子阵级混合mimo-相控阵系统的方向图设计方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及子阵级混合Mnro-相控阵系统的方向图设计方法。
【背景技术】
[0002] 子阵级混合MIMO-相控阵系统是将MIMO(Multiple-InputMultiple-Output,多输 入-多输出）系统与相控阵系统相结合的一种新系统，其克服了已有的MIMO系统和相控阵 系统的一些局限。
[0003] M頂0是一种新兴系统，其优势通常是与传统的相控阵系统相比较而言。M頂0系统 与相控阵系统相比有较大的优势，如更好的检测性能、更高的方向分辨率及估计精度，及 电子对抗及多径环境下更好的鲁棒性等。
[0004] 但是与相控阵系统相比，MHTO系统与也存在一些局限。包括：i.各天线阵元发射 正交信号，不具备相控阵系统的相干处理增益，从而产生波束形状损失，并在目标散射截面 积衰落时使系统性能有所下降；2.产生信噪比（SNR)损失，影响目标检测及参数估计精度 等。尽管这种SNR损失可通过增加累积时间来补偿，但由于应用中的有限相干处理时间及 传播路径损耗等，其实现存在很多问题。3.现代电子系统常包含数百至数千个天线阵元。 如果直接应用MMO系统，则需要很多独立的发射信号并在接收端采用数百至数千个接收 通道，这在硬件成本及算法的运算代价等方面均无法承受；而且为得到合适的发射信号，需 要对维数巨大的优化问题进行求解。
[0005] 子阵级混合MMO-相控阵系统目前刚刚开始研究，有很多问题还没有解决。其中 一个重要方面是，这种系统的方向图设计方法目前还没有研究成熟。
【发明内容】
[0006] 本发明是为克服已有MMO系统所存在的一些局限，即与相控阵系统相比其有信 噪比损失从而影响目标检测及参数估计精度，有波束形状损失从而导致系统性能下降，以 及系统软硬件成本过高导致难以实现等，本发明提出了子阵级混合MMO-相控阵系统的方 向图设计方法。
[0007] 子阵级混合MMO-相控阵系统的方向图设计方法，它按以下步骤实现：
[0008] -、根据相干处理增益向量设计相干处理增益方向图；
[0009] 二、根据波形分集向量设计波形分集方向图；
[0010] 三、根据接收阵导向向量设计接收方向图；
[0011] 四、由相干处理增益方向图、波形分集方向图与接收方向图合成为子阵级混合 MIMO-相控阵系统的方向图；
[0012] 其中，所述相干处理增益方向图及波形分集方向图由系统的发射端决定，而接收 方向图由所述系统的接收端决定。
[0013] 发明效果：
[0014] 本发明中的子阵级混合MMO-相控阵系统克服了MMO系统的上述局限，可有效降 低硬件成本及运算代价。其在保持Mnro系统所有优势的同时，还具有相控阵系统的相干处 理增益的优势。
[0015] 目前国内外对混合MMO-相控阵系统已进行了研究，但存在如下局限：⑴收/ 发天线分置；（2)系统接收端不采用子阵级处理而只采用阵元级处理，因而不是子阵级的 Mnro-相控阵系统。其局限在于，系统接收端需要数量巨大的接收通道（与接收阵元数相 同，可达到数百至数千的量级），这在硬件成本及算法运算代价方面均无法承受。
[0016] 与已有的混合MMO-相控阵系统相比，本发明中的子阵级混合MMO-相控阵系 统的优势是：（1)采用收/发共用阵，成本低且易于在已有平台上实现。（2)子阵级混合 M頂0-相控阵系统的接收端采用子阵级处理，与已有的混合M頂0-相控阵系统接收端的阵 元级处理方式相比，接收通道数和信号处理维数可由阵元数（数百至数千量级）降低到子 阵数（数十的量级），可降低数十倍。
[0017] 本发明解决了子阵级混合MMO-相控阵系统的方向图设计问题，与已有的相控阵 系统及M頂0系统的方向图设计方法不同，本发明将子阵级混合M頂0-相控阵系统的方向图 构造为三个分量：分别为相干处理增益方向图，波形分集方向图及接收方向图。
[0018] 子阵级混合MMO-相控阵系统的阵列导向向量由相干处理增益向量、波形分集向 量及接收阵导向向量等三者共同决定。因而，子阵级混合MMO-相控阵系统具有相干处理 增益性能；从而克服了MMO系统的局限。因为MMO系统中，阵列导向向量只由波形分集 向量与接收阵导向向量决定；因而不具有相干处理增益，从而产生波束形状损失，使系统 性能下降；并产生信噪比损失，从而影响目标检测及参数估计精度等。
【附图说明】
[0019] 图1是【具体实施方式】一中系统的阵列及子阵示意图；
[0020] 图2是【具体实施方式】一中总方向图的设计方案；
[0021] 图3是坐标系及俯仰角和方位角的示意图。
【具体实施方式】
【具体实施方式】 [0022] 一：本实施方式的子阵级混合MMO-相控阵系统的方向图设计方 法，它按以下步骤实现：
[0023] -、根据相干处理增益向量设计相干处理增益方向图；
[0024] 二、根据波形分集向量设计波形分集方向图；
[0025] 三、根据接收阵导向向量设计接收方向图；
[0026] 四、由相干处理增益方向图、波形分集方向图与接收方向图合成为子阵级混合 MIMO-相控阵系统的方向图；
[0027] 其中，所述相干处理增益方向图及波形分集方向图由系统的发射端决定，而接收 方向图由所述系统的接收端决定。
[0028] 1、阵列结构与工作模式
[0029] 系统包括发射端及接收端两部分。
[0030] 阵列结构：采用收/发共用阵，即发射端与接收端采用相同的阵列。阵元间距均 为半波长。阵列采用子阵结构，即相邻阵元通过子阵合成网络形成子阵；且发射阵与接收 阵采用相同的子阵结构。阵列及子阵的示意图如图1所示。本发明中阵列与子阵的形状是 任意的，图1只是以矩形阵为例进行说明。
[0031] 发射信号形式：子阵内各阵元发射相参信号，工作于相控阵模式；而子阵间发射 正交信号，工作于M頂0模式。
[0032] 2、总方向图的设计方案
[0033]用(民约表示俯仰角与方位角，设阵列的波束指向为(怂，叭）。设阵列包含N个阵 兀，划分为L个子阵。
[0034]将系统总方向图看作为三个分量的乘积，即表示为相干处理增益方向图，波形分 集方向图及接收方向图三者的乘积。其中相干处理增益方向图及波形分集方向图由系统的 发射端决定，而接收方向图由系统的接收端决定。
[0035]总方向图的设计方案如图2所示。
[0036]【具体实施方式】二：本实施方式与【具体实施方式】一不同的是：所述步骤一具体为：
[0037]( -）子阵级混合MMO-相控阵系统的阵列包括发射阵和接收阵；且发射阵和接 收阵采用相同的阵列结构，即采用收/发共用阵；阵列中包括N个阵元，划分为L个子阵，
[0038](二）在子阵级混合MMO-相控阵系统的发射阵中，用阵元移相器控制阵列波束指 向，设波束指向为(化..识上I同时对各阵元的发射信号进行幅度加权，以进行发射波束形成， 因而共有N个发射波束形成权，构成了发射波束形成权向量wT;
[0039]其中，所述wTSN维列向量，wT的第1行至第叱行元素构成一个叱维列向量，是第 1个子阵的发射波束形成权向量，用wT1表示；第NM行至第NJN2行元素构成了一个N2维 列向量，是第2个子阵的发射波束形成权向量，用wT2表示；第NJV-N1i行到第NJN2+*" N1JN1行元素构成了一个N:维列向量，是第1个子阵的发射波束形成权向量，用wT」表示； 依此类推；而第N-队行到第N行元素构成了一个N 列向量，是第L个子阵的发射波束形 成权向量，用WTj表示；
[0040] (三）设flT (民切:)为发射阵的导向向量，4(武#是一个N维列向量，其中，~ 的第1行至第N1行元素构成了一个N3隹列向量，是第1个子阵的发射阵导向向量，用?TJ (民炉)表示；第K+1行至第NJN2行元素构成了一个N2维列向量，是第2个子阵的发射 阵导向向量，用A:(乂妁表示；第N1+NJ-N1i行到第NJNJ-N1JN1行元素构成了一个Ni维列向量，是第1个子阵的发射阵导向向量，用,,(夂供)表示；依此