[发明专利]基于最小化加权向量动态范围的波束图综合设计方法

说明书

本发明公开了一种基于最小化加权向量动态范围的波束图综合设计方法，步骤包括：1)建立通过最小化DRR进行波束图综合设计的目标模型；2)根据罚函数理论，将有约束的目标模型函数式转换为无约束的优化模型；3)构造合理的可微逼近函数对目标模型中不可微部分进行逼近，进而满足基于梯度的无约束优化算法的执行条件；4)利用构造的可微的双曲线函数替换加号函数，得到无约束的光滑模型，于是采用基于梯度的快速的BFGS‑Armijo算法可将模型中的各个变量的值通过微分器和积分器进行求解，最终求解出的波束形成器的加权向量，所设计波束图完全满足工程应用的要求。本发明的方法，逻辑严密，结果精确度高。

技术领域

本发明属于波束图检测控制技术领域，涉及一种基于最小化加权向量动态范围的波束图综合设计方法。

背景技术

数字波束形成器技术(DBF)是一种以数字方法来实现波束形成器的技术，由于其在基带上保留了天线阵列单元的全部信息，因而DBF可以采用先进的数字信号处理技术对天线阵列信号进行处理，可显著提高阵列天线的性能。一直以来，数字收发组件高额的成本，限制了DBF技术的普遍应用，但随着近几年电子器件技术、微波组件技术和高速数字处理设备技术的发展，DBF技术在雷达和通信领域的应用中获得越来越广泛的重视。因此在过去几年，传感器阵列的波束图设计技术都是通过对波束形成器加权向量的幅度和相位进行联合控制或者仅通过对其相位进行控制，设计出合乎工程要求的天线方向图。而通过对波束形成器加权向量的幅度和相位进行联合控制设计波束图因其有更多的自由度，所以可以更有效地形成满足实践应用的波束图，但这种技术设计的波束形成器加权向量的幅度动态范围变化很大，这使得功率放大器(如图1所示)无法工作在饱和状态，降低了功率放大器的效率和增加了信号功率的损耗。为了避免此类方法的弊端，仅相位控制的波束图综合设计技术应运而生，因其仅需通过控制有源相控阵天线中的移相器来改变相控阵雷达的波束指向，而其幅度由馈电网络给定，因此这种方法设计的波束形成器加权向量的幅度动态范围为1，保证了功率放大器工作在饱和状态，提高了功率放大器的效率和减小了信号功率的损耗，但通过此方法设计的波束图不一定都能满足实践应用的需要。

因此在实践应用中，为了避免以上两种波束图综合设计方法的缺陷，我们可以选择在设计波束图时减小波束形成器加权向量的动态范围变化。目前存在的方法就是预先设定波束形成器加权向量的动态范围，然后设计优化算法使加权向量的变化范围满足事先预设的动态范围。这种方法的缺陷在于，人为预设的动态范围变化不一定是所设计波束图的加权向量的最小动态范围变化。如果人为预设的加权向量的动态变化范围比实际的动态变化范围大，则会减弱功率放大器的效率，如果人为预设的加权向量的动态变化范围较小，则又无法形成满足实践应用的波束图。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于最小化加权向量动态范围的波束图综合设计方法，解决了现有技术中的优化算法很难对提出的模型进行有效求解，难以实现波束图控制，人为预设的动态范围变化不一定是所设计波束图的加权向量的最小动态范围变化的问题。

本发明所采用的技术方案是，一种基于最小化加权向量动态范围的波束图综合设计方法，按照以下步骤实施：

步骤1：建立通过最小化DRR进行波束图综合设计的目标模型；

步骤2：根据罚函数理论，将有约束的目标模型函数式转换为无约束的优化模型；

步骤3：构造合理的可微逼近函数对目标模型中不可微部分进行逼近，进而满足基于梯度的无约束优化算法的执行条件；

步骤4：利用构造的可微的双曲线函数替换加号函数，得到无约束的光滑模型，于是采用基于梯度的快速的BFGS-Armijo算法将模型中的各个变量的值通过微分器和积分器进行求解，最终求解出的波束形成器的加权向量，所设计的波束图完全满足工程应用的要求。