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正文內(nèi)容

非均勻陣列天線波束成形技術(shù)研究論文(編輯修改稿)

2024-12-14 17:44 本頁面
 

【文章內(nèi)容簡介】 IMO接收波束成形。因為接收波束成形不依賴于系統(tǒng)發(fā)射波形的相關性,所以以下的討論更多的用于和多種接收天線相關的各種雷達設備。傳統(tǒng)的接收波束成形設計都采用向量權(quán)重方法。但是,我們同樣可以考慮矩陣權(quán)重的方法來設計接收波束成形。 問題模型 考慮接收天線陣列的設計來反映遠場的圖像。我們假設陣列孔徑是線性的。跟式(2)相似,ULA的接受方向向量可以表示為 (18)式中,表示接收天線之間的最小間距,表示接收天線的總數(shù),表示關于矩陣的寬邊的接收陣列操縱方向()。此外,我們定義方向矩陣為 (19)如果表示一個矩陣波束形成。然后我們定義矩陣為 (20) 用這種方式,接收波形可以表示為 (21)為了獲取稀疏陣列,我們限制波束成形設計的天線個數(shù)。我們讓矩陣包含矩陣的行,這些行對應著個天線的位置(我們從式(18)中的陣列方向向量中創(chuàng)造一個稀疏接收向量)。同樣的,我們讓對應著接收天線位置矩陣的行和列。用矩陣權(quán)重方法,接收波束可以被重新寫成 (22)18 非均勻陣列天線波束成形技術(shù)研究 稀疏接收陣列設計如果表示理想的接收波束,那么可以模擬波束設計問題如下: (23)這里,Z再次表示一個權(quán)重值的對角線矩陣,表示用戶確定的理想波束的中心角。式(23)的接收波束設計問題相似于(9)中的發(fā)射問題。因此。跟式(9)中一樣,我們把V限制在正半軸,這個我們可以從(20)中得到。,因此在這里省略掉這些步驟。 向量方法的接收波束設計傳統(tǒng)的接收波束成形的稀疏陣列設計方法采用向量權(quán)重方法。實際上。接下來,我們將演示通過矩陣權(quán)重設計稀疏接收陣列的循環(huán)算法如何被修改成用向量權(quán)重設計接收波束成形的方法。 ,加上了一個約束條件如下:Rank(V)=1 (24)通過式(24),我們可以把V書寫成以下形式: (25)這里。用式(25)中的結(jié)論,用向量權(quán)重合成的不熟可以表示為 (26)第二章 波束設計理論介紹 19備注:,(對協(xié)防差矩陣R沒有秩的約束)。同樣的,向量權(quán)重設計接收波束成形的方法,包括式(24)中的附加約束,是類似于受rank(R)=1約束的發(fā)射波束設計。在這種假設下,我們簡化成一個相控陣主動遙感系統(tǒng)(1)。盡管我們忽視了放置稀疏發(fā)射陣列設計在相控陣系統(tǒng)(因為在這方面,我們把重心放在波形多樣化的應用上),當然這次模擬會直接符合用向量權(quán)重設計接收波束成形的討論。 稀疏陣列設計1) 通過循環(huán)算法確定權(quán)重:式(23)中的波束匹配問題,現(xiàn)在對于向量權(quán)重問題來說,可以被重新表述為 (27)因為理想的波束代表一組功率,我們可以取而代之考慮以下的相似的最優(yōu)化問題: (28)這里 (29)式中,為附屬變量。此外,向量表示的元素明智平方根,這樣。注意,在式(28)中,我們規(guī)定,而不是(一個非線性約束),因為一個變成v的元素的線性相位肯定不會影響到式(26)中的合成波束。假設給出向量v的一個初始值(為了算法的第一次循環(huán),我們假設v的組成部分是),我們可以把一個循環(huán)最小化算法應用于式(28)中的最優(yōu)化標準20 非均勻陣列天線波束成形技術(shù)研究來獲得一個更新的權(quán)重向量。這個算法可以總結(jié)為以下幾步。第一步。給出v,遵守的式(28)的閉合形式最小值可以直接得到 (30)第二步。給出一個矩陣,然后通過用拉格朗日乘數(shù)來執(zhí)行約束,式(28)的最小值v可以由一下公式可得 (31)我們在附錄C中提供了式(31)的證明。第三步。重復第一步和第二步只到達到了預設的停止標準,例如,這里,,式中,和表示在第i次循環(huán)中獲得的估值。2) 天線選擇:。我們再次假設個初始天線被固定在個候選位置上。假設剩下的個天線已經(jīng)被固定,我們考慮把第m個天線放置在任何一個剩下的可選擇的位置上(同樣包括天線現(xiàn)在所在的位置)。我們把上面1)中的循環(huán)步驟應用于每一個候選位置,然后把第m個天線移動到使式(28)中的標準達到最小值的位置上。使B的第m行對應著第m個天線的新位置。把這個算法應用到個天線當中的每一個上面。最終,我們循環(huán)的執(zhí)行這些步驟只到達到收斂標準,這樣在這個循環(huán)中沒有天線再被移動。,在選擇階段,我們同樣可以在天線之間設置一個最小間距。為了使保持充分分的?。ㄟ@樣可以確保候選位置的密度),我們僅僅忽略那些被固定天線的相鄰位置。這個約束只能由用戶在算法的使用過程中來執(zhí)行。第三章 計算機仿真 17第三章 計算機仿真在這章中,我們提供幾個數(shù)值例子來證明前幾章中描述的稀疏發(fā)射波束設計方法和稀疏接收波束設計方法的性能。在以下各例中,我們假設角掃描范圍以的間隔(這樣K=181)覆蓋了陣列的全部角度(從到)。 發(fā)射波束設計實例我們首先考慮發(fā)射波束設計問題。理想的波束包含一個脈沖,如圖1示,式子如下 (32)圖1 理想的發(fā)射波束在實際中,我們通過先傳輸一個全方位波形來選擇理想的波束,這樣在一個場景中逼近的目標的角位置就可以被確定了。然后,我們把發(fā)射的能量聚集在預設的目標位置。可以在[12]中看到詳細介紹。23 非均勻陣列天線波束成形技術(shù)研究在這個例子中權(quán)重矩陣Z的對角線部分選擇為 (33)圖2 設計權(quán)值 我們假設,然后讓來確保的單元高度(看式(12)).權(quán)重值在圖2中被當做角度的函數(shù)來描繪出來。明顯的,用式(33)指定的權(quán)重,我們試圖創(chuàng)造一個波束來模擬圖1中的脈沖,在成本函數(shù)(式(12))中遠離主瓣的旁瓣被最小化。當然,不同的稀疏陣列和不同的波束可以通過調(diào)整(33)中的權(quán)重參量來獲得。用一個有個天線和間距為的ULA。通過ULA用協(xié)方差矩陣來設計成的發(fā)射波束如圖3所示。,我們有個候選天線位置可以選擇,位置間隔為(參考式(2)中定義的陣列方向向量),這樣總第三章 計算機仿真 24的孔徑長度為。在個候選天線位置中,有個天線在設計方法中被采用。ULA被用來初始化算法,然后進行4次迭代(4次迭代后,通過算法確定的天線的位置不會再改變)。圖3 ULA發(fā)射波束()圖4 ULA發(fā)射波束()26 非均勻陣列天線波束成形技術(shù)研究接下來,為了證明性能依賴于天線的數(shù)量,我們用個天線來重復先前的波束設計步驟。如圖4所示,我們展示了又個天線的ULA所設計的波束,天線間距為。重新使用我們的稀疏陣列設計(同樣的,候選天線位置是200個,位置間距為)。在這個例子中,我們必須循環(huán)5次進行稀疏陣列設計方法來符合收斂標準。圖5 天線位置()圖5中展示了一系列ULA天線選定的位置。更清楚的,我們展示了在整個候選孔徑上的天線。我們用各種各樣的形狀來標出陣列天線的位置,矩形用來表示的ULA的天線位置,圓形用來表示的稀疏陣列的天線位置,叉形用來表示的ULA的天線位置,菱形用來表示的稀疏陣列的天線位置(在剩下的例子中我們都采用相似的代表符號)。表1 兩種發(fā)射波束各項性能對比第三章 計算機仿真 27陣列在表1中進行了比較,表中的均方誤差表示被定義為 (34)此外,在表1中,表示3dB主瓣帶寬(理想的響應的3dB帶寬是),PSL表示波束的副瓣峰值水平。我們把每個波束的PSL定義為3dB主瓣外的最高副瓣的振幅。就像被證明了的,相對于ULA,用10個和15個天線設計的稀疏陣列可以獲得一個更低的。另外,很大程度上取決于總孔徑長度的3dB帶寬,由更長的稀疏陣列產(chǎn)生的3dB帶寬比ULA更小。15個天線的稀疏陣列,也就是最長的陣列,跟預期的一樣,有最小的主瓣寬度。隨著天線數(shù)量的增加,每一個方法的PSL會減小。在10個天線的例子中,相比較與稀疏陣列,ULA的波束能產(chǎn)生一個稍微小的PSL,在15個天線的例子中,稀疏陣列的波束會產(chǎn)生比ULA波束更小的PSL。 接收波束設計實例接下來,我們將考慮用稀疏陣列進行的接收波束的問題。理想的接收波束被定義為 (35) 就像被證明了的,理想的接收波束是三角形的,主瓣的3dB帶寬是。此外,我們讓(這樣理想波束在處的單元功率就可以被保持)。這個例子中權(quán)重被選定為 (36)用式(36)中的權(quán)重,我們再次把重點放在獲得一個很逼近主束形狀的波形。對于剩下的每一次仿真,我們都讓。用ULA的結(jié)果來初始化,28 非均勻陣列天線波束成形技術(shù)研究中的向量波束成形算法來產(chǎn)生一個稀疏陣列天線。為了符合收斂標準我們把算法進行5次循環(huán)。為了進行比較,我們已經(jīng)按照[25]中的想法產(chǎn)生了一個稀疏陣列。用這個凱士提出的稀疏算法,天線被陸續(xù)的放入陣列中,在給出一系列候選位置的前提下。天線被放置以后,這樣兩個理想接收波束和已經(jīng)產(chǎn)生的那個之間的均方誤差就被最小化了。和我們的向量權(quán)重方法不一樣的是,[25]。此外,我們把加斯科在[27]]中描述的方法應用于我們的接收波束設計問題。想在第一章中提到的一樣,[27]中描述的方法從一個滿陣列結(jié)構(gòu)開始。陣列上的天線被循環(huán)的移動至使最終的波束產(chǎn)生一個最小的副瓣峰值水平。圖6 天線位置()表2 四種陣列接收波束性能比較第三章 計算機仿真 30最后,我們在圖四中展示了每個方法中天線選擇好的位置(為簡單起見,我們將用[24]的方法產(chǎn)生的陣列定義為凱士陣列,把用[27]中的方法產(chǎn)生的陣列定義為加斯科陣列)相同的,3dB表示主瓣的3dB角寬(理想波形的3dB帶寬是),PSL表示副瓣峰值水平。盡管因為更長的無空閑孔徑,凱士陣列能獲得一個更窄的3dB帶寬(實際上比理想響應更窄),用這個陣列的PSL也更高。但是,加斯科陣列的波束的3dB帶寬是是四種方法中最大的一個。均方誤差也被定義成與(34)相似的,這里,和分別表示理想的和合成的接收波束。就像被證明了的,相比較于ULA,凱士陣列和加斯科陣列,稀疏陣列能產(chǎn)生最小的。 接收陣列設計性能比較在最后的例子中,我們將比較用有著不同值的向量權(quán)重方法進行的稀疏接收陣列設計的性能。通過比較,我們試圖證明更密集的候選天線位置能提高天線性能。為了能保持一個公平的對比,我們將把天線間的最小間距限制在(實際上,最小天線間距對于避免互耦效應或者適應天線的物理大小是必要的)。只需要陣列設計員在重新放置天線時限制可用位置,就可以輕易的限制最小間距()。我們考慮的這個例子中的接收陣列設計,也可以被用到接收陣列設計中去。圖8 天線位置()31 非均勻陣列天線波束成形技術(shù)研究表3 不同值的接收波束的各項性能比較
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