[发明专利]非均匀间隔线阵的宽带非频变扫描波束快速生成方法

说明书

本发明公开了非均匀间隔线阵的宽带非频变扫描波束快速生成方法，涉及阵列天线领域，解决了宽带非频变波束综合中方向图性能不理想以及综合效率低的问题。本发明包括使用非频变整形优化技术修正的宽带方向图；依据修正后的宽带方向图得到滤波器系数，采用滤波器系数与宽带方向图的变换关系获得可实现的宽带方向图；对得到的宽带方向图迭代执行变换、修正，直至当次迭代前后得到的宽带方向图相同，停止迭代，输出此时宽带方向图与对应的滤波器系数，完成宽带非频变扫描波束生成。本发明对计算资源的要求低且具有很高的综合效率，能够精确实现所需的主瓣非频变特性以及期望的副瓣电平性能。

技术领域

本发明涉及阵列天线领域，具体涉及非均匀间隔线阵的宽带非频变扫描波束快速生成方法。

背景技术

传统的宽带天线阵列接收宽带信号时，波束宽度会随频率发生变化，导致接收信号将被低通滤波而产生线性失真。而在某些应用场合，天线阵列需要在超宽频带内具有束宽非频变的特性。

例如在某些无源雷达系统中，需要对敌方系统辐射的信号进行脉内细微特征识别，这时要求接收系统能够实现超宽带高保真的信号接收，传统宽带天线阵列已无法满足该需求。通常，采用滤波求和阵列来实现宽带非频变波束，这种阵列的每个阵元通道均连接一个模数转换器和数字滤波器，且每个滤波器均含有一组滤波器系数，故存在大量的滤波器系数需要被优化。此外，宽带非频变波束成形需要对超宽频带内的频点以及可见空间内的角度逐一施加约束。在考虑波束扫描的情况时，可见空间还将进一步扩大。因此，宽带非频变波束成形面临着巨大的计算复杂度。

近年来，已经提出了许多方法用于宽带非频变波束成形，例如解析法、凸优化法、最小二乘法和傅里叶变换法等。尽管这些技术均获得了很大成功，但是它们大多仅适用于均匀间隔的天线阵列，且为了避免在高频段出现栅瓣，通常将阵元间隔设置为最高频率对应的半波长。为满足在超宽频带内的方向性要求，这些技术所设计的滤波求和阵列一般需要大量的天线阵元，导致阵列系统存在较大的复杂度和较高的实现成本。为减少所需的阵元数目，可以通过调整阵元的位置来增大阵列结构的自由度，选用非均匀间隔的阵列来完成综合。因此，针对非均匀间隔阵列的波束成形技术具有重要的工程应用价值。

现有的非均匀间隔阵列综合技术大多仅考虑单频或窄带的情况，如传统的交替投影法。它们不考虑束宽非频变的要求，且综合的是阵元激励而不是数字滤波器系数。而在宽带非频变波束成形领域，仅有少部分综合技术适用于非均匀间隔阵列。例如，采用渐近理论构造的波束方向图特性与阵列位置的关系，再由这种关系设计宽带非频变方向图。然而，渐进理论法无法对宽带方向图的副瓣进行精确控制。再例如，采用矩阵束来重构的非均匀间隔线阵的阵元激励与位置信息。但是，矩阵束法需要已知目标宽带方向图在每个空间角度上的幅度与相位，而在实际情况中一般仅已知目标宽带方向图的性能指标。

中国专利202011092350.7公开了一种基于SOCP的宽带波束成形方法。该方法将阵列综合问题转化为建立和求解凸优化问题，从而估计波束成形器的权值矢量。该方法可用于任意的阵列布局，且对系统误差和角度偏差具有良好的稳健性。但是，由于该方法需要对所有波束成形器的权值进行优化，而且需要对所有方向图采样点施加凸约束，故将耗费大量的综合时间与运算内存。若计算资源有限，则该方法无法处理较大规模阵列综合。

中国专利201310236613.0公开了一种基于嵌套阵的多倍频程恒等束宽波束成形方法。该方法使用由多个不同孔径的子阵列嵌套而成的非均匀间隔线阵来接受宽带信号，并对每个子阵列对应的子频带进行束宽非频变处理，从而实现全频带的非频变特性。该方法具有计算复杂度低，宽带方向图控制精度较好的特点。但是，该方法仅适用于特定的嵌套阵列布局，故对阵列口径的大小、阵元数目和带宽比都有着严格的限制，无法满足一般情况的阵列综合要求。