一种机载相控阵天线的波束赋形方法与流程

1.本技术涉及天线技术领域，具体为一种机载相控阵天线的波束赋形方法。


背景技术：

2.现有机载相控阵天线没有或很少采用波束赋形算法，天线具有较高的旁瓣，不同天线同时工作时，彼此之间存在相互干扰，严重时将导致天线无法正常使用。天线的旁瓣是敌方侦察接收机的主要截获目标。较高的天线旁瓣提高了被截获概率，严重影响本机的射频隐身能力。采用多波束模式的相控阵天线，其天线旁瓣进一步提高。
3.鉴于此，克服该现有技术产品所存在的不足是本技术领域亟待解决的问题。


技术实现要素：

4.本技术主要解决的技术问题是提供一种机载相控阵天线的波束赋形方法，通过调整约束条件，能够获得更高的旁瓣抑制能力，本方法运行时间短，效率高，便于工程化实现。
5.为解决上述技术问题，本技术采用的一个技术方案是：提供一种机载相控阵天线的波束赋形方法，所述波束赋形方法包括：
6.确定波束的指向角度θ
des
，以及所述指向角度所需要抑制旁瓣的角度范围(θ
l
,θ
u
)，其中，θ
des
∈(θ
l
,θ
u
)；
7.根据所述指向角度θ
des
和所述角度范围(θ
l
,θ
u
)确定最小化旁瓣功率的权向量ω；
8.根据所述权向量ω，调整相控阵天线每个阵元的幅度值和相位值，实现波束赋形。
9.优选地，所述根据所述指向角度θ
des
和所述角度范围(θ
l
,θ
u
)确定最小化旁瓣功率的权向量ω包括：
10.采用平均旁瓣最小波束赋形算法，使平均旁瓣功率最小化，应满足指定的约束条件，以计算所述权向量ω；
11.约束条件为：min∫|ω
h
α(θ)|2dθ，s.t.ω
h
α(θ
des
)＝1；
12.其中，α为方向向量，ω为权向量，θ为输入角。
13.优选地，所述根据所述指向角度θ
des
和所述角度范围(θ
l
,θ
u
)确定最小化旁瓣功率的权向量ω包括：
14.在θ
des
∈(θ
l
,θ
u
)范围内，以指定的步进长度进行遍历，按照所述约束条件，求取ω
h
pω的最小值，最小值对应的权向量ω就是波束赋形参数。
15.优选地，当指向角度为0
°
，约束条件为偏离指向角度左右各10
°
时，旁瓣抑制度为
‑
38.2db。
16.优选地，当指向角度为0
°
时，约束条件为偏离指向角度左右各15
°
时，旁瓣抑制度为
‑
59.9db。
17.优选地，所述波束赋形方法还包括：
18.当天线同时处理两个不同指向的波束时，先在其中一个指向角度的条件下，进行波束赋形；
19.再依据另一个指向角度进行波束赋形，再次求取权向量ω的数值，得到幅度加权值和相位调制值。
20.优选地，所述波束赋形方法适用于单波束模式。
21.优选地，所述波束赋形方法适用于多波束模式。
22.优选地，所述天线为一维20阵元相控阵天线。
23.本技术的有益效果是：本技术提供一种机载相控阵天线的波束赋形方法，所述波束赋形方法包括：确定波束的指向角度θ
des
，以及所述指向角度所需要抑制旁瓣的角度范围(θ
l
,θ
u
)，其中，θ
des
∈(θ
l
,θ
u
)；根据所述指向角度θ
des
和所述角度范围(θ
l
,θ
u
)确定最小化旁瓣功率的权向量ω；根据所述权向量ω，调整相控阵天线每个阵元的幅度值和相位值，实现波束赋形。
24.本技术公开了一种机载相控阵天线波束赋形算法，相控阵天线具有良好的波束指向能力和空间抗干扰能力，在机载平台得到的广泛的应用。当机载平台装备多副相控阵天线时，受限于装机使用空间，天线布局紧凑，导致天线彼此之间的空间隔离度较低，形成复杂电磁环境，当某一天线工作时，其在发射过程中产生的天线旁瓣会干扰其它天线的正常工作。而且较高的天线旁瓣提高了本机被敌方发现的截获概率，降低了射频隐身能力。此外，为了同时处理多个目标信号，单一波束无法满足使用要求，需要通过波束赋形算法形成多个波束针对不同的信号目标，而多波束形成将进一步导致天线旁瓣提高。
附图说明
25.为了更清楚地说明本技术实施例的技术方案，下面将对本技术实施例中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
26.图1是本技术实施例提供的一种机载相控阵天线的波束赋形方法；
27.图2是本技术实施例提供的传统单波束形成方向图；
28.图3是本技术实施例提供的平均旁瓣最小单波束形成方向图(偏移5
°
)；
29.图4本技术实施例提供的平均旁瓣最小单波束形成方向图(偏移10
°
)；
30.图5是本技术实施例提供的平均旁瓣最小单波束形成方向图(偏移15
°
)；
31.图6是本技术实施例提供的传统多波束形成方向图；
32.图7本技术实施例提供的平均旁瓣最小多波束形成方向图。
具体实施方式
33.下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
34.在本技术的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描
述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个特征。在本技术的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
35.在本技术中，“示例性”一词用来表示“用作例子、例证或说明”。本技术中被描述为“示例性”的任何实施例不一定被解释为比其它实施例更优选或更具优势。为了使本领域任何技术人员能够实现和使用本技术，给出了以下描述。在以下描述中，为了解释的目的而列出了细节。应当明白的是，本领域普通技术人员可以认识到，在不使用这些特定细节的情况下也可以实现本技术。在其它实例中，不会对公知的结构和过程进行详细阐述，以避免不必要的细节使本技术的描述变得晦涩。因此，本技术并非旨在限于所示的实施例，而是与符合本技术所公开的原理和特征的最广范围相一致。
36.实施例1：
37.本技术基于二次规划理论(qp)，提出了平均旁瓣最小波束赋形算法。算法首先确定波束的指向角度θ
des
，并给出需要抑制旁瓣的角度范围(θ
l
,θ
u
)，其中θ
des
∈(θ
l
,θ
u
)；其次，为了实现旁瓣抑制，需要寻找能够最小化旁瓣功率的权向量ω；最后根据求取的权向量ω，调整相控阵天线每个阵元的幅度值和相位值，实现波束赋形。解决传统相控阵在单波束模式下和多波束模式下天线旁瓣较高问题。
38.下面对本技术的技术方案的进行详细阐述：
39.本实施例提供一种机载相控阵天线的波束赋形方法，所述波束赋形方法适用于单波束模式，也适用于多波束模式。
40.所述波束赋形方法包括：
41.步骤10：确定波束的指向角度θ
des
，以及所述指向角度所需要抑制旁瓣的角度范围(θ
l
,θ
u
)，其中，θ
des
∈(θ
l
,θ
u
)。
42.步骤11：根据所述指向角度θ
des
和所述角度范围(θ
l
,θ
u
)确定最小化旁瓣功率的权向量ω；
43.步骤12：根据所述权向量ω，调整相控阵天线每个阵元的幅度值和相位值，实现波束赋形。
44.具体地，所述根据所述指向角度θ
des
和所述角度范围(θ
l
,θ
u
)确定最小化旁瓣功率的权向量ω包括：
45.采用平均旁瓣最小波束赋形算法，使平均旁瓣功率最小化，应满足指定的约束条件，以计算所述权向量ω；
46.约束条件为：min∫|ω
h
α(θ)|2dθ，s.t.ω
h
α(θ
des
)＝1；
47.其中，α为方向向量，ω为权向量，θ为输入角。
48.进一步地，所述根据所述指向角度θ
des
和所述角度范围(θ
l
,θ
u
)确定最小化旁瓣功率的权向量ω包括：
49.上述约束条件可转化为minω
h
pω，s.t.ω
h
α(θ
des
)＝1；其中，p＝∫α(θ)α
h
(θ)dθ可由数值积分计算。
50.在θ
des
∈(θ
l
,θ
u
)范围内，以指定的步进长度进行遍历，按照所述约束条件，求取ω
h
pω的最小值，最小值对应的权向量ω就是波束赋形参数。
51.在实际应用场景下，所述波束赋形方法还包括：
52.当天线同时处理两个不同指向的波束时，先在其中一个指向角度的条件下，进行波束赋形；
53.再依据另一个指向角度进行波束赋形，再次求取权向量ω的数值，得到幅度加权值和相位调制值。
54.下面基于具体的实例进行说明：
55.本实施例拟采用一维20阵元相控阵天线模型进行算法仿真，天线阵元间距为半波长，接收信号为远场平行窄带信号。为对比分析，指向角度分别设置为0
°
。未进行波束赋形前，波束形成如图2所示，从图2中可以看出，当指向角度为0
°
时，旁瓣抑制度为
‑
13.2db。
56.在θ
des
∈(θ
l
,θ
u
)范围内，以一定的步进长度进行遍历，按照上述约束条件，求取ω
h
pω的最小值，最小值对应的权向量ω就是波束赋形参数。
57.仿真设置角度范围(θ
l
,θ
u
)为偏离指向角度左右各5
°
，求取权向量ω的数值，得到幅度加权值和相位调制值。进行波束赋形后，波束形成如图3所示。
58.从图3中可以看出，当指向角度为0
°
，约束条件为偏离指向角度左右各5
°
时，旁瓣抑制度为
‑
19.9db，相比于传统波束形成提高了6.7db。
59.更改仿真设置角度范围(θ
l
,θ
u
)为偏离指向角度左右各10
°
，求取权向量ω的数值，得到幅度加权值和相位调制值。进行波束赋形后，波束形成如图4所示。
60.从图4中可以看出，当指向角度为0
°
,约束条件为偏离指向角度左右各10
°
时，旁瓣抑制度为
‑
38.2db，相比于传统波束形成提高了25db。
61.更改仿真设置角度范围(θ
l
,θ
u
)为偏离指向角度左右各15
°
，求取权向量ω的数值，得到幅度加权值和相位调制值。进行波束赋形后，波束形成如图5所示。
62.从图5中可以看出，当指向角度为0
°
时，约束条件为偏离指向角度左右各15
°
时，旁瓣抑制度为
‑
59.9db，相比于传统波束形成提高了46.7db。
63.对比图3、图4、图5，当偏离指向角度的范围增加时，旁瓣的抑制能力随之增加，但与之同时主瓣的宽度也在增加，在具体应用过程中，需要在主瓣宽度和旁瓣抑制能力之间平衡选择。
64.当天线同时处理两个不同指向的波束时，在原有指向角度0
°
的条件下，新增指向角度30
°
。未进行波束赋形前，波束形成如图6所示。
65.从图6中可以看出，当有两个波束形成时，旁瓣抑制度为
‑
11.6db，相比于单波束模式下，恶化了1.6db。采用平均旁瓣最小波束赋形算法，在原有约束条件下，增加指向角度30
°
的约束条件，再次求取权向量ω的数值，得到幅度加权值和相位调制值。进行波束赋形，波束形成如图7所示。
66.从图7中可以看出，多波束条件下，旁瓣抑制度为
‑
32.1db，相比于传统波束形成提高了20.5db。
67.综上所述，无论是在单波束还是多波束模式下，采用平均旁瓣最小波束赋形算法，均具有较高的旁瓣抑制能力。通过调整约束条件，能够获得更高的旁瓣抑制能力，但会导致主瓣变宽。
68.本方法具备单波束超低旁瓣波束赋形能力，也具备多波束超低旁瓣波束赋形能
力，在付出主瓣变宽的代价下，可以获得更好的旁瓣抑制能力。
69.进一步地，在单波束和多波束模式下，均具有超低天线旁瓣形成能力，算法运行时间短，效率高，便于工程化实现。
70.本技术公开了一种机载相控阵天线波束赋形算法，相控阵天线具有良好的波束指向能力和空间抗干扰能力，在机载平台得到的广泛的应用。当机载平台装备多副相控阵天线时，受限于装机使用空间，天线布局紧凑，导致天线彼此之间的空间隔离度较低，形成复杂电磁环境，当某一天线工作时，其在发射过程中产生的天线旁瓣会干扰其它天线的正常工作。而且较高的天线旁瓣提高了本机被敌方发现的截获概率，降低了射频隐身能力。此外，为了同时处理多个目标信号，单一波束无法满足使用要求，需要通过波束赋形算法形成多个波束针对不同的信号目标，而多波束形成将进一步导致天线旁瓣提高。
71.以上所述仅为本技术的实施方式，并非因此限制本技术的专利范围，凡是利用本技术说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本技术的专利保护范围内。