宽带数字阵雷达数字波束形成系统研究

宽带数字波束形成(DBF)实现是数字阵雷达工程应用中的难题。该文提出了采用自适应采样矩阵逆算法实现通道均衡与波束时延滤波器的计算方法,进而合并成一个滤波器实现宽带DBF 功能。利用该算法开发了基于高度集成光电转换模块与现场可编程门阵列(FPGA)的宽带DBF 模块,实现了上述功能,并有效节省了系统资源。该模块通过产品应用验证,具有良好的性能。      

宽带星载DBF相控阵天线设计与实现

针对低轨卫星通信天线波束"等通量"覆盖的赋形要求,采用遗传算法对天线阵列进行了多目标平衡优化综合.根据SHA阵和波束覆盖的空间旋转对称性,在波束空间和阵元空间内进行阵元分组,将波束形成矩阵自由度降为1/3,简化了遗传算法参数数量,为波束形成因子复用奠定基础.针对16波束宽带输入,利用DFT滤波器组、复用式波束形成网络、单音闭环校正等算法设计了分布式数字波束形成器和幅相校正单元,运算量降为原来的4.5%,节省硬件资源80%.最后首次完成了16波束61阵元星载DBF相控阵天线样机的研制,暗场测试结果表明波束增益达到等通量覆盖要求,验证了以上算法和工程设计的正确性与有效性.     

空间重采样法恒定束宽波束形成器设计

本文视均匀线列阵为连续线阵的均匀离散采样，将宽带方位估计中的空间重采样思想用到恒定束宽波束形成器设计中，并从滤波器设计的观点出发，将阵元权系数等效为空间滤波器的脉冲响应，提出用恢复公式计算不同频率所对应的阵元权系数，从而利用频域波束形成的方法完成恒定束宽波束形成器设计。     

一种新的均匀圆阵宽带波束域高分辨测向算法

波束域算法是通过对阵列信号进行波束形成预处理,再进行高分辨测向.本文提出了一种新的均匀圆阵宽带波束域高分辨测向算法,推导出波束域聚焦矩阵的表达式.新方法大大提高了圆阵宽带波束域测向算法的分辨率,估计精度等性能.最后通过计算机仿真,与基于模式空间变换的宽带圆阵波束域算法和宽带圆阵相干信号子空间算法进行了比较,验证了新算法的优良性能.     

数字宽带波束形成的仿真与验证

提出了宽带恒定束宽响应数字波束形成的整个流程和方法,通过运用数字延时线和Farrow分数延时滤波器相结合的技术对来波信号进行精确的预延时,运用空间重采样法对不同阵元宽带信号各离散频点的加权系数进行了求解,并根据这些加权系数构建了线性相位FIR滤波器来实现该波束形成算法。仿真和分析结果表明整套设计方法正确、实用、有效。     

一种虚拟波束形成自适应加权空间平滑算法

该文提出了一种用于自适应阵列的自适应加权空间平滑算法。通过构造虚拟自适应波束形成问题求取用于子阵协方差矩阵加权的加权向量,然后进行加权空间平滑自适应波束形成。理论分析与仿真结果表明,新算法能更有效地降低期望信号和干扰之间的相关性,使得用于空间平滑的子阵数减少,以降低阵列孔径损失。     

声矢量阵宽带恒定束宽波束形成技术研究

基于声矢量阵提出了一种宽带恒定束宽波束形成方法,该方法将宽带方位估计中的空间重采样思想应用到恒定束宽波束形成器设计之中,并通过计算机仿真实现了宽频范围内-3 dB主瓣宽度的恒定,这对于进一步研究声矢量阵宽带波束域高分辨方位估计技术是十分重要的。     

基于脉动阵的自适应波束形成算法仿真

为了满足自适应波束形成技术对实时性的要求,将脉动阵应用于波束形成算法中,以实现自适应权向量的实时获取.通过对QR分解采样矩阵求逆算法、混合型QR分解采样矩阵求逆算法和逆QR分解采样矩阵求逆算法的理论分析,利用脉动阵,对输入数据矩阵进行QR分解,得到旋转因子,实现自适应权向量的实时更新.针对三种算法各自的脉动阵进行仿真,结果表明,基于脉动阵的自适应波束形成算法实现了权向量的高速获取,并为后续的工程实践提供了理论依据.     

宽带子阵域特征空间稳健对角减载波束形成

针对宽带子阵域自适应波束形成器在实际使用中稳健性下降、对弱信号的检测能力受信噪比限制的问题,提出了一种宽带子阵域特征空间稳健对角减载自适应波束形成方法.首先提出利用子阵域特征空间投影法修正导引向量并得到球形不确定集的估计,再利用RCB（Robust Capon Beamformer）算法得到约束条件下的最优权值.另一方面,利用子阵域互谱密度矩阵的最小特征值作为子阵域非相关噪声功率的估计并进行对角减载,以最优权值对减载矩阵波束形成得到子带波束输出,对每个窄子带重复上述处理,再将结果非相干叠加即可得到本文方法的最终结果.理论及实验分析表明方法能提高自适应波束形成器的稳健性及输出信噪比.     

迭代子空间跟踪和结构约束的自适应波束形成算法

自适应波束形成(adaptive beam-forming:ABF)方法通过对阵列数据进行加权处理来获得最大的输出信干噪比,对采样协方差矩阵依赖性较大.在小快拍和通道随机响应误差条件下,采样协方差矩阵的估计值与真实值通常存在较大差异,严重恶化了基于线性约束最小均方误差准则的自适应波束形成方法的干扰抑制性能.针对该问题,本文基于子空间投影类波束形成方法的思想,提出采用迭代子空间跟踪和结构约束的自适应波束形成方法.该方法首先利用clearing技术在训练样本集上依次跟踪主特征矢量并构成信号子空间;然后根据子空间投影类波束形成权矢量的结构特性计算自适应加权矢量.仿真结果表明本文方法能有效提高自适应波束算法的输出信干噪比.     

Design of a Compact Millimeter-Wave Microstrip Antenna with Wide Bandwidth and Broad Beamwidth

Design of a novel compact millimeter-wave microstrip antenna with wide bandwidth and broad beamwidth is presented. In the structure, multiple layers and a parasitic element as well as a coupling aperture are used to achieve wideband, while a conducting cylinder and the coupling aperture are used to obtain broad beamwidth. Finally, phased array with eight present elements has been designed as an example. Compared to traditional microstrip antennas and arrays, present antenna and array are of smaller dimension and broader beamwidth as well as wider bandwidth.     

时域矢量阵宽带恒定束宽波束的形成方法研究

对于海底探测和分类问题的声呐系统来说,一般要求声呐系统具备在较宽频带内形成恒定束宽波束的能力。随着对矢量水听器认识的深入,开展基于矢量阵的恒定束宽波束形成器的研究越发变得必要。介绍了在时域矢量阵宽带恒定束宽波束形成的实现原理和设计方法,并以均匀等间距线阵为例,给出了时域恒定束宽算法的实现流程。通过计算机仿真,可以看到基于矢量阵得到的恒定束宽波束要比常规阵得到的恒定束宽波束性能好得多。系统的可行性得到验证。     

基于孔径长度域重采样的快速恒定束宽波束形成

为解决宽带阵列天线波束宽度抖动的问题,在分析阵元权系数和阵列方向图傅里叶变换关系的基础上,提出了一种基于孔径长度域重采样的快速恒定束宽宽带波束形成方法。该方法通过期望方向图的傅里叶反变换获取孔径长度域上的权系数曲线,然后用不同的采样间隔对该权系数曲线进行重采样得到不同频率下的阵元权系数。由于仅需进行一次积分运算,该方法具有运算量小、速度快的特点。为使阵列方向图在恒定束宽的基础上具有更好的方向性,通过对孔径长度域拟合度的分析给出了期望方向图的设计方法。仿真结果表明所提方法可以快速形成方向性较好的宽带阵列恒定束宽方向图。     

恒定束宽波束形成器的设计和仿真研究

宽带恒定束宽波束形成器是基阵信号处理中的难点。本文提出一种基于均匀一致性旁瓣级的设计方法,在求出宽带信号实现恒定束宽所须的频率响应后,通过一组FIR滤波器来拟合该频率响应。该方法不仅能用于一般的等间隔直线阵,而且当阵元存在指向性且位置不精确时,也能较好地实现恒定束宽。计算机仿真表明了该方法的可行性。     

基于差分进化算法的宽频带扫描不等间距直线阵设计

设计了宽频带波束扫描不等间距直线阵列天线。在阵列天线孔径尺寸、带宽和最大波束扫描角度给定的情况下, 采用DE 算法极小化直线阵在工作频带内扫描方向图的峰值副瓣电平,求得最优的阵元间距分布。仿真结果表明,不等 间距排布方式可在工作频带内有效地抑制直线阵方向图的栅瓣。采用Ansoft HFSS 软件对优化后的直线阵进行了建模仿 真,HFSS 仿真结果与优化计算结果基本吻合。     

结合傅立叶变换的差分进化算法在阵列波束展宽中的应用

提出了一种新型阵列波束展宽的方法,使用差分进化算法结合傅立叶级数变换的初值对阵列波束进行展宽设计。与普通傅立叶级数变换法展宽波束相比,该方法获得主波束范围内的平坦度更好,且能得到更低的副瓣电平。推荐的方法还能避免传统差分进化算法收敛速度慢、易陷入局部最优的问题。文中使用该方法对一个21元的一维直线阵进行波束展宽优化设计。在等幅同相情况下,直线阵的3dB波束宽度为4.02o,使用推荐方法设计后,3dB波束宽度扩展到19.6o,主波束范围内的平坦度为0.21dB,证实了该方法的可行性。     

宽带恒定束宽盲波束形成算法

针对传统盲源分离算法对宽带阵列信号适用性较差的问题,提出一种基于时频分析的宽带恒定束宽盲波束形成算法。该算法首先将接收信号变换到时频域上并提取出单源点。然后,对单源点聚类并求解信号在不同频点上的导向矢量。最后,通过提出一种信号来向未知的空间响应变化约束方法,实现宽带恒定束宽盲波束形成。该算法避免了将宽带盲波束形成转换为卷积混合的盲源分离,因而不存在时域盲源分离算法中系统参数随滤波器阶数急剧增加的问题,也不存在频域算法中排序和幅度模糊的问题。仿真结果表明,算法能够较好地实现宽带信号的盲分离,且输出信干噪比高于时域、频域以及时频域盲源分离算法,实测数据的处理结果验证了该算法的实用性。      

Minimum Sidelobe Levels for Linear Arrays

A method of finding the optimum sidelobe-minimizing weights for an arbitrary linear array is derived that holds for any scan direction, beamwidth, and type of antenna element used. Optimum linear array positions are then determined via the particle swarm optimization method. Hence, the two together can give a global bound on antenna array performance with regards to sidelobe minimization. Results are presented for linear arrays of 2-6 elements for different scan angles, beamwidths and antenna elements.