沒有干擾(僅存在熱噪聲)的情況下，這種缺陷尤為 嚴重。2.國外于2003年提出具有方向圖控制性能的子陣級自適應波束形成器。該方法的特點是具有很好的旁瓣性能，但自適應干擾抑制性能較差。它在沒有干擾時，可使自適應方 向圖與靜態方向圖相同，從而保持了良好的旁瓣性能。但與子陣級最優波束形成器相比，該 方法引入了較大的輸出SINR(Signal to Interference plus Noise Ratio，即信干噪比) 損失，從而使系統的干擾抑制性能有較大的下降。
發明內容
本發明目的是為了解決現有的子陣級自適應數字波束形成器旁瓣性能較差的問 題，提供了一種具有低旁瓣特性的子陣級自適應數字波束形成器。本發明所述具有低旁瓣特性的子陣級自適應數字波束形成器，它由子陣級最優自 適應波束形成器、具有方向圖控制性能的子陣級自適應波束形成器、加法器和波束形成器 組成，所述子陣級最優自適應波束形成器用于生成子陣級最優自適應權向量w。pt，所述具有 方向圖控制性能的子陣級自適應波束形成器用于生成具有方向圖控制性能的子陣級自適 應權向量％。，加法器用于將子陣級最優自適應波束形成器的權向量與具有方向圖控制性能 的子陣級自適應波束形成器的權向量進行加權求和，以得到子陣級自適應權向量Wadap，所 述子陣級自適應權向量為Wadap = Kopt · wopt+Kpc · wpc其中K。pt和Kp。均為大于0的常數，且 Kopt+Kpc = 1 ；所述波束形成器利用加法器得到的子陣級自適應權向量Wadap對陣列的子陣級 輸出信號(t)進行加權，以獲得波束形成器的輸出信號ysub(t)。本發明的優點本發明提出一種新的子陣級自適應數字波束形成方法，克服了目前已有的子陣級 自適應數字波束形成器的缺陷；其在有效進行自適應干擾抑制的同時，具有良好的旁瓣性 能。首先，本發明大大提高了子陣級自適應數字波束形成器對旁瓣抑制的靈活性可根據實 際需要兼顧旁瓣電平和輸出SINR兩者的要求，可在旁瓣性能與自適應干擾抑制性能之間 得到很好的折衷，可在較好抑制旁瓣的同時得到與子陣級最優波束形成器非常接近的輸出 SINR。其次，在理論上將目前已有的子陣級最優自適應波束形成器與具有方向圖控制性能 的子陣級自適應波束形成器統一起來，這兩種方法可看作是本方法的兩種特例。在Wadap = Kopt -wopt+Kpc -Wpc中，當K。pt = 0,KPC = 1時，本發明即為具有方向圖控制性能的子陣級自適 應波束形成器；當K。pt = 1，Kpc = 0時，本發明即為子陣級最優自適應波束形成器。采用本發明，對于包含30個全向陣元的均勻線陣，劃分為5個子陣，在主瓣干擾 情況下，得到的旁瓣電平為-17. 98dB，與子陣級最優波束形成器相比改善了 5. 84dB ；得到 的輸出SINR為65. OdB,與具有方向圖控制性能的子陣級自適應波束形成器相比提高了 1.8dB，而與子陣級最優自適應波束形成器相比只損失了 0.3dB。本發明適用于子陣級自適 應數字波束形成領域。
圖1為子陣級自適應數字波束形成系統的原理框圖；圖2為子陣級自適應數字波束形成系統的結構示意圖；圖3為本發明所述具有低旁瓣特性的子陣級自適應數字波束形成器的結構示意 圖。
具體實施例方式具體實施方式
一下面結合圖1至圖3說明本實施方式，本實施方式具有低旁瓣特 性的子陣級自適應數字波束形成器，它由子陣級最優自適應波束形成器1、具有方向圖控制 性能的子陣級自適應波束形成器2、加法器3和波束形成器4組成，所述子陣級最優自適應 波束形成器1用于生成子陣級最優自適應權向量w。pt，所述具有方向圖控制性能的子陣級 自適應波束形成器2用于生成具有方向圖控制性能的子陣級自適應權向量Wp。，加法器3用 于將子陣級最優自適應波束形成器1的權向量與具有方向圖控制性能的子陣級自適應波 束形成器2的權向量進行加權求和，以得到子陣級自適應權向量wadap，所述子陣級自適應權向量為Wadap = Kopt · wopt+Kpc · wpc,其中K。pt和Kpc均為大于0的常數，且K。pt+Kpc = 1 ；所述波束形成器4利用加法器3得到的子陣級自適應權向量Wadap對陣列的子陣級 輸出信號Kub (t)進行加權，以獲得波束形成器4的輸出信號ysub(t)。若希望得到較好的旁瓣抑制效果，則應取較小的K。pt;若希望具有較好的自適應干 擾抑制性能、減小SINR損失，則應取較大的K。pt =Kopt越大，則SINR的改善值越大。但K。pt不 應取得過大，因為旁瓣電平會隨K。pt的增加而迅速升高。為兼顧旁瓣電平和SINR兩個性能， Kopt既不應過大也不應過小它應在有效抑制旁瓣的同時，得到盡可能高的SINR。當K。pt = 0,Kpc = 1時，本發明即為具有方向圖控制性能的子陣級自適應波束形成 器；當K。pt = 1，Kpc = 0時，本發明即為子陣級最優自適應波束形成器。因而背景技術中的 兩種方法是本發明的兩種特例。子陣級最優自適應權向量w。pt的生成方法為設定平面相控陣由M個陣元組成，其中第1個陣元位于坐標原點為參考陣元，第m 個陣元的坐標為Um，ym)，其中m= 1，……，M，陣列共被劃分為L個子陣；陣元級采用幅度 加權，第m個陣元的幅度加權為wm，子陣轉換矩陣T為MX L維矩陣，用汐,妁表示仰角和方位 角，陣列波束指向為機，，有K個遠場窄帶干擾源，其中第k個干擾源的方向為( ,%)，其 中
權利要求
1.具有低旁瓣特性的子陣級自適應數字波束形成器，其特征在于它由子陣級最優自適 應波束形成器(1)、具有方向圖控制性能的子陣級自適應波束形成器O)、加法器C3)和波 束形成器(4)組成，所述子陣級最優自適應波束形成器(1)用于生成子陣級最優自適應權 向量w。pt，所述具有方向圖控制性能的子陣級自適應波束形成器( 用于生成具有方向圖 控制性能的子陣級自適應權向量Wp。，加法器C3)用于將子陣級最優自適應波束形成器(1) 的權向量與具有方向圖控制性能的子陣級自適應波束形成器(2)的權向量進行加權求和， 以得到子陣級自適應權向量wadap，所述子陣級自適應權向量為Wadap = Kopt · wopt+Kpc · wpc,其中K。pt和Kp。均為大于0的常數，且K。pt+Kpc; = 1 ；所述波束形成器(4)利用加法器(3)得到的子陣級自適應權向量陣列的子陣級 輸出信號^ub (t)進行加權，以獲得波束形成器⑷的輸出信號ysub(t)。
2.根據權利要求1所述的具有低旁瓣特性的子陣級自適應數字波束形成器，其特征在 于子陣級最優自適應權向量w。pt的生成方法為設定平面相控陣由M個陣元組成，其中第1個陣元位于坐標原點為參考陣元，第m個陣 元的坐標為Um，ym)，其中m= 1，……，M，陣列共被劃分為L個子陣；陣元級采用幅度加權， 第m個陣元的幅度加權為wm，子陣轉換矩陣T為MX L維矩陣，用汐,妁表示仰角和方位角， 陣列波束指向為機屬)，有K個遠場窄帶干擾源，其中第k個干擾源的方向為( , )，其中k =1，……，K ；子陣級最優自適應權向量w。pt為基于線性約束最小方差準則的最優自適應權向量，表 示為公式
3.根據權利要求1所述的具有低旁瓣特性的子陣級自適應數字波束形成器，其特征在 于具有方向圖控制性能的子陣級自適應權向量wp。的生成方法為Wpc = μ (Rsub) _1Rsub(NJ)q其中，q為各元素均1的L維列向量，Rsub(NJ)表示無干擾情況下的子陣輸出的干擾加噪 聲的協方差矩陣。
4.根據權利要求2所述的具有低旁瓣特性的子陣級自適應數字波束形成器，其特征在 于子陣轉換矩陣T的獲得方法為用Ttl表示MX L維的子陣形成矩陣，并且滿足如下條件在所述Ttl矩陣第1列的所有元 素中，只有與第1個子陣的陣元序號相對應的元素值為1，其余均為0 ； 其中，1彡1彡L，用W表示陣元幅度加權的作用，并且滿足
5.根據權利要求1所述的具有低旁瓣特性的子陣級自適應數字波束形成器，其特征在 于波束形成器的輸出信號ysub(t)的獲得方法如下Ysub (t) = (Wadap) HXsub (t) 。
全文摘要
具有低旁瓣特性的子陣級自適應數字波束形成器，涉及一種子陣級自適應數字波束形成器。本發明為了解決現有的子陣級自適應數字波束形成器旁瓣性能較差的問題。本發明所述形成器由子陣級最優自適應波束形成器、具有方向圖控制性能的子陣級自適應波束形成器、加法器和波束形成器組成，所述子陣級最優自適應波束形成器用于生成子陣級最優自適應權向量wopt，所述具有方向圖控制性能的子陣級自適應波束形成器用于生成具有方向圖控制性能的子陣級自適應權向量wpc，加法器將上述兩種形成器的自適應權向量wopt和wpc進行加權求和，而波束形成器用于進行自適應干擾抑制。本發明適用于子陣級自適應數字波束形成領域。
文檔編號H01Q21/00GK102142609SQ20101059206
公開日2011年8月3日 申請日期2010年12月16日 優先權日2010年12月16日
發明者李紹濱, 胡航, 蘇宏艷, 鄧新紅, 邱朝陽, 閻曉莉 申請人:哈爾濱工業大學