基于十字陣發(fā)射圓環(huán)陣接收的聯(lián)合低旁瓣多波束形成方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種基于十字陣發(fā)射圓環(huán)陣接收的聯(lián)合低旁瓣多波束形成方法，涉及陣列信號(hào)處理領(lǐng)域，使用兩個(gè)相互垂直的均勻直線陣構(gòu)成十字發(fā)射陣列，同時(shí)使用均勻圓環(huán)陣作為接收陣列，通過(guò)發(fā)射?接收聯(lián)合處理，一次發(fā)射形成指向不同方位的多個(gè)發(fā)射?接收聯(lián)合低旁瓣波束，若干次發(fā)射完成后獲得的多個(gè)發(fā)射?接收聯(lián)合低旁瓣波束即可均勻覆蓋0°～360°范圍，本發(fā)明與傳統(tǒng)的使用單個(gè)陣元發(fā)射、多個(gè)陣元組成均勻圓環(huán)陣接收進(jìn)行主動(dòng)多波束形成的方法相比，保證了足夠的多波束形成效率，利用最優(yōu)化方法獲得覆蓋0°～360°的多個(gè)聯(lián)合低旁瓣波束，在使用接收陣元個(gè)數(shù)相同的情況下獲得主瓣寬度相同但旁瓣更低的聯(lián)合波束并保證足夠的多波束形成效率。
【專利說(shuō)明】
基于十字陣發(fā)射圓環(huán)陣接收的聯(lián)合低旁瓣多波束形成方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及陣列信號(hào)處理領(lǐng)域，尤其是多波束形成方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 在雷達(dá)、聲納等探測(cè)領(lǐng)域中，常使用單個(gè)陣元發(fā)射、多個(gè)陣元組成均勻圓環(huán)陣接收 的主動(dòng)多波束系統(tǒng)（H.L.Van Trees,Detection,Estimation,and Modulation Theory,
[0003] Optimum Array Processing，Wiley Interscience，2002)。通過(guò)一次發(fā)射，多次接 收波束形成，該系統(tǒng)可獲得均勻覆蓋0°~360°范圍的多個(gè)波束，并基于波束輸出完成探測(cè) 等任務(wù)。與均勻直線陣相比，均勻圓環(huán)陣具有圓周對(duì)稱的優(yōu)點(diǎn)，使用其作為接收陣可以避免 左右弦模糊，并且能夠在0°~360°內(nèi)形成多個(gè)等束寬波束，但會(huì)帶來(lái)波束旁瓣過(guò)高的缺點(diǎn)， 導(dǎo)致系統(tǒng)的干擾抑制能力下降。在接收陣使用均勻圓環(huán)陣的情況下，為了獲得最低旁瓣， C?A?Olen與R?T?Compton(C?A?Olen，R?T?Compton，A Numerical Pattern Synthesis Algorithm for Arrays，IEEE Trans .Antennas Propagat.，1990,38(10): 1666-1676)提出 了基于自適應(yīng)迭代算法的旁瓣控制方法，使用該方法可以獲得任意主瓣寬度下的最低旁瓣 波束，但計(jì)算量較大。之后，B.K. Lau等人（B ? K ? Lau，Y.H.Leung，A Dolph-Chebyshev Approach to the Synthesis of Array Patterns for Uniform Circular Arrays, Proc? IEEE Int? Symp? Circuits Systems(ISCAS),2000,1:124-127)提出了適用于均勾圓 環(huán)陣的Dolph-Chebyshev波束合成方法，使用這一方法可以在計(jì)算量較小的情況下獲得同 樣的效果。
[0004] 但是，C. A. Olen和B. K. Lau等人提出的波束合成方法僅針對(duì)接收?qǐng)A環(huán)陣進(jìn)行了波 束優(yōu)化。若要獲得更低旁瓣的多個(gè)波束，必須以主瓣寬度變寬或陣元個(gè)數(shù)增加為代價(jià)。因 此，傳統(tǒng)的主動(dòng)多波束系統(tǒng)在約束主瓣寬度較窄的前提下，使用C. A. Olen和B. K. Lau等人提 出的波束合成方法無(wú)法同時(shí)獲得理想的低旁瓣波束。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 傳統(tǒng)的主動(dòng)多波束系統(tǒng)中使用單個(gè)陣元發(fā)射、多個(gè)陣元組成均勻圓環(huán)陣進(jìn)行接 收，通過(guò)一次發(fā)射多次接收波束形成獲得均勻覆蓋0°~360°的多個(gè)波束。為了克服現(xiàn)有技 術(shù)的不足，解決傳統(tǒng)方法在主瓣較窄的前提下難以獲得理想低旁瓣波束的問(wèn)題，本發(fā)明提 出使用兩個(gè)相互垂直的均勻直線陣構(gòu)成十字發(fā)射陣列，同時(shí)使用均勻圓環(huán)陣作為接收陣 列，通過(guò)發(fā)射一接收聯(lián)合處理，一次發(fā)射即可形成指向不同方位的多個(gè)發(fā)射一接收聯(lián)合低 旁瓣波束，若干次發(fā)射完成后獲得的多個(gè)發(fā)射一接收聯(lián)合低旁瓣波束即可均勻覆蓋〇°~ 360°范圍。使用該方法可以在不犧牲主瓣寬度和不增加接收陣元個(gè)數(shù)的前提下獲得理想的 低旁瓣波束，同時(shí)保證一定的多波束形成效率。
[0006] 本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案包括如下步驟：
[0007] 步驟1:根據(jù)設(shè)計(jì)頻率fD設(shè)計(jì)發(fā)射陣和接收陣參數(shù)
[0008] 本發(fā)明中主動(dòng)多波束形成系統(tǒng)的陣列由一個(gè)十字發(fā)射陣和一個(gè)均勻圓環(huán)接收陣 構(gòu)成，兩者位于相互平行的兩個(gè)平面中，兩平面之間的距離的取值范圍為Ad~10AD，其中入D = c/fD，為設(shè)計(jì)頻率fD下的信號(hào)波長(zhǎng)，c為信號(hào)傳播速度，十字發(fā)射陣和均勻圓環(huán)接收陣兩者 幾何中心的連線與兩平面垂直，十字發(fā)射陣由相互垂直的兩個(gè)M元均勻直線陣構(gòu)成，兩直線 陣位于同一平面中，幾何中心相互重合，兩直線陣中任意兩個(gè)相鄰陣元的間距均為d t，且入D <dt<5AD，當(dāng)M為奇數(shù)時(shí)，兩直線陣共用陣列中心位置處的一個(gè)陣元，當(dāng)M為偶數(shù)時(shí)，兩直線 陣沒(méi)有公共陣元，N元均勻圓環(huán)接收陣中任意相鄰兩陣元間的圓弧長(zhǎng)d r = AD/2;
[0009] 步驟2:使用步驟1設(shè)計(jì)的十字發(fā)射陣和均勻圓環(huán)接收陣進(jìn)行發(fā)射一接收聯(lián)合處理
[0010] 每次聯(lián)合處理中發(fā)射端進(jìn)行一次發(fā)射，接收端進(jìn)行多次接收波束形成，多次聯(lián)合 處理完成后獲得覆蓋0°~360°的多個(gè)聯(lián)合低旁瓣波束：
[0011] 信號(hào)發(fā)射過(guò)程中，十字發(fā)射陣有兩種發(fā)射方式，第一種發(fā)射方式是兩個(gè)直線陣分 另IJ在不同時(shí)刻發(fā)射中心頻率為fD，頻段為fijljfu的窄帶脈沖信號(hào)，fijPfu滿足窄帶條 件心, 211,1<&/1〇,第二種發(fā)射方式是十字發(fā)射陣中的兩個(gè)直線陣同時(shí)發(fā)射頻段不同的窄 帶脈沖信號(hào)，即一個(gè)直線陣的發(fā)射信號(hào)中心頻率為f D，頻段為到fi,2,另一直線陣的發(fā)射 信號(hào)的中心頻率為fD'，頻段為f2, 1到f2,2，f2,1和f 2,2同樣滿足窄帶條件f2,1-f2, 2<fD7l0，且 f2, ^Ijf 2,2和f ^Ijf 2的頻段范圍沒(méi)有重合；
[0012] 兩種發(fā)射方式中均使用十字發(fā)射陣中的兩個(gè)直線陣對(duì)信號(hào)進(jìn)行加權(quán)發(fā)射，加權(quán)向 量為
[0014] 其中％為發(fā)射波束主瓣的方位角，At為發(fā)射信號(hào)中心頻率下的波長(zhǎng)，m為大于等于 〇小于等于M-1的整數(shù)；發(fā)射時(shí)，發(fā)射陣1產(chǎn)生的發(fā)射波束的主瓣和柵瓣覆蓋45°~135°和 225°~315°，發(fā)射陣2產(chǎn)生的發(fā)射波束的主瓣和柵瓣覆蓋0°~45°、135°~225°和315°~ 360°，設(shè)一共需要獲得K個(gè)聯(lián)合波束來(lái)覆蓋0°~360°，則發(fā)射陣1和發(fā)射陣2各需要進(jìn)行J = K/4I次發(fā)射，其中I為發(fā)射陣1使用釣,=90::的加權(quán)向量發(fā)射信號(hào)時(shí)，發(fā)射波束中落入45°~ 13 5 °內(nèi)的主瓣和柵瓣的個(gè)數(shù)之和，第j次發(fā)射中，直線陣1的發(fā)射波束主瓣的方位角為 的)，^0 -(j-l)[90s-arCC0S(人/<)]/?/，./ = 1,2.…直線陣2的發(fā)射波束主瓣的方位角為 ' =270 -(./-1)^)0°-31^〇叫/4)」/人/=1,2,..1/,結(jié)合之前所述的兩種發(fā)射方式，使 用第一種發(fā)射方式時(shí)，發(fā)射端一共需要進(jìn)行2J次發(fā)射，使用第二種發(fā)射方式時(shí)，發(fā)射端一共 需要進(jìn)行J次發(fā)射，第二種發(fā)射方式將發(fā)射次數(shù)減少一半，若接收機(jī)具有濾波功能，使用第 一種發(fā)射方式，否則使用第二種發(fā)射方式；
[0015] 發(fā)射端每次發(fā)射后，接收端對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行多次接收波束形成，每次接收波束形 成的主瓣對(duì)準(zhǔn)此次發(fā)射波束的一個(gè)主瓣或柵瓣，針對(duì)發(fā)射陣1的回波信號(hào)，每次接收波束形 成的主瓣對(duì)準(zhǔn)45°~135°或225°~315°內(nèi)的一個(gè)主瓣或柵瓣，針對(duì)發(fā)射陣2的回波信號(hào)每次 接收波束形成的主瓣對(duì)準(zhǔn)0°~45°、135°~225°或315°~360°內(nèi)的一個(gè)發(fā)射主瓣或柵瓣；當(dāng) 十字發(fā)射陣采用第一種發(fā)射方式時(shí)，接收端直接對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行接收波束形成處理，當(dāng)十 字發(fā)射陣采用第二種發(fā)射方式時(shí)，接收端先對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行濾波，再進(jìn)行接收波束形成處 理，在每次接收波束形成中，使用波束優(yōu)化技術(shù)對(duì)均勻圓環(huán)陣上的權(quán)值進(jìn)行優(yōu)化，使聯(lián)合波 束的旁瓣最低，在J次或2J次發(fā)射一接收聯(lián)合處理后，即可獲得覆蓋0°~360°的多個(gè)低旁瓣 聯(lián)合波束，完成對(duì)0°~360°方向的多波束形成；
[0016]步驟2中所述的使用波束優(yōu)化技術(shù)對(duì)均勻圓環(huán)陣上的權(quán)值進(jìn)行優(yōu)化的詳細(xì)步驟如 下：
[0017]接收端進(jìn)行接收波束形成的加權(quán)系數(shù)由求解最優(yōu)化問(wèn)題獲得，設(shè)某次發(fā)射獲得的 波束響應(yīng)函數(shù)為5如表示方位角，發(fā)射波束圖中主瓣和柵瓣出現(xiàn)的位置為 奶％…妗…奶，則接收端進(jìn)行多次接收波束形成，其中第k次接收波束形成的主瓣對(duì) 準(zhǔn)出現(xiàn)在矜處的主瓣或柵瓣，設(shè)第k次接收波束形成的加權(quán)系數(shù)為概，則第k次接收波束形 成獲得的接收波束響應(yīng)函數(shù)為
[0018] Brk{(p):wfar{p) (2)
[0019] 其中，上標(biāo)H表示共輒轉(zhuǎn)置為(於)為均勻圓環(huán)陣的陣列流型向量，以xoy平面內(nèi)的 坐標(biāo)原點(diǎn)為參考點(diǎn)，(滬)為
[0020] ~(供)=「^/狀《>_'）…紙'…y紙―-辦-】、丫 (3)
[0021 ]其中k = 231/%?為波數(shù)人為接收信號(hào)的中心頻率，R為均勻圓環(huán)陣的半徑肩為第i 個(gè)陣元的方位角，接收端第k次接收波束形成獲得的發(fā)射一接收聯(lián)合波束響應(yīng)函數(shù)為
[0022] Bk{(p) = Bt{(p)Brk((p) (4)
[0023] 為使聯(lián)合波束圖的旁瓣最低，wk可通過(guò)解以下最優(yōu)化問(wèn)題得到 min max \B((p)B, (^)l
[0024] ， hL/2 丨 W "'丨 (j) si. (鎢）=1
[0025] 式中BWsl為主瓣寬度，在求解wk時(shí)選擇BWsl與涔處主瓣或柵瓣的零點(diǎn)寬度BW〇 k相 同。
[0026] 本發(fā)明中的有益效果是與傳統(tǒng)的使用單個(gè)陣元發(fā)射、多個(gè)陣元組成均勻圓環(huán)陣接 收進(jìn)行主動(dòng)多波束形成的方法相比，在發(fā)射端使用兩條均勻直線陣構(gòu)成十字發(fā)射陣加權(quán)發(fā) 射信號(hào)，獲得覆蓋〇°~360°的多個(gè)主瓣和柵瓣，保證了足夠的多波束形成效率;在接收端使 用均勻圓環(huán)陣接收回波信號(hào)，對(duì)每次發(fā)射接收得到的回波信號(hào)進(jìn)行多次波束形成處理，每 次接收波束形成對(duì)準(zhǔn)發(fā)射波束的一個(gè)主瓣或柵瓣，利用最優(yōu)化方法獲得覆蓋〇°~360°的多 個(gè)聯(lián)合低旁瓣波束;本發(fā)明利用十字發(fā)射陣和均勻圓環(huán)陣構(gòu)成的陣列結(jié)構(gòu)，在使用接收陣 元個(gè)數(shù)相同的情況下獲得主瓣寬度相同但旁瓣更低的聯(lián)合波束并保證足夠的多波束形成 效率。
【附圖說(shuō)明】
[0027] 圖1是本發(fā)明1 = 3，心=2人[^=16陣列的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0028] 圖2是本發(fā)明11 = 2，(^ =牡[^=16陣列的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0029] 圖3是本發(fā)明中所涉及步驟的主要流程；
[0030] 圖4是本發(fā)明接收端信號(hào)處理流程圖；
[0031]圖5是本發(fā)明第一種發(fā)射方式的發(fā)射流程圖；
[0032]圖6是本發(fā)明第二種發(fā)射方式的發(fā)射流程圖；
[0033] 圖7是本發(fā)明對(duì)發(fā)射陣1發(fā)射信號(hào)的回波進(jìn)行處理獲得的多個(gè)聯(lián)合波束圖；
[0034] 圖8是本發(fā)明對(duì)發(fā)射陣2發(fā)射信號(hào)的回波進(jìn)行處理獲得的多個(gè)聯(lián)合波束圖；
[0035] 圖9是使用相同的接收陣元數(shù)利用傳統(tǒng)方法獲得的波束圖。
[0036] 其中，圖1和圖2中的識(shí)為方位角。
【具體實(shí)施方式】
[0037] 下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說(shuō)明。
[0038]本發(fā)明的主要內(nèi)容有：
[0039] 1)提出了由十字發(fā)射陣和均勻圓環(huán)接收陣構(gòu)成的陣列結(jié)構(gòu)。
[0040] 2)針對(duì)提出的陣列結(jié)構(gòu)，提出了發(fā)射陣和接收陣聯(lián)合處理的工作方式。工作時(shí)，發(fā) 射陣和接收陣進(jìn)行多次發(fā)射一接收聯(lián)合處理，使用最優(yōu)化方法，獲得覆蓋0°~360°的多個(gè) 低旁瓣聯(lián)合波束。
[0041]通過(guò)計(jì)算機(jī)數(shù)值仿真，對(duì)本發(fā)明所提出的發(fā)射一接收聯(lián)合多波束系統(tǒng)進(jìn)行了檢 驗(yàn)，驗(yàn)證了本發(fā)明中提出的發(fā)射接收聯(lián)合多波束系統(tǒng)的低旁瓣性能。
[0042] 以典型的水下主動(dòng)多波束形成過(guò)程為例，給出本發(fā)明的實(shí)施實(shí)例。實(shí)施實(shí)例利用 計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)值仿真，來(lái)驗(yàn)證本發(fā)明中主動(dòng)多波束形成方法的效果。
[0043] 步驟1:根據(jù)設(shè)計(jì)頻率fD設(shè)計(jì)發(fā)射陣和接收陣參數(shù)
[0044] 本發(fā)明中主動(dòng)多波束形成系統(tǒng)的陣列由一個(gè)十字發(fā)射陣和一個(gè)均勻圓環(huán)接收陣 構(gòu)成，兩者位于相互平行的兩個(gè)平面中，兩平面之間的距離的取值范圍為h~10A D，其中入D = c/fD，為設(shè)計(jì)頻率fD下的信號(hào)波長(zhǎng)，c為信號(hào)傳播速度，十字發(fā)射陣和均勻圓環(huán)接收陣兩者 幾何中心的連線與兩平面垂直，十字發(fā)射陣由相互垂直的兩個(gè)M元均勻直線陣構(gòu)成，兩直線 陣位于同一平面中，幾何中心相互重合，兩直線陣中任意兩個(gè)相鄰陣元的間距均為d t，且入D <dt<5AD，當(dāng)M為奇數(shù)時(shí)，兩直線陣共用陣列中心位置處的一個(gè)陣元，當(dāng)M為偶數(shù)時(shí)，兩直線 陣沒(méi)有公共陣元，N元均勻圓環(huán)接收陣中任意相鄰兩陣元間的圓弧長(zhǎng)d r = AD/2;
[0045] 設(shè)發(fā)射信號(hào)為聲波，其在水下的傳播速度為1500米/秒，陣列設(shè)計(jì)頻率為fD = 5000Hz。發(fā)射陣由兩個(gè)相互垂直的M元均勻直線陣構(gòu)成，兩個(gè)M元均勻直線陣分別位于x軸和 y軸上，以下分別稱發(fā)射陣1和發(fā)射陣2,發(fā)射陣1和發(fā)射陣2中的陣兀間距dt = 2AD = 〇 .6m，接 收陣為N元均勻圓環(huán)陣，任意相鄰兩陣元間圓弧長(zhǎng)dr = AD/2 = 0.15m。發(fā)射陣和接收陣分別位 于z = 0m和z = 0.5m的平面中。以M = 2、N=16和M=3、N=16為例，M = 3時(shí)發(fā)射陣1和發(fā)射陣2 共用陣列中心處的一個(gè)陣元，M = 2時(shí)兩直線陣沒(méi)有公共陣元。兩種陣列結(jié)構(gòu)的示意圖分別 如圖1和圖2所示，其中空心圓代表發(fā)射陣元，實(shí)心圓代表接收陣元，供為方位角，計(jì)算機(jī)仿真 中選擇M=3、N=16的陣列結(jié)構(gòu)。
[0046] 步驟2:使用步驟1設(shè)計(jì)的十字發(fā)射陣和圓環(huán)接收陣進(jìn)行發(fā)射一接收聯(lián)合處理
[0047] 每次聯(lián)合處理中發(fā)射端進(jìn)行一次發(fā)射，接收端進(jìn)行多次接收波束形成，多次聯(lián)合 處理完成后獲得覆蓋0°~360°的多個(gè)聯(lián)合低旁瓣波束：
[0048] 信號(hào)發(fā)射過(guò)程中，十字發(fā)射陣有兩種發(fā)射方式，第一種發(fā)射方式是兩個(gè)直線陣分 另IJ在不同時(shí)刻發(fā)射中心頻率為fD，頻段為fijljfu的窄帶脈沖信號(hào)，fijPfu滿足窄帶條 件心,211,1<&/1〇,第二種發(fā)射方式是十字發(fā)射陣中的兩個(gè)直線陣同時(shí)發(fā)射頻段不同的窄 帶脈沖信號(hào)，即一個(gè)直線陣的發(fā)射信號(hào)中心頻率為fD，頻段為f1;1到fi,2,另一直線陣的發(fā)射 信號(hào)的中心頻率為fD'，頻段為f 2,1到f2,2，f2,1和f 2,2同樣滿足窄帶條件f2,1-f2, 2<fD7l0，且 f2, ^Ijf 2,2和f ^Ijf 2的頻段范圍沒(méi)有重合；
[0049]兩種發(fā)射方式中均使用十字發(fā)射陣中的兩個(gè)直線陣對(duì)信號(hào)進(jìn)行加權(quán)發(fā)射，加權(quán)向 量為
[0051] 其中％為發(fā)射波束主瓣的方位角，At為發(fā)射信號(hào)中心頻率下的波長(zhǎng)，m為大于等于 〇小于等于M-1的整數(shù)；發(fā)射時(shí)，發(fā)射陣1產(chǎn)生的發(fā)射波束的主瓣和柵瓣覆蓋45°~135°和 225°~315°，發(fā)射陣2產(chǎn)生的發(fā)射波束的主瓣和柵瓣覆蓋0°~45°、135°~225°和315°~ 360°，設(shè)一共需要獲得K個(gè)聯(lián)合波束來(lái)覆蓋0°~360°，則發(fā)射陣1和發(fā)射陣2各需要進(jìn)行J = K/41次發(fā)射，其中I為發(fā)射陣1使用灼>=90的加權(quán)向量發(fā)射信號(hào)時(shí)，發(fā)射波束中落入45°~ 13 5 °內(nèi)的主瓣和柵瓣的個(gè)數(shù)之和，第j次發(fā)射中，直線陣1的發(fā)射波束主瓣的方位角為 = SKT -U- 1)[撕-1，2.，.J,直線陣2的發(fā)射波束主瓣的方位角為 %, =270 -(./-丨)[90 -arcC0S(AM)]/j，./ = U2...J，結(jié)合之前所述的兩種發(fā)射方式，使用 第一種發(fā)射方式時(shí)，發(fā)射端一共需要進(jìn)行2J次發(fā)射，使用第二種發(fā)射方式時(shí)，發(fā)射端一共需 要進(jìn)行J次發(fā)射，第二種發(fā)射方式將發(fā)射次數(shù)減少一半，但發(fā)射流程和接收端處理流程更加 復(fù)雜，實(shí)際使用時(shí)若接收機(jī)具有濾波功能，使用第一種發(fā)射方式，否則使用第二種發(fā)射方 式；
[0052] 圖4是本發(fā)明接收端信號(hào)處理流程圖，發(fā)射端每次發(fā)射后，接收端對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行 多次接收波束形成，每次接收波束形成的主瓣對(duì)準(zhǔn)此次發(fā)射波束的一個(gè)主瓣或柵瓣，針對(duì) 發(fā)射陣1的回波信號(hào)，每次接收波束形成的主瓣對(duì)準(zhǔn)45°~135°或225°~315°內(nèi)的一個(gè)主瓣 或柵瓣，針對(duì)發(fā)射陣2的回波信號(hào)每次接收波束形成的主瓣對(duì)準(zhǔn)0°~45°、135°~225°或 315°~360°內(nèi)的一個(gè)發(fā)射主瓣或柵瓣；當(dāng)十字發(fā)射陣采用第一種發(fā)射方式時(shí)，接收端直接 對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行接收波束形成處理，當(dāng)十字發(fā)射陣采用第二種發(fā)射方式時(shí)，接收端先對(duì)回 波信號(hào)進(jìn)行濾波，再進(jìn)行接收波束形成處理，在每次接收波束形成中，使用波束優(yōu)化技術(shù)對(duì) 均勻圓環(huán)陣上的權(quán)值進(jìn)行優(yōu)化，使聯(lián)合波束的旁瓣最低，在J次或2J次發(fā)射一接收聯(lián)合處理 后，即可獲得覆蓋0°~360°的多個(gè)低旁瓣聯(lián)合波束，完成對(duì)0°~360°方向的多波束形成。
[0053] 每次發(fā)射一接收聯(lián)合處理中進(jìn)行一次發(fā)射多次接收波束形成，每次接收波束形成 的主瓣對(duì)準(zhǔn)發(fā)射波束的一個(gè)主瓣或柵瓣，多次聯(lián)合處理后獲得覆蓋0°~360°的多個(gè)低旁瓣 波束；
[0054] 利用步驟1設(shè)計(jì)的M=3，dt = 2AD的發(fā)射陣列，使用兩種發(fā)射方式對(duì)信號(hào)進(jìn)行加權(quán)發(fā) 射，構(gòu)造加權(quán)向量時(shí)對(duì)主瓣方位角取整。在第一種發(fā)射方式中，設(shè)定發(fā)射信號(hào)為以f D為中心 頻率帶寬為100Hz的窄帶脈沖，即頻帶范圍為4950Hz~5050Hz，脈沖長(zhǎng)度為T = 0.5s。首先使 用發(fā)射陣1進(jìn)行4次發(fā)射，4次發(fā)射的主瓣方位角分別為90°、83°、76°和69°，按照公式（1)對(duì) 信號(hào)進(jìn)行加權(quán)后送入對(duì)應(yīng)的各個(gè)陣元進(jìn)行發(fā)射。發(fā)射陣1發(fā)射完成后改用發(fā)射陣2進(jìn)行發(fā) 射，發(fā)射同樣進(jìn)行4次，每次發(fā)射的主瓣方位角為180°、173°、166°和159°，同樣按照公式（1) 進(jìn)行加權(quán)后送入各個(gè)陣元進(jìn)行發(fā)射。第一種發(fā)射方式的發(fā)射流程圖如圖5所示。在第二種發(fā) 射方式中，使用發(fā)射陣1和發(fā)射陣2同時(shí)發(fā)射頻段不同的脈沖信號(hào)。此時(shí)陣列參數(shù)仍按照f(shuō) D = 5000Hz設(shè)置，即dt = 2AD = 〇.6m不變，設(shè)定發(fā)射陣1的發(fā)射信號(hào)為以fD為中心頻率帶寬為 100Hz的窄帶脈沖，即頻帶范圍為4950Hz~5050Hz，發(fā)射陣2的發(fā)射信號(hào)為以4900Hz為中心 頻率帶寬為100Hz的窄帶脈沖，即頻帶范圍為4850Hz~4950Hz，脈沖長(zhǎng)度T均為0.5s。每次發(fā) 射兩發(fā)射陣的主瓣方位角為(90°，180° )、（83°，173° )、（76°，166°)和(69°，159° )，每次發(fā)射 按照公式（1)對(duì)信號(hào)進(jìn)行兩種加權(quán)，分別送入發(fā)射陣1和發(fā)射陣2,同時(shí)進(jìn)行發(fā)射。因兩發(fā)射 陣共用陣列幾何中心處的一個(gè)陣元，該公共陣元的發(fā)射信號(hào)是兩種頻率的信號(hào)的疊加。第 二種發(fā)射方式的發(fā)射流程圖如圖6所示。計(jì)算機(jī)仿真中選擇第二種信號(hào)發(fā)射方式。
[0055] 每次發(fā)射完成后使用接收陣對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行接收、濾波和多次接收波束形成處 理，其中每次接收波束形成的主瓣對(duì)準(zhǔn)發(fā)射波束的一個(gè)主瓣或柵瓣，接收波束形成的加權(quán) 向量由求解(5)獲得。接收端的信號(hào)處理流程如圖3所示。利用計(jì)算機(jī)仿真對(duì)發(fā)射陣1和發(fā)射 陣2的發(fā)射信號(hào)回波進(jìn)行多次接收波束形成，獲得的多個(gè)聯(lián)合波束分別如圖7和圖8所示。
[0056] 由圖7和圖8可以看出，對(duì)4次發(fā)射的回波信號(hào)進(jìn)行接收波束形成一共可獲得48個(gè) 聯(lián)合波束，這些聯(lián)合波束均勻覆蓋0°~360°方向，且旁瓣級(jí)較低，最高只有-17.23dB。對(duì)圖7 和圖8的分析結(jié)果表明，本發(fā)明中提出的方法可以有效地對(duì)0°~360°方位進(jìn)行低旁瓣多波 束形成并保證足夠的多波束形成效率。
[0057] 為比較本發(fā)明和傳統(tǒng)方法的性能差異，現(xiàn)使用單陣元發(fā)射多陣元組成均勻圓環(huán)陣 接收的傳統(tǒng)方法進(jìn)行主動(dòng)多波束形成。在傳統(tǒng)方法中，使用單個(gè)發(fā)射陣元發(fā)射4850Hz~ 4950Hz的窄帶脈沖，使用16元均勻圓環(huán)陣進(jìn)行接收。接收均勻圓環(huán)陣的參數(shù)保持不變，陣元 間圓弧長(zhǎng)d r = AD/2 = 0.15m。利用Dolph-Chebyshev雪夫方法固定波束的主瓣寬度與使用本 發(fā)明獲得的聯(lián)合波束的主瓣寬度相同，獲得多個(gè)指向不同方位且主瓣寬度和旁瓣級(jí)都相同 的波束。其中指向180°方向波束的波束圖如圖9所示。由圖9可以看出，使用傳統(tǒng)方法獲得的 波束的旁瓣級(jí)較高，約為-2.436dB。比較使用本發(fā)明和使用傳統(tǒng)方法獲得的波束可知，使用 本發(fā)明可以在不犧牲主瓣寬度和不增加接收陣元的前提下大幅降低波束的旁瓣級(jí)。另外， 使用傳統(tǒng)方法和本發(fā)明分別需要進(jìn)行1次和4次發(fā)射，因此本發(fā)明還具備足夠的多波束形成 效率。
[0058]本發(fā)明的基本原理經(jīng)過(guò)了理論推導(dǎo)，實(shí)施方案經(jīng)過(guò)了計(jì)算機(jī)數(shù)值仿真的驗(yàn)證，其 結(jié)果表明本發(fā)明提出的方法可以有效地進(jìn)行0°~360°低旁瓣主動(dòng)多波束形成。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于十字陣發(fā)射圓環(huán)陣接收的聯(lián)合低旁瓣多波束形成方法，其特征在于包括下 述步驟： 步驟1:根據(jù)設(shè)計(jì)頻率設(shè)計(jì)發(fā)射陣和接收陣參數(shù) 本發(fā)明中主動(dòng)多波束形成系統(tǒng)的陣列由一個(gè)十字發(fā)射陣和一個(gè)均勻圓環(huán)接收陣構(gòu)成， 兩者位于相互平行的兩個(gè)平面中，兩平面之間的距離的取值范圍為Ad~10XD，其中Ad = c/ f〇,為設(shè)計(jì)頻率ft下的信號(hào)波長(zhǎng)，c為信號(hào)傳播速度，十字發(fā)射陣和均勻圓環(huán)接收陣兩者幾何 中心的連線與兩平面垂直，十字發(fā)射陣由相互垂直的兩個(gè)Μ元均勻直線陣構(gòu)成，兩直線陣位 于同一平面中，幾何中心相互重合，兩直線陣中任意兩個(gè)相鄰陣元的間距均為d t，且XD$dt ，當(dāng)Μ為奇數(shù)時(shí)，兩直線陣共用陣列中心位置處的一個(gè)陣元，當(dāng)Μ為偶數(shù)時(shí)，兩直線陣沒(méi) 有公共陣元，Ν元均勻圓環(huán)接收陣中任意相鄰兩陣元間的圓弧長(zhǎng)d r = AD/2; 步驟2:使用步驟1設(shè)計(jì)的十字發(fā)射陣和均勻圓環(huán)接收陣進(jìn)行發(fā)射一接收聯(lián)合處理 每次聯(lián)合處理中發(fā)射端進(jìn)行一次發(fā)射，接收端進(jìn)行多次接收波束形成，多次聯(lián)合處理 完成后獲得覆蓋0°~360°的多個(gè)聯(lián)合低旁瓣波束： 信號(hào)發(fā)射過(guò)程中，十字發(fā)射陣有兩種發(fā)射方式，第一種發(fā)射方式是兩個(gè)直線陣分別在 不同時(shí)刻發(fā)射中心頻率為fD，頻段為5;1到5,2的窄帶脈沖信號(hào)，5;1和5, 2滿足窄帶條件 第二種發(fā)射方式是十字發(fā)射陣中的兩個(gè)直線陣同時(shí)發(fā)射頻段不同的窄帶 脈沖信號(hào)，即一個(gè)直線陣的發(fā)射信號(hào)中心頻率為f D，頻段為到f1>2,另一直線陣的發(fā)射信 號(hào)的中心頻率為fD'，頻段為f 2>1到f2,2，f2>1和f2, 2同樣滿足窄帶條件f2>1-f2,2<f D7l〇,且f2>1 至ljf2,2和的頻段范圍沒(méi)有重合； 兩種發(fā)射方式中均使用十字發(fā)射陣中的兩個(gè)直線陣對(duì)信號(hào)進(jìn)行加權(quán)發(fā)射，加權(quán)向量為其中稱為發(fā)射波束主瓣的方位角，At為發(fā)射信號(hào)中心頻率下的波長(zhǎng)，m為大于等于0小于 等于M-1的整數(shù);發(fā)射時(shí)，發(fā)射陣1產(chǎn)生的發(fā)射波束的主瓣和柵瓣覆蓋45°~135°和225°~ 315°，發(fā)射陣2產(chǎn)生的發(fā)射波束的主瓣和柵瓣覆蓋0°~45°、135°~225°和315°~360°，設(shè)一 共需要獲得K個(gè)聯(lián)合波束來(lái)覆蓋0°~360°，則發(fā)射陣1和發(fā)射陣2各需要進(jìn)行J = K/4I次發(fā) 射，其中I為發(fā)射陣1使用外=90'的加權(quán)向量發(fā)射信號(hào)時(shí)，發(fā)射波束中落入45°~135°內(nèi)的 主瓣和柵瓣的個(gè)數(shù)之和，第j次發(fā)射中，直線陣1的發(fā)射波束主瓣的方位角為 叫[訛-尸I, 2…J,直線陣2的發(fā)射波束主瓣的方位角為 % = 27〇。--1；) [9〇; - arccos(為Μ ；> ]/人./ = U..人結(jié)合之前所述的兩種發(fā)射方式，使用第 一種發(fā)射方式時(shí)，發(fā)射端一共需要進(jìn)行2J次發(fā)射，使用第二種發(fā)射方式時(shí)，發(fā)射端一共需要 進(jìn)行J次發(fā)射，第二種發(fā)射方式將發(fā)射次數(shù)減少一半，若接收機(jī)具有濾波功能，使用第一種 發(fā)射方式，否則使用第二種發(fā)射方式； 發(fā)射端每次發(fā)射后，接收端對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行多次接收波束形成，每次接收波束形成的 主瓣對(duì)準(zhǔn)此次發(fā)射波束的一個(gè)主瓣或柵瓣，針對(duì)發(fā)射陣1的回波信號(hào)，每次接收波束形成的 主瓣對(duì)準(zhǔn)45°~135°或225°~315°內(nèi)的一個(gè)主瓣或柵瓣，針對(duì)發(fā)射陣2的回波信號(hào)每次接收 波束形成的主瓣對(duì)準(zhǔn)0°~45°、135°~225°或315°~360°內(nèi)的一個(gè)發(fā)射主瓣或柵瓣；當(dāng)十字 發(fā)射陣采用第一種發(fā)射方式時(shí)，接收端直接對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行接收波束形成處理，當(dāng)十字發(fā) 射陣采用第二種發(fā)射方式時(shí)，接收端先對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行濾波，再進(jìn)行接收波束形成處理，在 每次接收波束形成中，使用波束優(yōu)化技術(shù)對(duì)均勻圓環(huán)陣上的權(quán)值進(jìn)行優(yōu)化，使聯(lián)合波束的 旁瓣最低，在J次或2J次發(fā)射一接收聯(lián)合處理后，即可獲得覆蓋0°~360°的多個(gè)低旁瓣聯(lián)合 波束，完成對(duì)0°~360°方向的多波束形成； 步驟2中所述的使用波束優(yōu)化技術(shù)對(duì)均勻圓環(huán)陣上的權(quán)值進(jìn)行優(yōu)化的詳細(xì)步驟如下： 接收端進(jìn)行接收波束形成的加權(quán)系數(shù)由求解最優(yōu)化問(wèn)題獲得，設(shè)某次發(fā)射獲得的波束 響應(yīng)函數(shù)為4(外P表示方位角，發(fā)射波束圖中主瓣和柵瓣出現(xiàn)的位置為 灼朽…灼…約，則接收端進(jìn)行多次接收波束形成，其中第 k次接收波束形成的主瓣對(duì) 準(zhǔn)出現(xiàn)在約處的主瓣或柵瓣，設(shè)第k次接收波束形成的加權(quán)系數(shù)為^，則第k次接收波束形 成獲得的接收波束響應(yīng)函數(shù)為其中，上標(biāo)η表示共輒轉(zhuǎn)置，為均勻圓環(huán)陣的陣列流型向量，以xoy平面內(nèi)的坐標(biāo) 原點(diǎn)為參考點(diǎn)，〃,.(識(shí))為其中k = 2π/λι·為波數(shù)，Ar為接收信號(hào)的中心頻率，R為均勻圓環(huán)陣的半徑，奶為第i個(gè)陣 元的方位角，接收端第k次接收波束形成獲得的發(fā)射一接收聯(lián)合波束響應(yīng)函數(shù)為 B^?) = Βχφ)ΒΗΧφ) (4) 為使聯(lián)合波束圖的旁瓣最低，wk可通過(guò)解以下最優(yōu)化問(wèn)題得到式中BWSL為主瓣寬度，在求解wk時(shí)選擇BWs^^處主瓣或柵瓣的零點(diǎn)寬度BWQk相同。
【文檔編號(hào)】G01S7/524GK105929384SQ201610530385
【公開(kāi)日】2016年9月7日
【申請(qǐng)日】2016年7月6日
【發(fā)明人】孫超, 蔣光禹, 劉雄厚
【申請(qǐng)人】西北工業(yè)大學(xué)