一种基于方向图拟合的相控阵气象雷达波束形成方法与流程

1.本发明属于机载气象雷达技术领域，具体涉及一种基于方向图拟合的相控阵气象雷达波束形成方法。


背景技术：

2.气象雷达能够探测航路上的气象目标，从而帮助飞机规避气象威胁。随着航空技术的发展，飞机的飞行速度和机动性能不断提高，使得其对气象威胁的响应时间随之减少，这就要求气象雷达也同步缩短周期性探测所需的时间，提高探测效率。
3.气象雷达通过发射波束辐射电磁波，照射到气象目标，通过接收波束接收反射回的电磁波，相控阵能够单独控制雷达阵列中各阵元的相位，通过电子扫描将波束快速指向感兴趣方向，利用各阵元发射信号的相位变化，通过相位加权控制波束形状。雷达的阵列方向图可以表征电磁波能量的空间分布特性，其中主瓣部分即为主波束，主瓣宽度即波束宽度，发射方向图能够体现雷达。传统机载气象雷达通过单一收发波束的扫描实现气象探测，对扇形区域进行周期性扫描，扫描周期与波束宽度有关。
4.目前气象雷达的波束形成多基于阵列各阵元的幅度加权，能够控制波束的主瓣宽度和旁瓣电平，并通过移相来改变波束指向。其存在的主要缺点一：幅度加权一般为控制信号幅度的衰减，会导致气象雷达的发射功率降低，探测距离缩短，损失雷达性能；主要缺点二：幅度加权中经典的窗函数大多是为了降低副瓣，鲜有以增加波束宽度为目的而构造的窗函数，不符合气象雷达增加波束宽度的使用场景。
5.因此，需提供一种新的气象雷达波束的形成方法。


技术实现要素：

6.本发明针对传统气象雷达扫描周期长，探测效率低的问题，利用相控阵对阵元相位加权，对理想方向图进行拟合，形成发射宽波束和接收窄波束，在不损失发射功率和探测精度的条件下提高探测效率，有效缩短扫描周期。
7.本发明的目的在于，提供一种基于方向图拟合的相控阵气象雷达波束形成方法,所述方法包括如下步骤：
8.s1：构造理想方向图；
9.s2：计算加权向量初值；
10.s3：根据s1的理想方向图对s2的计算加权向量初值进行迭代优化得到发射方向图；
11.s4：计算接收方向图；
12.s5：利用s3的发射方向图和s4构造的接收方向图形成波束，
13.其中，所述s2中通过空域频率进行相位加权设定加权向量初值。
14.本发明所提供的基于方向图拟合的相控阵气象雷达波束形成方法,还具有这样的特征，所述s1中的理想方向图为：
[0015][0016]
其中，θ为雷达观测角度，r为雷达观测范围。
[0017]
本发明所提供的基于方向图拟合的相控阵气象雷达波束形成方法,还具有这样的特征，所述s2包括如下步骤：
[0018]
s2.1：对接收信号进行快速傅里叶变换，得到空域频率；
[0019]
s2.2：当信号波达方向角范围为[-90
°
,90
°
]时，令阵元权向量为二次分布，根据空域频率计算加权向量初值。
[0020]
本发明所提供的基于方向图拟合的相控阵气象雷达波束形成方法,还具有这样的特征，所述加权向量初值为
[0021][0022]
其中，m为均匀线阵接收阵列阵元数，wm为第m个阵元的权向量，m＝1,2,...m，用来控制波束的宽度，其取值范围为[0,90
°
]。
[0023]
本发明所提供的基于方向图拟合的相控阵气象雷达波束形成方法,还具有这样的特征，所述s3包括如下步骤：
[0024]
s3.1：将s2得到的加权向量初值作为第一代加权向量，根据迭代方法确定迭代量δw，进行相位加权得到第二代加权向量；
[0025]
s3.2：构造代价函数，根据s1的理想方向图和代价函数，判断是否满足终止条件，若满足则根据优化后的加权向量获得发射方向图，若不满足则进入下一步；
[0026]
s3.3：重复s3.1-s3.2，直至获得发射方向图。
[0027]
本发明所提供的基于方向图拟合的相控阵气象雷达波束形成方法,还具有这样的特征，所述s3.2中的代价函数为
[0028][0029]
其中，所述ε为权重系数，θ为方位角，w为加权向量,r为雷达观测范围，f(θ,w)为归一化方向图。
[0030]
本发明所提供的基于方向图拟合的相控阵气象雷达波束形成方法,还具有这样的特征，所述s4中，气象雷达通过多个窄波束接收回波，构造相控阵的导向矩阵a，得到阵列的输出结果，构造接收方向图。
[0031]
本发明所提供的基于方向图拟合的相控阵气象雷达波束形成方法,还具有这样的特征，所述s5中，利用发射方向图和接收方向图形成气象雷达波束，对发射和接收方向图做克罗内克积，得到系统的总方向图。
[0032]
与现有技术相比，本发明的有益效果：
[0033]
本发明所提供的基于方向图拟合的相控阵气象雷达波束形成方法，通过设计方向图，对阵列加权形成发射和接收波束，提高了气象雷达的探测效率，成倍缩短扫描周期，有效延长了飞机对气象威胁的响应时间。理论上，发射波束宽度覆盖多少个接收波束，扫描速率就可以提高多少倍；可应用于机载气象雷达领域，可根据不同气象雷达信号处理性能的
优劣，按照本发明方法灵活调整波束覆盖范围，适用性强，具有良好的市场应用前景。
附图说明
[0034]
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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。
[0035]
图1：本发明实施例所提供的基于方向图拟合的相控阵气象雷达波束形成方法的流程框图；
[0036]
图2：本发明实施例所提供的基于方向图拟合的相控阵气象雷达波束形成方法的波束形成示意图。
具体实施方式
[0037]
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下实施例结合附图对本发明所提供的波束形成方法作具体阐述。
[0038]
在本发明实施例的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“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发明创造和简化描述，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发明创造的限制。
[0039]
此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，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”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明创造的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
[0040]
术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明创造中的具体含义。
[0041]
如图1所示，一种基于方向图拟合的相控阵气象雷达波束形成方法,所述方法包括如下步骤：
[0042]
s1：构造理想方向图：
[0043]
方向图能够表征雷达辐射电磁波的空间特性，理想方向图为：
[0044][0045]
其中，θ为雷达观测角度，r为雷达观测范围，r越大，波束越宽，雷达系统能够同时观测到的区域越大；
[0046]
s2：计算加权向量初值：
[0047]
s2.1：相控阵接收到的信号矩阵为x＝as n，其中a为导向矩阵，s为信号矩阵，n为噪声矩阵。信号波达方向为θ，信源发送一个符号b，均匀线阵接收阵列阵元数m，阵元间距d，信号波长λ，则接收信号为
[0048][0049]
对x进行m点fft，得到其对应的空域频率
[0050]
s2.2：考虑到d＝λ/2，当θ变化范围为[-90
°
,90
°
]时，f
spatial
的变化范围为0.5到-0.5，令阵元权向量为二次分布，则对应的发射方向图也为近似矩形，阵元的权向量可表示为
[0051][0052]
其中wm为第m个阵元的权向量，m＝1,2,...m，用来控制波束的宽度，其取值范围为[0,90
°
]；
[0053]
s3：根据s1的理想方向图对s2的计算加权向量初值进行迭代优化得到发射方向图：
[0054]
s4：计算接收方向图；
[0055]
s5：利用s3的发射方向图和s4构造的接收方向图形成波束，
[0056]
其中，所述s2中通过空域频率进行相位加权设定加权向量初值。
[0057]
在部分实施例中，所述s3包括如下步骤：
[0058]
s3.1：将s2得到的加权向量初值作为第一代加权向量，根据迭代方法确定迭代量δw，进行相位加权得到第二代加权向量；
[0059]
s3.2：构造代价函数，根据s1的理想方向图和代价函数，判断是否满足终止条件，若满足则根据优化后的加权向量获得发射方向图，若不满足则进入下一步；
[0060]
s3.3：重复s3.1-s3.2，直至获得发射方向图。
[0061]
在部分实施例中，所述s3.2中的代价函数为
[0062][0063]
其中，所述ε为权重系数，θ为方位角，w为加权向量,r为雷达观测范围，f(θ,w)为归一化方向图。
[0064]
在部分实施例中，所述s4中，气象雷达通过多个窄波束接收回波，构造相控阵的导向矩阵a，得到阵列的输出结果，构造接收方向图。
[0065]
在部分实施例中，所述s5中，利用发射方向图和接收方向图形成气象雷达波束，对发射和接收方向图做克罗内克积，得到系统的总方向图，如图2所示。
[0066]
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。