一种基于多接收目标的收发同时阵列发射波束优化方法

本发明涉及雷达相控阵、全双工通信，尤其是一种基于多接收目标的收发同时阵列发射波束优化方法。

背景技术：

1、随着无线电领域的迅猛发展，无线频带资源已逐渐呈现枯竭的态势。为了应对这一难题，许多研究者们提出了收发同时技术的构想，又可称为同时同频全双工技术。该项技术旨在相同的介质资源中，使用相同的时间和频率资源同时发送和接收电磁波信号。因此，该技术能够成倍提升时间和频谱资源利用率，但同时也引入了强烈的自干扰问题。

2、近十年来，收发同时技术在国内外都取得了一些进展。为了尽可能地抑制接收端中自干扰信号的影响，现有三类常用的自干扰对消方法，分别是传播域、模拟域和数字域对消。对比数字域方法，采用天线自干扰抑制或者模拟射频技术抑制自干扰的效果有限，其普遍存在自干扰抑制带宽窄、实现复杂、体积大成本高、使用场景受限等缺陷。而全数字相控阵不需要复杂的硬件电路和馈电网络，具有灵活可调实现简单等优点，现已广泛应用于通信和雷达领域。收发同时技术与相控阵技术的结合具有巨大的潜力，但同时对于全数字阵列的多条接收链路，若不采用自干扰抑制手段，波束扫描的过程中强自干扰的引入会导致部分乃至全部接收链路的饱和，从而丧失了对外来期望信号(soi)的探测能力。

3、现有的大部分自干扰抑制技术都需要依赖射频域或者数字域的对消(sic)架构，因此在原阵列系统的基础上需要引入额外的器件，增加了硬件复杂度。现有的应用于收发同时阵列系统的波束形成方法都只能抑制数字接收端处的各链路信号相加后的自干扰功率，可是对于数字接收阵列下的多条接收链路，其每一条都可以看作是一个单独的数字接收机，则无法同时最小化每一条链路的自干扰入射功率。这将导致实际应用中，过强的自干扰入射功率导致部分接收链路的饱和；由于外来期望信号(signal of interest,soi)一般较弱，接收链路上的模数转化器位数有限，过强的自干扰入射功率也会导致soi信号无法被量化而丢失。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明实施例提供一种基于多接收目标的收发同时阵列发射波束优化方法，以最小化接收阵元的最大入射功率，提高收发同时阵列系统中发射阵列对每一个接收阵元之间的隔离度，避免高自干扰功率对接收链路带来的饱和以及模数转化器有限位数的影响。

2、本发明实施例的一方面提供了一种基于多接收目标的收发同时阵列发射波束优化方法，该方法包括：

3、预设置收发同时阵列的收发互耦矩阵；

4、初始化发射波束形成矢量，得到初始发射波束形成矢量；

5、根据所述初始发射波束形成矢量，得到发射阵列的总发射功率；

6、确定期望波束指向角度，获取发射阵列的导向矢量以及最大单链路发射功率；

7、根据所述初始发射波束形成矢量、所述发射阵列的总发射功率、所述期望波束指向角度以及所述发射阵列的导向矢量，设置第一约束条件；

8、根据所述初始发射波束形成矢量以及所述最大单链路发射功率，设置第二约束条件；

9、根据所述初始发射波束形成矢量以及所述收发互耦矩阵，设置目标函数；

10、根据所述第一约束条件、所述第二约束条件以及所述目标函数，建立优化问题；

11、根据所述优化问题，对所述初始发射波束形成矢量进行优化，得到优化后的目标发射波束形成矢量。

12、可选地，所述预设置收发同时阵列的收发互耦矩阵，包括：

13、获取发射阵元到接收阵元的传播系数、发射总链路数以及接收总链路数；

14、根据所述发射阵元到接收阵元的传播系数、所述发射总链路数以及所述接收总链路数，预设置所述收发同时阵列的收发互耦矩阵；

15、所述收发互耦矩阵的表达式为：

16、

17、其中，m代表收发互耦矩阵；sk,j代表发射阵元到接收阵元的传播系数；j代表发射总链路数；k代表接收总链路数。

18、可选地，所述根据所述初始发射波束形成矢量，得到发射阵列的总发射功率，包括：

19、根据所述初始发射波束形成矢量，获取所述发射波束形成矢量的各个复数；

20、对所述发射波束形成矢量的各个复数的乘方进行累加，得到发射阵列的总发射功率；

21、所述发射阵列的总发射功率的表达式为：

22、

23、其中，pt代表发射阵列的总发射功率；j代表发射总链路数；i代表每条发射链路的编号，i＝1,2,…,j；bt,i代表初始化发射波束形成矢量的各个复数；pt,i代表各个发射链路的发射功率。

24、可选地，所述根据所述初始发射波束形成矢量、所述发射阵列的总发射功率、所述期望波束指向角度以及所述发射阵列的导向矢量，设置第一约束条件，包括：

25、对所述发射阵列的导向矢量进行共轭转置；

26、获取共轭转置后的所述发射阵列的导向矢量与所述初始发射波束形成矢量的乘积；

27、对所述乘积进行实部转化操作，得到第一实部；

28、根据所述期望波束指向角度，得到发射阵元的方向图；所述期望波束指向角度包括球坐标系中的俯仰角以及球坐标系中的方位角；

29、根据所述发射阵元的方向图、所述第一实部以及所述发射阵列的总发射功率，得到第一约束条件；

30、所述第一约束条件为：

31、

32、其中，θ代表球坐标系中的俯仰角；φ代表球坐标系中的方位角；gt(θ,φ)代表发射阵元的方向图；qt代表发射阵列的导向矢量；(·)h代表共轭转置；bt代表初始化发射波束形成矢量；代表取实部函数；γ代表发射阵列的最小有效辐射功率的幅度值；pt代表发射阵列的总发射功率。

33、可选地，所述第二约束条件为：

34、

35、其中，i代表每条发射链路的编号；bt,i代表初始化发射波束形成矢量的各个复数；pt,max代表最大单链路发射功率。

36、可选地，根据所述初始发射波束形成矢量以及所述收发互耦矩阵，设置目标函数，包括：

37、根据所述初始发射波束形成矢量以及所述收发互耦矩阵，获取最大入射自干扰功率；

38、对所述最大入射自干扰功率进行最小化，得到目标函数；

39、所述目标函数的表达式为：

40、

41、其中，bt代表初始发射波束形成矢量；m代表收发互耦矩阵。

42、可选地，所述根据所述第一约束条件、所述第二约束条件以及所述目标函数，建立优化问题，包括：

43、对所述初始发射波束形成矢量、所述发射阵列的导向矢量以及所述收发互耦矩阵进行实部加虚部的转换；

44、根据所述初始发射波束形成矢量的实部和所述初始发射波束形成矢量的虚部，构造初始发射波束形成矢量矩阵；

45、根据所述发射阵列的导向矢量的实部和所述发射阵列的导向矢量的虚部，构造第一发射阵列的导向矢量矩阵以及第二发射阵列的导向矢量矩阵；

46、根据所述第一约束条件以及初始发射波束形成矢量矩阵，构造第三约束条件；

47、根据所述第二约束条件、所述第一发射阵列的导向矢量矩阵以及所述第二发射阵列的导向矢量矩阵，构造第四约束条件；

48、通过所述第三约束条件、所述第四约束条件以及所述目标函数，构成所述优化问题。

49、可选地，所述根据所述优化问题，对所述初始发射波束形成矢量进行优化，得到优化后的目标发射波束形成矢量，包括：

50、将所述优化问题输入目标工具，以最小化接收阵元的最大入射功率为目标，对所述初始发射波束形成矢量进行优化，得到优化后的目标发射波束形成矢量。

51、本发明实施例还提供了一种基于多接收目标的收发同时阵列发射波束优化装置，包括：

52、第一模块，用于预设置收发同时阵列的收发互耦矩阵；

53、第二模块，用于初始化发射波束形成矢量，得到初始发射波束形成矢量；

54、第三模块，用于根据所述初始发射波束形成矢量，得到发射阵列的总发射功率；

55、第四模块，用于确定期望波束指向角度，获取发射阵列的导向矢量以及最大单链路发射功率；

56、第五模块，用于根据所述初始发射波束形成矢量、所述发射阵列的总发射功率、所述期望波束指向角度以及所述发射阵列的导向矢量，设置第一约束条件；

57、第六模块，用于根据所述初始发射波束形成矢量以及所述最大单链路发射功率，设置第二约束条件；

58、第七模块，用于根据所述初始发射波束形成矢量以及所述收发互耦矩阵，设置目标函数；

59、第八模块，用于根据所述第一约束条件、所述第二约束条件以及所述目标函数，建立优化问题；

60、第九模块，用于根据所述优化问题，对所述初始发射波束形成矢量进行优化，得到优化后的目标发射波束形成矢量。

61、本发明实施例还提供了一种电子设备，该电子设备包括处理器以及存储器；存储器存储有程序；处理器执行程序以执行前述的基于多接收目标的收发同时阵列发射波束优化方法。

62、本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，存储介质存储有程序，所述程序被处理器执行实现前述的基于多接收目标的收发同时阵列发射波束优化方法。

63、本发明实施例还提供了一种计算机程序产品或计算机程序，该计算机程序产品或计算机程序包括计算机指令，该计算机指令存储在计算机可读存储介质中。计算机设备的处理器可以从计算机可读存储介质读取该计算机指令，处理器执行该计算机指令，使得该计算机设备执行前述的基于多接收目标的收发同时阵列发射波束优化方法。

64、本发明的实施例预设置收发同时阵列的收发互耦矩阵；初始化发射波束形成矢量，得到初始发射波束形成矢量；根据所述初始发射波束形成矢量，得到发射阵列的总发射功率；确定期望波束指向角度，获取发射阵列的导向矢量以及最大单链路发射功率；根据所述初始发射波束形成矢量、所述发射阵列的总发射功率、所述期望波束指向角度以及所述发射阵列的导向矢量，设置第一约束条件；根据所述初始发射波束形成矢量以及所述最大单链路发射功率，设置第二约束条件；根据所述初始发射波束形成矢量以及所述收发互耦矩阵，设置目标函数；根据所述第一约束条件、所述第二约束条件以及所述目标函数，建立优化问题；根据所述优化问题，对所述初始发射波束形成矢量进行优化，得到优化后的目标发射波束形成矢量。本发明以最小化接收阵元的最大入射功率为目标，对所述初始发射波束形成矢量进行优化，能提高收发同时阵列系统中发射阵列对每一个接收阵元之间的隔离度，避免高自干扰功率对接收链路带来的饱和以及模数转化器有限位数的影响。