一种频控阵时变接收波束形成方法

1.本技术涉及频控阵接收波束形成的技术领域，具体而言，涉及一种频控阵时变接收波束形成方法。


背景技术：

2.频控阵具有距离角度相关的波束，带来了更丰富的信号信息。目前处理频控阵接收波束形成问题的方法为包括：许京伟等人在“receive beamforming of frequency diverse array radar systems”提出了频控阵接收波束形成，该方法建立了频控阵雷达系统中接收波束形成数学模型；wang bo等人在“beamforming analysis based on csb sin-fda”一文中提出了接收端自适应波束形成方法，有效地在目标位置出形成主瓣；徐艳红等人在“enhanced transmit
–
receive beamforming for frequency diverse array”中提出一种联合收发波束形成方法，可以形成一个点波束。以上方法的接收波束权矢量均为时不变矢量。然而，此类频控阵接收波速技术均是对应于时不变矢量的。
3.而现有技术中，由于采用时不变接收权值矢量原因，不能匹配频控阵发射波束的时变性。为了增强对接收波束方向图的控制，使接收波束与发射波束进行快速匹配，需要对频控阵的接收阵元进行时变控制，根据频控阵发射波束时变规律，设计时变接收权矢量，实现频控阵接收波束与频控阵发射波束的匹配，提高频控阵联合收发波束的距离角度覆盖区域，进而提高频控阵的探测性能。


技术实现要素：

4.本技术的目的在于：解决接收波束与发射波束匹配问题，通过设计时变接收波束权矢量和接收波束优化权矢量，得到频控阵接收阵元的时变接收波束，得到频控阵距离角度相关的方向图，增强对频控阵接收波束方向图的控制。
5.本技术的技术方案是：提供了一种频控阵时变接收波束形成方法，该方法包括：步骤1，在预设主瓣空间范围内，根据频控阵发射波束p
t
(t,r,θ)，计算时变接收波束权矢量wr(t)；步骤2，对时变接收波束权矢量wr(t)进行离散化，确定分段时变接收波束离散权矢量wr(i)；步骤3，根据期望波束覆盖面积的面积系数，计算面积系数范围内频控阵接收时不变波束能量最大时对应的接收波束优化权矢量wq；步骤4，根据分段时变接收波束离散权矢量wr(i)、接收波束优化权矢量wq以及接收阵列导向矢量a(r,θ)，计算频控阵时变接收波束的时变方向图，其中，时变方向图用于确定频控阵时变接收波束。
6.上述任一项技术方案中，进一步地，步骤1中具体包括：步骤101，确定频控阵天线的频控阵发射波束p
t
(t,r,θ)和频控阵接收波束pr(t,r,θ)；步骤102，在预设主瓣空间范围内，计算频控阵发射波束p
t
(t,r,θ)与频控阵接收波束pr(t,r,θ)的第一差值绝对值；步骤103，根据第一差值绝对值，依次计算频控阵接收波束中的时变接收元素，根据时变接收元素确定时变接收波束权矢量wr(t)，其中，时变接收元素为频控阵接收波束中满足第一差值绝对值小于预设阈值的元素
7.上述任一项技术方案中，进一步地，步骤1中具体包括：步骤111，确定频控阵天线的频控阵发射波束p
t
(t,r,θ)和频控阵接收波束pr(t,r,θ)；步骤112，分别计算频控阵发射波束p
t
(t,r,θ)的偶数求和项以及频控阵接收波束p
t
(t,r,θ)的全部求和项；步骤113，计算偶数求和项与全部求和项的第二差值绝对值；步骤114，依次计算当第二差值绝对值为0时，频控阵接收波束中的时变接收元素，根据时变接收元素确定时变接收波束权矢量wr(t)。
8.上述任一项技术方案中，进一步地，频控阵发射波束p
t
(t,r,θ)的表达式为：
[0009][0010]
式中，t为时间，r为观测距离，θ为观测方向角，m为发射阵元编号，m＝0,1,2,
…
,m，m为发射阵元数，为发射波束权矢量w
t
中的第m个元素，为频控阵发射频偏，c为光速，d
t
为发射阵元间距，f0为偏频控阵参考频率。
[0011]
上述任一项技术方案中，进一步地，频控阵接收波束pr(t,r,θ)的表达式为：
[0012][0013]
式中，为接收波束权矢量wr(t)中的第n个元素，接收波束权矢量为频控阵接收频偏，n为接收阵元编号，n＝0,1,2,
…
,n，n为接收阵元数，dr为接收阵元间距。
[0014]
上述任一项技术方案中，进一步地，预设主瓣空间范围为以频控阵发射波束相参点为集合中心的矩形范围，矩形范围由角度维边和距离维边组成。
[0015]
上述任一项技术方案中，进一步地，步骤2具体包括：根据频控阵发射波束相参距离r1和分段间隔t
p
，确定中心时刻ti；基于中心时刻ti，对时变接收波束权矢量wr(t)进行离散化，确定分段时变接收波束离散权矢量wr(i)。
[0016]
上述任一项技术方案中，进一步地，步骤3具体包括：
[0017]
步骤31，确定期望波束距离范围以及期望波束角度范围，并计算期望波束覆盖面积的面积系数；
[0018]
步骤32，计算观测空域范围的观测空域面积系数；
[0019]
步骤33，根据期望波束覆盖面积的面积系数和观测空域面积系数，计算面积系数范围内频控阵接收时不变波束方向图能量最大时的接收波束优化权矢量wq，对应的计算公式为：
[0020][0021]
式中，wq为接收波束优化权矢量，a(r,θ)为接收阵元的接收阵列导向矢量，θ为观测方向角，r为观测距离。
[0022]
本技术的有益效果是：
[0023]
本技术中的技术方案，通过在频控阵天线中引入时变接收波束权矢量，进而通过离散化得到对应的分段时变接收波束离散权矢量，与接收波束优化权矢量、接收阵列导向矢量，共同计算出频控阵时变接收波束的时变方向图，以得到频控阵天线接收阵元的时变接收波束，解决了接收波束与发射波束匹配的问题，增强了对频控阵接收波束方向图的控制。
[0024]
并且，本技术中的频控阵时变接收波束形成方法，不仅能够得到频控阵距离角度相关的方向图，而且还保留了频控阵距离角度相关的信息，并且能够在大范围内实现波束汇聚，提升频控阵天线的整体性能。
附图说明
[0025]
本技术的上述和/或附加方面的优点在结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
[0026]
图1是根据本技术的一个实施例的频控阵时变接收波束形成方法的示意流程图；
[0027]
图2是根据本技术的一个实施例的收发天线摆放示意图；
[0028]
图3(a)是根据本技术的一个实施例的频控阵发射波束的线性频偏仿真图；
[0029]
图3(b)是根据本技术的一个实施例的频控阵发射波束的对数频偏仿真图；
[0030]
图3(c)是根据本技术的一个实施例的频控阵发射波束的正弦频偏仿真图；
[0031]
图4(a)是根据本技术的一个实施例的线性频偏对应的频控阵时变接收波束形成方向图；
[0032]
图4(b)是根据本技术的一个实施例的对数频偏对应的频控阵时变接收波束形成方向图；
[0033]
图4(c)是根据本技术的一个实施例的正弦频偏对应的频控阵时变接收波束形成方向图；
[0034]
图5(a)是根据本技术的一个实施例的线性频偏对应的频控阵时变联合收发波束方向图；
[0035]
图5(b)是根据本技术的一个实施例的对数频偏对应的频控阵时变联合收发波束方向图；
[0036]
图5(c)是根据本技术的一个实施例的正弦频偏对应的频控阵时变联合收发波束方向图。
具体实施方式
[0037]
为了能够更清楚地理解本技术的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本技术进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术的实施例及实施例中的特征可以相互结合。
[0038]
在下面的描述中，阐述了很多具体细节以便于充分理解本技术，但是，本技术还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本技术的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
[0039]
实施例一：
[0040]
如图1所示，本实施例提供了一种频控阵时变接收波束形成方法，包括：
[0041]
步骤1，在预设主瓣空间范围内，根据频控阵发射波束p
t
(t,r,θ)，计算时变接收波束权矢量wr(t)；
[0042]
如图2所示，频控阵天线中包括发射阵元和接收阵元，以线性频偏频控阵为例，设定发射阵元数m＝12，偏频控阵参考频率f0＝2ghz，频控阵发射频偏系数δf＝20khz，发射阵元间距d
t
＝0.5λ0，λ0为参考波长，λ0＝c/f0＝0.15m。
[0043]
本实施例中，设定频控阵发射波束相参点(θ，r1)为(30
°
，50km)，其中，θ为频控阵发射波束相参方向角，r1为频控阵发射波束相参距离。
[0044]
具体的，如图3所示，对于任一种频控阵发射波束，可以将频控阵发射波束p
t
(t,r,θ)用第一表达式进行表示：
[0045][0046]
式中，为频控阵发射频偏，m为发射阵元编号，m＝0,1,2,
…
,m，m为发射阵元数，f0为偏频控阵参考频率，c为光速，θ为观测方向角，r为观测距离，t为时间，d
t
为发射阵元间距，为发射波束权矢量w
t
中的第m个元素，
[0047]
上述公式中的上标t表示发射阵元。
[0048]
需要说明的是，本实施例中发射阵元数m为偶数即可，如m＝8。当发射阵元数为8时，其具体实现过程与发射阵元数为12时相似，不在赘述。
[0049]
根据如图2所示收发天线的设置，可以将频控阵接收波束pr(t,r,θ)用第二表达式进行表示：
[0050][0051]
式中，为频控阵接收频偏，n为接收阵元编号，n＝0,1,2,
…
,n，n＝m/2，n为接收阵元数，为接收波束权矢量wr(t)中的第n个元素，接收波束权矢量dr为接收阵元间距。
[0052]
上述公式中的上标r表示接收阵元。
[0053]
本实施例中，对预设主瓣空间范围进行如下定义：
[0054]
如图3所示，预设主瓣空间范围为以频控阵发射波束相参点(θ，r1)＝(30
°
，50km)为中心的一个矩形范围，在图3中用虚框表示，该矩形范围由角度维边和距离维边组成，其中，矩形的角度维边为0
°
～60
°
，边长60
°
，矩形的距离维边为40km～60km，边长20km。
[0055]
因此，通过对方向图进行分析，为了实现接收阵元能够得到时变接收波束，在接收阵元中引入时变接收波束权矢量wr(t)，该时变接收波束权矢量wr(t)的计算方式包括：
[0056]
步骤102，在预设主瓣空间范围内，计算频控阵天线的频控阵发射波束与频控阵接收波束的第一差值绝对值；
[0057]
步骤103，根据所述第一差值绝对值，依次计算频控阵接收波束中的时变接收元
素，根据计算出的时变接收元素确定时变接收波束权矢量wr(t)，其中，时变接收元素为频控阵接收波束中满足第一差值绝对值小于预设阈值的元素
[0058]
步骤2，对时变接收波束权矢量wr(t)进行离散化，确定分段时变接收波束离散权矢量wr(i)，该过程具体包括：
[0059]
根据频控阵发射波束相参距离r1和分段间隔t
p
，确定中心时刻ti；
[0060]
基于中心时刻ti，对时变接收波束权矢量wr(t)进行离散化，确定分段时变接收波束离散权矢量wr(i)。
[0061]
具体的，设定分段间隔为t
p
，依据频控阵发射波束相参距离r1，计算任一分段的中心时刻，对应的计算公式为：
[0062][0063]
式中，ti为中心时刻，c为光速，i为时间分段编号，i＝1,2,
…
,i，i为时间分段数。
[0064]
因此，分段时变接收波束离散权矢量wr(i)的计算公式为：
[0065][0066]
式中，wr(t＝ti)为中心时刻的时变接收波束权矢量，此时，中心时刻即为发射波束主瓣距离维平移轨迹对应的离散时刻。
[0067]
设定频控阵发射波束相参距离r1＝50km，分段间隔t
p
＝1μs，时间分段数i＝10，n为接收阵元编号，n＝0,1,2,
…
,n-1，n为接收阵元数，取值为6。因此，对于接收阵元，前4段中心时刻对应的分段时变接收波束离散权矢量wr(i)如表1所示。
[0068]
表1
[0069]
[0070]
步骤3，根据期望波束覆盖面积的面积系数，计算面积系数范围内频控阵接收时不变波束能量最大时，对应的接收波束优化权矢量wq。
[0071]
该过程具体包括：
[0072]
步骤31，确定期望波束距离范围以及期望波束角度范围，并计算期望波束覆盖面积的面积系数。
[0073]
具体的，设定期望波束覆盖面积为矩形，两边分别为期望波束距离范围和期望波束角度范围，其中，期望波束距离范围为r1到r2，期望波束角度范围为θ1到θ2，可以设定期望波束距离范围为49-51km，期望波束角度范围为-5
°
～5
°
。
[0074]
根据频控阵接收时不变波束方向图，频控阵波束距离3db宽度γ和频控阵波束角度3db宽度θ，对应的取值如表2所示。
[0075]
表2
[0076]
m＝12γθ线性频偏1.1km10.2
°
对数频偏4.4km10.2
°
正弦频偏4.5km10.2
°
[0077]
基于上述参数，计算期望波束覆盖面积的面积系数s，对应的计算公式为：
[0078][0079]
步骤32，计算观测空域范围的观测空域面积系数，对应的计算公式为：
[0080][0081]
式中，ω为观测空域面积系数，r
max
为期望波束空域范围的距离最大值，可以设定为60km，r
min
为期望波束空域范围的距离最小值，可以设定为40km，θ
max
为期望波束空域范围的角度最大值，其取值设定为π/2，θ
min
为期望波束空域范围的角度最大值，其取值设定为-π/2。
[0082]
需要说明的是，观测空域范围的距离范围满足如下关系式：
[0083]
|r
max-r
min
|》10|r
2-r1|
[0084]
本实施例中，由于频控阵波束为距离-角度相关波束，并且距离参数与角度参数可以被证明为独立，因此选择距离范围与角度范围面积作为参数进行波束形成，即期望波束覆盖面积的面积系数s。同时，引入频控阵波束距离3db宽度γ和频控阵波束角度3db宽度θ，对期望波束覆盖面积的面积系数s以及观测空域面积系数进行归一化处理，采用接收方向图能量最大时的接收波束优化权矢量wq，实现波束能量最大接收的有益效果。
[0085]
期望波束覆盖面积的面积系数s以及观测空域面积系数ω的计算结果如表3所示。
[0086]
表3
[0087]
m＝12sω线性频偏0.8562154.1096对数频偏0.236242.5130
正弦频偏0.244644.0313
[0088]
步骤33，根据期望波束覆盖面积的面积系数和观测空域面积系数，计算面积系数范围内频控阵接收时不变波束方向图能量最大时的接收波束优化权矢量，对应的计算公式为：
[0089][0090]
式中，wq为接收波束优化权矢量，a(r,θ)为接收阵元的接收阵列导向矢量，θ为观测方向角，r为观测距离。
[0091]
具体的，基于上述参数，计算出的接收波束优化权矢量如表4所示。
[0092]
表4
[0093]
nwq0-0.3536+0.0000j1-0.3019-0.1841j2-0.1619-0.3143j30.0255-0.3526j4-0.6812-0.0971j50.6587+0.0098j
[0094]
步骤4，根据分段时变接收波束离散权矢量wr(i)、接收波束优化权矢量wq以及接收阵列导向矢量a(r,θ)，计算频控阵时变接收波束的时变方向图，其中，时变方向图用于确定频控阵时变接收波束，时变方向图对应的计算公式为：
[0095]
p(r,θ,i)＝w
r(i)hwqh
a(r,θ)
[0096]
式中，w
r(i)h
为wr(i)的共轭转置矩阵。
[0097]
实施例二：
[0098]
在上述实施例的基础上，由于是采用差值绝对值与预设阈值相比的形式，虽然能够计算出相应的时变接收波束权矢量wr(t)，当一方面计算量相对较大，另一方面计算结果在数值计算过程中不够直观，不便于进行数值分析，因此，本实施例还示出一种计算时变接收波束权矢量wr(t)的方法，选取频控阵发射波束p
t
(t,r,θ)的偶数求和项进行时变接收波束权矢量wr(t)的计算，以便得到准确的解析解，该方法具体包括：
[0099]
步骤111，确定频控阵天线的频控阵发射波束p
t
(t,r,θ)和频控阵接收波束pr(t,r,θ)；
[0100]
步骤112，分别计算频控阵发射波束p
t
(t,r,θ)的偶数求和项u(t,r,θ)以及频控阵接收波束pr(t,r,θ)的全部求和项(t,r,θ)，对应的计算公式依次为：
[0101]
[0102][0103]
步骤113，计算偶数求和项u(t,r,θ)与全部求和项(t,r,θ)的第二差值绝对值；
[0104]
步骤114，依次计算第二差值绝对值为0时，频控阵接收波束中的时变接收元素，根据时变接收元素确定时变接收波束权矢量wr(t)，其中，时变接收波束权矢量wr(t)中第r个元素的计算公式为：
[0105][0106]
通过对上述实施例中的频控阵时变接收波束形成方法进行分析，对比图3与图4中，相同频率设置情况下，以图3(b)对数频偏频控阵发射波束和图4(b)对数频偏频控阵时变接收波束为例，主瓣空间范围内，对数频偏频控阵发射波束的方向图与对数频偏频控阵时变接收波束的方向图绝对误差小于25％，认为对数频偏频控阵发射波束与对数频偏频控阵时变接收波束在主瓣空间范围内相似。
[0107]
需要说明的是，其他偏频(如线性频偏和正弦频偏)也可以得到相同的结果。
[0108]
本实施例中，可以根据频控阵发射波束时变规律，设计的时变接收权矢量，能够实现频控阵接收波束与频控阵发射波束的匹配。
[0109]
如图5所示，与现有时不变的接收权值矢量形成的联合收发波束方向图相比，本实施例中频控阵时变联合收发波束方向图，可以形成频控阵联合收发波束的距离角度覆盖区域，在主瓣空域范围内，形成了距离-角度相关的覆盖范围，其中距离范围超过5km，角度范围超过10
°
。
[0110]
以上结合附图详细说明了本技术的技术方案，本技术提出了一种频控阵时变接收波束形成方法，该方法包括：步骤1，在预设主瓣空间范围内，根据频控阵发射波束，计算时变接收波束权矢量；步骤2，对时变接收波束权矢量进行离散化，确定分段时变接收波束离散权矢量；步骤3，根据期望波束覆盖面积的面积系数，计算面积系数范围内频控阵接收时不变波束能量最大时对应的接收波束优化权矢量；步骤4，根据分段时变接收波束离散权矢量、接收波束优化权矢量以及接收阵列导向矢量，计算频控阵时变接收波束的时变方向图。通过本技术中的技术方案，解决了接收波束与发射波束匹配的问题，通过设计时变接收波束权矢量和接收波束优化权矢量，得到频控阵接收阵元的时变接收波束，增强对频控阵接收波束方向图的控制。
[0111]
本技术中的步骤可根据实际需求进行顺序调整、合并和删减。
[0112]
本技术装置中的单元可根据实际需求进行合并、划分和删减。
[0113]
尽管参考附图详地公开了本技术，但应理解的是，这些描述仅仅是示例性的，并非用来限制本技术的应用。本技术的保护范围由附加权利要求限定，并可包括在不脱离本技术保护范围和精神的情况下针对发明所作的各种变型、改型及等效方案。