基于MVDR权斜投影分解的共形极化阵发射波束赋形算法制造技术

本发明专利技术涉及雷达通信技术，公开了一种基于MVDR权斜投影分解的共形极化阵发射波束赋形算法。本发明专利技术基于MVDR准则得到发射权向量解析解，然后基于斜投影理论对最优权向量进行等价表示，采用拉格朗日乘数法确定复数调整参数的最优解析解，从而灵活准确地控制方向图逼近期望共形阵列发射波束图。该方法在快速高效地得到最优权向量的同时，能够满足方向图主波束指向和极化约束，有效降低发射波束方向图峰值旁瓣电平和峰值交叉极化电平，并在特定角度范围内形成宽凹口。此外，该方法还可以提升阵列输出信噪比，更具有应用价值。更具有应用价值。更具有应用价值。

【技术实现步骤摘要】
基于MVDR权斜投影分解的共形极化阵发射波束赋形算法


[0001]本专利技术属于雷达通信技术，尤其涉及共形极化阵列发射波束赋形技术。

技术介绍

[0002]相比于平面阵，极化共形阵在实际工作中具有更广泛的应用前景。它在接收信号空域信息的同时，还能够感知信号的极化域信息，而充分挖掘和利用极化信息可以大大提升雷达的工作性能。但极化共形阵阵列非平面以及阵元各向相异这些复杂特性，使得共形阵列发射方向图出现了较高的峰值旁瓣电平以及严重的交叉极化电平，发射波束性能大大下降。所以基于极化共形阵进行发射波束赋形意义重大。
[0003]Vaskelainen运用迭代的思想，基于最小二乘方法得到最优权向量，使得共形阵列方向图逐渐逼近于期望方向图，(参见文献：Vaskelainen LI.Constrained least
‑
squares optimization in conformal array antenna synthesis[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation,2007,55(3):859
‑
867.)，但该方法只适用于简单的共形阵列。除此之外，凸优化理论也成为方向图赋形算法的热门方向，Cao等人引入两类二阶锥约束来控制主极化分量和交叉极化分量，虽然可以抑制任意区域内的交叉极化电平，但乘子交替方向法相对较为复杂且会造成边缘角度区域旁瓣电平较高的现象。(参见文献：Cao T,Pu W,Zhang P,et al.Beam pattern synthesis for conformal array with sidelobe and polarization control:a penalized inequality approach[C].2020IEEE 11th Sensor Array and Multichannel Signal Processing Workshop,Hangzhou,China,2020:1
‑
5.)。
[0004]综上，对于共形极化阵列，目前的发射波束赋形算法研究尚未成熟，如何在多约束下对发射方向图进行快速有效的优化仍具有重大的研究意义。

技术实现思路

[0005]申请人分析了当前共形极化阵列发射波束赋形方法，由于目前针对该领域的算法研究尚未成熟，且已有算法在多约束条件下效果不理想，鉴于此，本专利技术提供了一种基于MVDR权斜投影分解的共形极化阵发射波束赋形算法，用以解决现有方法中存在的问题。
[0006]本专利技术提供的技术方案，具体为基于MVDR权斜投影分解的共形极化阵发射波束赋形算法，该方法包括如下步骤：
[0007]步骤1)综合考虑阵元各向相异以及载体遮蔽效应，根据阵元局部方向图，建立共形极化阵列模型；其中俯仰角为θ∈[0,π/2]，方位角为
[0008]步骤2)基于和方向上的导向向量和得到主极化方向导向向量和交叉极化方向导向向量
[0009]步骤3)构造最小方差无失真响应(MVDR)波束形成器，求解得到初始权向量：
[0010][0011]其中，α1为归一化因子不影响最终方向图形状，因此下文将其忽略。
[0012]步骤4)基于MVDR初始权向量对主波束指向以外的方向点进行调整，并基于斜投影理论分解得到最优权等价公式上式中，ε为复数，为斜投影矩阵，满足：
[0013][0014][0015][0016]步骤5)基于步骤4中权向量的构成思想，给定权向量w
k
‑1，得到第k次迭代中的权向量线性变换公式：
[0017][0018]其中，ε
k
为待求的调整参数，为第k次迭代的调整方向；
[0019]步骤6)通过调节ε
k
将处的电平调节至期望电平值ρ
k
，ε
k
的取值由下式最优问题求解得到：
[0020][0021][0022]其中，
[0023]步骤7)采用拉格朗日乘数法，建构实值二次代价函数求解出ε
k
最优值进而得到第k次迭代最优权向量
[0024]步骤8)当最终发射方向图满足期望约束或者迭代次数达到最大时终止迭代，得到最优发射权向量w
T*
，否则跳至步骤5)继续迭代；
[0025]本专利技术公开了一种针对共形极化阵列发射方向图的波束赋形算法。本专利技术从斜投影的角度对权向量进行最优等价表示，并利用拉格朗日乘数法确定复数调整参数解析解，灵活准确地控制方向图逼近期望共形阵列发射波束图。
[0026]本专利技术的有益效果是，在优化耗时较小的同时，使得共形极化阵列发射方向图满足主波束指向和极化约束，并且有效降低峰值旁瓣电平以及峰值交叉极化电平，且能够在特定角度范围内形成深凹陷。此外，阵列输出信噪比也将大大提升。
附图说明
[0027]图1为本专利技术的方法流程图即摘要附图；
[0028]图2为本专利技术的半球形共形极化阵列示意图；
[0029]图3为初始发射波束总方向图；
[0030]图4为初始发射波束主极化方向方向图；
[0031]图5为初始发射波束交叉极化方向方向图；
[0032]图6为初始发射波束分量俯仰维剖面方向图；
[0033]图7为初始发射波束分量方位维剖面方向图；
[0034]图8为线极化下所提算法的发射波束总方向图；
[0035]图9为线极化下所提算法的发射波束主极化方向方向图；
[0036]图10为线极化下所提算法的发射波束交叉极化方向方向图；
[0037]图11为线极化下所提算法的发射波束分量俯仰维剖面方向图；
[0038]图12为线极化下所提算法的发射波束分量方位维剖面方向图；
[0039]图13为圆极化下所提算法的发射波束总方向图；
[0040]图14为圆极化下所提算法的发射波束主极化方向方向图；
[0041]图15为圆极化下所提算法的发射波束交叉极化方向方向图；
[0042]图16为圆极化下所提算法的发射波束分量俯仰维剖面方向图；
[0043]图17为圆极化下所提算法的发射波束分量方位维剖面方向图；
具体实施方式
[0044]下面结合附图对本专利技术的具体实施方式以及工作原理作进一步详细说明。
[0045]为了更好的描述，首先进行如下定义：
[0046]峰值交叉极化电平(Cross
‑
polarization level)定义为基于主极化方向图归一化的交叉极化分量电平值，其表达式为其中为交叉极化分量的电平，为发射信号主极化方向的电平。CPI值越小，也就意味着方向图整个空域的交叉极化分量越小于主极化分量，天线极化越接近主极化。
[0047]下面结合说明书附图详细说明本专利技术的具体实施方式。如图1所示基于MVDR权斜投影分解的共形极化阵发射波束赋形算法流程图，其具体包本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于MVDR权斜投影分解的共形极化阵发射波束赋形算法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1)设置共形极化阵列的阵元总数为N，第n个阵元在和方向上的单元方向图分别为规定角度θ∈[0,π/2]为俯仰角，角度为方位角，综合考虑阵元各向相异以及载体遮蔽效应，根据阵元局部方向图，建立共形极化阵列模型；步骤2)基于方向上的导向向量得到主极化方向以及交叉极化方向导向向量：方向上的导向向量得到主极化方向以及交叉极化方向导向向量：其中，其中，λ为信号波长，(x
n
,y
n
,z
n
)为第n个阵元的阵元位置，(γ
co
,η
co
)和(γ
x
,η
x
)分别为主极化参数以及交叉极化参数；步骤3)构造MVDR波束形成器：步骤3)构造MVDR波束形成器：步骤4)得到初始权向量w
T,0
：其中，为主波束方向的初始空间相关矩阵；步骤5)对主波束指向以外的方向点进行调整,考虑空域白噪声，结合MVDR初始权向量得到相应的最优权w
*
：其中为归一化噪声加干扰协方差矩阵，为调整点导向向量，β
i
为此方向的干噪比，g取co和x分别代表调整主极化分量方向图和交叉极化分量方向图；步骤6)基于斜投影理论得到最优权等价表示形式：其中，ε为复数，为斜投影矩阵，满足
步骤7)仿造最优权的迭代结构，可以构造第k次迭代的权向量公式，即给定权向量w...

【专利技术属性】
技术研发人员：谢菊兰，付小川，李明生，汪亚龙，何子述，李军，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：