子阵级宽带数字多波束形成研究

摘要

数字波束形成技术是现代雷达、电子侦查、无线通信中的研究热点之一，能显著提高雷达、通信等电子系统的性能。数字收发组件高额的成本，限制了该技术的应用发展。通过子阵的划分，减少所需的数字通道数，是数字波束形成技术应用于大型阵列的普遍形式。本文对均匀划分子阵的大型阵列中的宽带数字多波束形成关键技术进行了研究。
　　1.研究了宽带恒定束宽波束形成的两大类方法，重点研究了基于采样定理的空间重采样恒定束宽波束形成器，分析了该波束形成器在频域和时域的实现方法，仿真表明该方法是一种简单且易于实现的方法。
　　2.研究了数字多波束形成的方法，包括分别加权多波束，FFT多波束及多线性约束最小方差多波束，分别在面阵和线阵下对它们进行了研究和仿真分析，比较了三种方法的特点。
　　3.研究了均匀子阵形式下的数字多波束性能，针对均匀划分子阵形式的阵列形成多波束时会出现栅瓣，严重影响波束的主旁瓣比的问题，提出了两种子阵级数字多波束形成方法，以到达压制栅瓣，改善多波束的性能的目的。
　　对于均匀子阵数字多波束形成，提出采用时延估计的空间插值多波束。由于栅瓣产生的根本原因是子阵之间的距离大于半波长，考虑以子阵间接受信号的时延估计为基础，通过在阵列的每个半波长的位置插值来实现对栅瓣的压制，同时仿真分析了该方法的有效性及局限性。
　　针对空间插值多波束的局限性，为寻求一种均匀子阵数字多波束形成的普遍适用方法，提出了采用遗传算法优化权值的多波束形成方法。通过设计每个子阵内的阵元权系数和每个子阵的通道权系数来压制栅瓣，提高多波束性能。各个权系数是通过遗传算法优化得到的。仿真表明，该方法对线阵和面阵多波束性能都有不同程度的提高。针对遗传算法实时性较差的问题，提出了通过离线优化并储存权系数，实际应用时直接读取对应权系数的方案解决。
　　4.分析了子阵级自适应波束形成的原理和方法，以采样协方差矩阵求逆算法为例，推导了子阵级下的采样协方差矩阵求逆自适应波束形成算法，并进行了仿真分析。

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目录

1 绪 论

1.1 研究背景

1.2 国内外研究现状

1.3 论文内容和章节安排

2 阵列模型及波束形成原理

2.1 信号模型[13]

2.2 阵列模型

2.3 数字波束形成技术[4]

2.4 本章小结

3 宽带恒定束宽波束形成

3.1 引言

3.2 宽带阵列波束图

3.3 随频率改变阵列孔径[21]

3.4 空间重采样法[23][24][25]

3.5 空间重采样恒定束宽波束形成器的实现

3.6 本章小结

4 数字多波束形成技术

4.1 引言

4.2 分别加权多波束

4.3 FFT多波束[4]

4.4 多线性约束最小方差多波束[5]

4.5 本章小结

5 均匀子阵数字多波束形成技术

5.1 引言

5.2 阵列模型

5.3 子阵多波束性能分析

5.4 基于时延估计的空间插值多波束

5.5 基于遗传算法的数字多波束形成技术

5.6 子阵级宽带多波束

5.7 本章小结

6 子阵级自适应波束形成技术

6.1 子阵级SMI(采样协方差矩阵求逆)算法

6.2 仿真实验及结果分析

6.3 本章小结

7 总结与展望

致谢

参考文献

附录