專利名稱：：用于寬帶相控陣陣元間距優(yōu)化和頻域多目標測頻測向方法
技術領域：
：本發(fā)明涉及電子偵察
技術領域：
，具體的說是一種用于寬帶相控陣陣元間距優(yōu)化和頻域多目標測頻測向方法。該方法可用于機載和星載電子偵察中寬帶接收機的多窄帶目標精確測頻測向。
背景技術：
：現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，電子偵察具有極其重要的地位，已成為現(xiàn)代高科技戰(zhàn)爭中獲得戰(zhàn)術情報的重要手段。為了能在復雜的電磁環(huán)境中有效獲取目標信息，國外正在大力開發(fā)用于電子偵察的新型相控陣天線技術，如美國的橫列定向型相控陣天線和共形相控陣天線；以色列的"費爾康"共形相控陣天線；瑞典正在研制的"相似平衡術"雙面相控陣天線等。由于相控陣雷達中普遍采用了數(shù)字波束形成技術，它在形成瞬時多波束的同時，能對干擾源自適應調零并得到超高分辨和超低旁瓣等優(yōu)良性能，因而能非常有效地對付復雜的綜合性電子干擾，這同樣適應于電子偵察發(fā)展的需要。電子偵察所處的環(huán)境十分復雜，空間存在著大量的電磁輻射信號，如衛(wèi)星電子偵察接收機輸入端往往會同時收到數(shù)十部乃至數(shù)百部以上的雷達、通信和測控設備的信號，而這些信號又多是未知特性的，而且隨時間和空間不斷變化，因此必須采用時域、頻域和空域的多重選擇來稀釋信號。同時敵方故意釋放的有源干擾也給電子偵察帶來一定困難，只有采用自適應算法才能有效地對消干擾。一類是傳統(tǒng)的自適應算法，如LMS和DMI(DirectMatrixInversion)。LMS算法結構簡單，穩(wěn)健性較好，因而得到了廣泛應用，其消除干擾源的個數(shù)決定于天線陣的陣元數(shù)和同時跟蹤的目標數(shù)。陣元數(shù)越多，同時跟蹤的目標#線少，或多波束數(shù)量越少，可消除的干擾源數(shù)量就越多。DMI利用對采樣相關矩陣求逆來實現(xiàn)開環(huán)控制，它釆用直接計算自適應權值的辦法解決了閉環(huán)自適應中收斂速度對輸入相關矩陣特征值的依賴性，但當相關矩陣為病態(tài)矩陣時，DMI的穩(wěn)定性不好。LMS算法和DMI算法都需要期望信號的先驗信息，這在電子偵察中難以滿足，必須尋求其它的有效方法。另一種重要的解決方法就是兩步自適應方法，兩步自適應方法是在估計出空間信號源的數(shù)量和方向、頻率的基礎上，主波束指向目標方向，輔助波束分別指向干擾方向，通過方向圖的綜合來實現(xiàn)目標跟蹤與干擾抑制。它只需估計出干擾源的數(shù)量和方向就可有效地抑制干擾，所以很適合在電子偵察中使用。電子偵察中為了盡可能多的偵察到目標，所采用的多是寬帶接收機，而寬帶陣列信號是頻率的函數(shù)，因此其陣列流形及協(xié)方差矩陣都隨頻率變化，寬帶條件下多目標的檢測就成了一個關鍵問題，面臨著幾個亟待解決的問題1)寬帶條件下陣元間距的選取。首先要保證不沖莫糊測向即方向圖不出現(xiàn)柵瓣，則瑞利限要求的陣元間距不能大于半波長，但陣元間距過近，會帶來陣元之間的耦合，并且在有限陣元的情況下天線尺寸受限，從而影響測向分辨率。另外在寬帶條件下頻率覆蓋達到幾百兆，而波長的選取跟頻率有關，因此陣元間距的選擇往往不能兼顧測向分辨率和不模糊測向的要求。2)當目標中有相干信號和部分相關信號時，傳統(tǒng)測向算法如Capon，MUSIC不再有效，而平滑MUSIC等方法對通道的一致性要求嚴格，而且寬帶條件下的多窄帶目標同時測向存在聚焦的問題。這些問題是電子偵察中寬帶接收機條件下實現(xiàn)對窄帶目標精確檢測的難題。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于克服已有技術的不足，即解決寬帶接收機條件下多窄帶相干和不相干目標的測向問題，稀布陣(即陣元間距大于半波長的陣列)存在的測向分辨率和不模糊測向的矛盾，以及在有一定通道誤差的情況下達到盡可能多而精確的偵查目標，而提出了一種用于寬帶相控陣的陣元間距優(yōu)化和頻域多目標測頻測向方法，以實現(xiàn)寬帶條件下對多窄帶目標精確測頻測向。本發(fā)明的技術方案是綜合運算復雜度與系統(tǒng)實現(xiàn)可行性兩方面考慮，在電子偵察所處環(huán)境下，實現(xiàn)寬帶接收機條件下對多窄帶目標的精確測頻測向。首先，由測向分辨率確定天線尺寸，按系統(tǒng)要求確定陣元個數(shù)。兼顧測向分辨率和不模糊測向的要求，采用不均勻布陣并以陣元間距為優(yōu)化量，以對應天線的空間方向圖主副瓣比為適應度函數(shù)，采用遺傳算法進行陣元間距優(yōu)化；然后，針對傳統(tǒng)測向方法的局限性以及寬帶條件下的多窄帶目標同時測向存在聚焦的問題，采用頻域峰值快拍測頻測向方法實現(xiàn)頻率和方向聯(lián)合估計。其中釆用遺傳算法優(yōu)化陣元間距，采用頻域峰值快拍測頻測向聯(lián)合算法實現(xiàn)頻率與D0A的聯(lián)合估計是本發(fā)明的關鍵，決定了系統(tǒng)的復雜度和工程可實現(xiàn)性。本發(fā)明的技術方案具體實現(xiàn)過程如下(1)、寬帶接收機條件下確定稀布陣系統(tǒng)指標由測向分辨率確定天線尺寸，由系統(tǒng)要求確定陣元個數(shù)。(2)陣元間距優(yōu)化過程模擬遺傳算法進行的陣元間距優(yōu)化，把陣元間距優(yōu)化的可行解從解空間轉換為遺傳算法所能處理的搜索空間的方法，先設定適應度函凄t，采用天線陣列輸出空間方向圖的主副瓣比作為適應度函數(shù)，然后隨機產(chǎn)生滿足稀布陣系統(tǒng)指標的一組初始天線陣元間距并對其進行編碼才喿作，得到滿足遺傳算法要求的二進制編碼，即遺傳算法中的個體基因；將這些基因串接成遺傳算法中的個體，組成初始種群；計算種群中個體的適應度函數(shù)值，依據(jù)個體的適應度函數(shù)值，模擬遺傳算法對群體反復進行基于遺傳學的操作，以并行方式搜索群體中輸出方向圖的主副瓣比最優(yōu)個體，從而獲得最優(yōu)的陣元間距；(3)測頻過程從優(yōu)化所得的陣元間距得到最優(yōu)陣列流形，基于該陣列流形進行頻域檢測，先對各陣元通道回波數(shù)據(jù)進行時頻變換FFT;然后對FFT變換后的結果搜索譜峰，并根據(jù)給定的門P艮值對譜峰進行過門限檢測，記錄過門限譜峰對應的復凄t值和相應的頻點坐標A;(4)測向過程實現(xiàn)頻域的多目標測向算法，所有陣元通道根據(jù)頻點坐標A取出相應位置的頻域復數(shù)值構成頻域峰值快拍矢量y()，對利用y("j隨著方向掃描得到的空間譜進行過門限檢測，并記錄過門限空間譜峰的對應方向，即目標方向，從而完成與頻率y;相配對的目標D0A估計，實現(xiàn)電子偵察中寬帶接收才幾多窄帶目標的精確4全測。根據(jù)本發(fā)明，所說的陣元間距優(yōu)化要滿足測向分辨率和空間無模糊測向的要求，采用稀布陣突破瑞利限指標以提高測向分辨率，同時利用不均勻布陣的陣元間距優(yōu)化設計解決測向模糊問題。本發(fā)明所述的陣元間距優(yōu)化要同時對沿X軸和Y軸分布的陣元進行優(yōu)化，優(yōu)化準則為滿足沿X軸和Y軸排布的陣列孔徑等于32倍半波長，相鄰陣元間距不小于半波長的條件下，天線方向圖的主副瓣比最大。本發(fā)明采用模擬遺傳算法對群體反復進行選擇、交叉和變異操作，搜索最優(yōu)陣元間距的步驟如下①選擇依據(jù)每個個體即每種陣元間距的輸出方向圖的主副瓣比選擇復制個體，先算出每個個體的期望生存概率M朋(D/^M朋(;^)，m-l,2…,M,然后對1個體進行輪盤賭復制操作，操作中每個個體被復制到下一代的數(shù)目為Mx[MSi(Zm)/|;MSi(Xm)]，m=l,2,...,M，重復執(zhí)行上述操作直至滿足種群M^莫，其1中M為種群規(guī)模，MSR是陣元間距對應的空間方向圖的主副瓣比；②交叉將兩個個體的部分基因相互交換，形成新的表現(xiàn)型個體，首先對種群中的M個個體分別在(0,1)區(qū)間內(nèi)產(chǎn)生M個對應的隨機數(shù)^-l，2,…,M，根據(jù)設定的交叉概率《，如果rjg，則對應的第i個個體將作為進行交叉的一個父代個體；然后將選出的父代個體們隨機分對，再從[2,A:-1]區(qū)間中產(chǎn)生一個隨機整凄"乍為交換點的位置，其中k為個體總長，交換點之后的兩個父仗基因相互進行交換，則可得到新的個體；③變異將每個個體都視為父代個體，對應每個個體的每一個基因位置，在之間產(chǎn)生對應的隨機數(shù)w-l，2,…J，根據(jù)設定的變異概率^，若^<P，/=l，2,...,;t則對該位基因實行變異，即O變l,l變O;通過變異產(chǎn)生新個體；④經(jīng)過一輪遺傳操作之后，得到了新的種群，將新種群中最優(yōu)的個體與上一代中最優(yōu)的個體進行適應度函數(shù)值的比較，若新個體的適應度函數(shù)值更高，則被保留下來；反之，則用上一代種群中的最優(yōu)個體替代新種群中的最差個體；其次最優(yōu)個體的陣元間距還要滿足不大于32倍半波長的優(yōu)化準則；⑤對最優(yōu)個體按照編碼規(guī)則，進行解碼操作，得到對應的滿足要求的一組最優(yōu)陣元間距。根據(jù)本發(fā)明，所說的測頻過程中對頻域峰值進行過門限檢測的方法如下(1)首先通過對各陣元通道回波數(shù)據(jù)進行時頻變換，使信號相干積累而噪聲非相干疊加，以提高信噪比，增強系統(tǒng)對弱小目標的偵察能力；(2)由給定的門限值對頻域峰值進行過門I^險測時，過門限語峰的個數(shù)就是獨立4言號源的個數(shù)。根據(jù)本發(fā)明，所說的測向過程中，利用頻域峰值快拍矢量yK)隨著方向維掃描形成的空域譜進行過門FM企測時，過門限的多個i普峰分別對應多個相干目標，確定了頻率為A的相干信號源的個數(shù)。本發(fā)明用于寬帶相控陣陣元間距優(yōu)化和頻域多目標測頻測向方法，具有(1)根據(jù)時域及空域譜峰的個數(shù)即可確定總信號源的數(shù)目，無需對信號源個數(shù)進行提前估計，P爭低了運算量；(2)利用頻域峰值快拍測頻測向聯(lián)合算法，該測向算法對獨立信號源及相干信號源均有效；克服了當目標中有相干信號和部分相關信號時傳統(tǒng)測向方法的局限性。(3)所測頻率與到達角DOA實現(xiàn)自動配對，無需配對運算，降低運算量的同時^更于工程實現(xiàn)。本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比具有以下特點和優(yōu)勢①在寬帶接收機條件下陣元間距的選取中，兼顧測向分辨率和不模糊測向的要求，采用不均勻布陣加大天線尺寸提高測向分辨率；在加大陣元間距的同時利用不均勻布陣陣元間距優(yōu)化設計解決測向模糊問題。②隨機產(chǎn)生一組滿足系統(tǒng)指標要求的初始陣元間距，然后模擬自然遺傳和達爾文進化理論，采用遺傳算法以并行搜索方式對陣元間距進行優(yōu)化，4吏優(yōu)化以后的陣元間距對應天線的空間方向圖有最大主副瓣比。③利用頻域峰值快拍測頻測向聯(lián)合算法。解決了傳統(tǒng)測向算法對相干和部分相關信號測向的局限性以及寬帶條件下多窄帶目標同時測向存在聚焦的問題。④頻域峰值快拍測頻測向聯(lián)合算法能夠實現(xiàn)所測頻率和D0A的自動配對，無需配對運算，降低運算量的同時便于工程實現(xiàn)。圖1是本發(fā)明的系統(tǒng)實現(xiàn)框圖圖2是本發(fā)明的算法過程流程圖圖3是本發(fā)明所采用的陣列模型圖4是本發(fā)明中采用遺傳算法優(yōu)化陣元間距的流程圖圖5是本發(fā)明中陣元間距的遺傳算法收斂曲線圖6是本發(fā)明中測頻算法流程框圖圖7是本發(fā)明中測向算法流程框圖圖8是本發(fā)明中同時有兩獨立信號的頻譜圖圖9是本發(fā)明圖8對應接收信號協(xié)方差矩陣特征值分布圖圖IO是本發(fā)明圖8對應單陣元接收信號頻譜分析圖圖ll是本發(fā)明圖10對應有信號輸出的頻率通道1的空間譜圖圖12是本發(fā)明圖10對應有信號輸出的頻率通道2的空間語圖圖13是本發(fā)明中兩相干信號的頻譜圖圖14是本發(fā)明圖13對應接收信號協(xié)方差矩陣特征值分布圖圖15是本發(fā)明圖13對應單陣元接收信號的頻譜分析圖圖16是本發(fā)明圖15對應有信號輸出的頻率通道的空間譜圖務沐實施方式圖1和圖2分別是本發(fā)明的系統(tǒng)實現(xiàn)框圖和算法過程流程圖，其中圖1中的采用遺傳算法優(yōu)化陣形的算法實現(xiàn)流程圖可參照圖4;測頻過程的算法實現(xiàn)流程圖可參考圖6,測向過程的算法實現(xiàn)流程圖可參考圖7。參照圖1,在電子偵察所采用的寬帶接收機條件下，為了兼顧測向分辨率和不模糊測向的要求，首先采用遺傳算法進行陣元間距的優(yōu)化即將所優(yōu)化問題的目標函數(shù)看作是適應度函數(shù)即物種對于其生存環(huán)境的適應程度，將優(yōu)化問題的待求變量看作是生物群體中個體的基因，對其進行編碼操作，并把編碼串接成一個個體，由多個個體組成一個種群，對種群中的個體依據(jù)適應度函數(shù)值，反復進行選擇、交叉和變異操作，依據(jù)適者生存、優(yōu)勝劣汰的原則，以并行方式來搜索群體中的最優(yōu)個體，從而得到最優(yōu)的陣元間距；然后基于優(yōu)化以后的的陣列流形對各陣元通道回波數(shù)據(jù)進行FFT時頻變換，使信號相干積累而噪聲非相干疊加以提高信噪比，增強系統(tǒng)對弱小目標的偵察能力；然后對FFT后的結果搜索譜峰，并對語峰進行過門卩測(過門限的多個譜峰分別對應多個獨立目標)，過門限譜峰的個數(shù)就是獨立信號源的個數(shù)，記錄過門限譜峰對應的復數(shù)值和相應的頻點坐標/A;其它通道根據(jù)頻點坐標取出相應位置的頻域復數(shù)值(如各頻點的最大值或多頻點的值)構成相應的頻域峰值快拍矢量y("J,利用y()完成相應頻率義的空間D0A估計，實現(xiàn)電子偵察中寬帶接收機多窄帶目標的精確;險測。上述的本發(fā)明多窄帶目標精確才會測方法，在其算法流程中的陣列流形優(yōu)化過程，頻域的多目標測頻測向過程是本發(fā)明的核心，下面對它們的實現(xiàn)過程進行說明，并結合圖3到圖16分別說明在實施中產(chǎn)生的效果。1、陣元間距優(yōu)化過程參照圖4，基于遺傳算法的陣元間距化過程的基本方案是先根據(jù)本發(fā)明的具體要求設定的適應度函數(shù)，即天線陣列輸出的空間方向圖的主副瓣比；然后對隨機產(chǎn)生且滿足稀布陣系統(tǒng)指標的一組初始天線陣元間距進行編碼操作，得到滿足遺傳算法要求的O、l二進制編碼，即遺傳算法中的個體基因，然后將這些基因串接成遺傳算法中的個體，由多個個體組成初始種群，并計算種群中個體的適應度函數(shù)值；然后模擬自然遺傳和達爾文進化理論，依據(jù)個體適應度函數(shù)值對群體反復進行選擇、交叉和變異操作，以并行方式搜索群體中的最優(yōu)個體，從而獲得最優(yōu)的陣元間距。不失一般性本發(fā)明所采用的陣列模型如圖3所示(一般由系統(tǒng)總體確定)，為不均勻L陣列。陣元布置在飛積4幾身或衛(wèi)星平面(XOY平面)，本發(fā)明設第n個陣元的坐標為(x",凡)，("=1，2".13)。假設有K個窄帶目標&")(it=l，2...〖)，每個目標的來向為(&,^)，其中《為俯仰角，％為方位角，目標的頻率為厶。對于寬帶接收機，陣列輸出矩陣表達式為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage13</formula>邵)=[柳,12(,),...,&(,)]'(2)，)=".,"M(/)]r(3)S(,)=,4),..,，r(4)"(/)cG(0,o"2/m)，C為高斯分布，A(^p,/)是MxK維的導向矩陣,其中^是第n個陣元接收到的第k個目標的導向矢量，對于全向的陣元定義為"=e力.2;r/A(jf"cos《sin^+^sin《sin爐A)/c(5)基于本發(fā)明所針對的具體模型，考慮到天線陣元間存在的空間耦合，需要同時對沿X軸和Y軸分布的陣元進行優(yōu)化，參照圖4的具體優(yōu)化過程如下首先設定適應度函數(shù)。本發(fā)明中所要求的陣元間距需同時滿足測向分辨率和空間無模糊測向的要求，所以本發(fā)明釆用天線陣列輸出方向圖的主副瓣比作為適應度函數(shù)。一般認為方向圖的主副瓣比越高，測向效果越好。而由不同的陣元間距排布一般情況下對應著不同的輸出方向圖的主副瓣比。本發(fā)明利用遺傳算法尋找滿足要求的天線陣列就是利用遺傳算法尋找輸出方向圖的主副瓣比最高的個體，這個個體即對應所要求的陣元間距。結合具體實現(xiàn)還要求，優(yōu)化準則為滿足沿X軸和Y軸排布的陣列孔徑等于32倍半波長，相鄰陣元間距不小于半波長的條件下，天線方向圖的主副瓣比最大。其次進行編碼操作。在遺傳算法中把一個優(yōu)化問題的可行解從其解空間轉換到遺傳算法所能處理的搜索空間的轉換方法稱為編碼。本發(fā)明采用二進制編碼的方法，將陣元間距優(yōu)化問題轉換為遺傳算法所能處理的0,l編碼串。由于上述才莫型中天線尺寸固定，即陣元個數(shù)N固定，且X軸和Y軸的天線孔徑(即天線長度)固定，所以本發(fā)明中沿X軸和Y軸需要優(yōu)化的陣元間距分別為！2個，故選間距(《2…d^3和^《2…d^3作為待求變量，則、dw分別為《-;y謂(《乂2…d和《-做m(《2..氣^)，其中《,《為沿X軸和Y軸排列的天線長度。將這iV-3個陣元間距用一定位數(shù)的二進制編碼表示，轉換后的二進制編碼所占位數(shù)由陣元間距所要求的動態(tài)范圍和精度來確定。將不同間距對應的二進制碼按先后順序串接起來即得到個體，多個個體組合在一起，形成一個種群。其中種群中個體的數(shù)目，稱為種群M^莫。例l,設陣元為13個，假設一種陣元間距為X軸(O,0),(0,3)，(0,9),(0，10),(0，17)，(0,21)，(0，32)，Y軸(4,0),(8，0),(6,0)，(11,0)，(15，0),(32，0)(其中陣元位置的單位為半波長)。X軸和Y軸對應的前5個的陣元間距為X軸(3,6，1，7,4);Y軸(4,4，2，5，4)(單位為半波長)，這組陣元間距對應的方向圖的主副瓣比為1.5579若編碼位數(shù)設置為5,這組陣元間距轉換后對應的二進制編碼為X軸(00011，00110,00001,00111,00100);Y軸(00100,00100,00010,00101，00100)，這些0、l編碼即為遺傳算法中的基因，然后按照先后順序將它們串接成個體oooii;ooiio;ooooi;ooiu;ooioo;ooioo;ooioo;oooio;ooioi;ooioo,個體長度為50。多個這樣的個體就組成了一個種群。之后對種群中的個體進行遺傳操作。在遺傳算法中，通常釆用J.Holland教授提出的輪盤方式選擇復制個體，每個個體進入下一代的概率等于它的適應度值與整個種群中個體適應度值和的比，適應度值越高，被選中的可能性越大，進入下一代的概率就越大。在本發(fā)明中則是依據(jù)每個個體即每種陣元間距的輸出方向圖的主副瓣比來進行選擇的。因此在本發(fā)明的操作過程中需要先計算出每個個體的期望生存概率MS7d)/ZMSi(Z附),附1,2…，M,然后對個體進行輪i盤賭復制操作，即每個個體被復制到下一代的數(shù)目為Mx[MSi(^)/藝MS及(v^)],w-l,2,…,M,依次執(zhí)行直至滿足種群M^莫，其中M為種1群莫。交叉是遺傳算法中產(chǎn)生新個體的主要手段，它是將兩個個體的部分基因相互交換，形成新的表現(xiàn)型個體。本發(fā)明在具體操作過程中，首先對種群中的M個個體分別在(O,1)區(qū)間內(nèi)產(chǎn)生M個對應的隨機數(shù)w、l,2,…,M，本發(fā)明隨才幾數(shù)的產(chǎn)生是完全概率性的，不依賴于任何參數(shù)。根據(jù)設定的交叉概率《(一般取為0.25□0.75)，如果^<Pe,則對應的第i個個體將作為進行交叉的一個父代個體，然后將選出的父代個體們隨機分對，再從[2，"1]區(qū)間中產(chǎn)生一個隨機整數(shù)作為交換點的位置，其中k為個體總長，交換點之后的兩個父代基因相互進行交換，則可得到新的個體。例2，若設置交叉概率g為0.5,則M個個體中對應隨機數(shù)小于0.5的個體都將作為父代染色體，隨機分對。假設例1中的個體在這里對應的隨機數(shù)為0.25,并且與另一個對應隨機數(shù)為0.1的個體分為一組，則在這兩個父代個體間進行交叉操作，交叉?zhèn)€體為00011001100000100111001000010000100000100010100100和00010001100001100111001000010001100000100010100100(這個個體對應的陣列間距為X軸(2,6，3,7,4)Y軸(4，12，2,5，4)),隨后產(chǎn)生一個隨才幾的整數(shù)31,則交換點為31,進行交叉操作得到兩個新個體31交叉前0001100110000010011100100001000;01000001000101001000001000110000110011100100001000;1100000100010100100交叉后0001100110000010011100100001000;11000001000101001000001000110000110011100100001000;0100000100010100100如果按照前面的編碼規(guī)則，對其進行解碼操作，可以得到兩個新個體對應的陣列間距，且兩個陣元間距是與父代個體不同個體l:X軸(3,6，1，7,4)Y軸(4，12，2，5,4)，對應的主副瓣比為:1.1606個體2:X軸(2，6，3，7,4)Y軸(4,4，2，5,4)，對應的主副瓣比為:1.5685變異是產(chǎn)生新個體的另一種方法，是將某一個體的某一位基因進行補運算。類似交叉操作選擇父代的過程，本發(fā)明在具體操作過程中個體變異位置的確定也是釆用隨機的方法產(chǎn)生。例如，在本發(fā)明中，將每個個體都視為父代個體，對應每個個體的每一個基因位置，在之間產(chǎn)生對應的隨機數(shù)^/=1，2，...,)5:，根據(jù)設定的變異概率4，一般取為(0.001D0.05)，若5<^，/=1,2"..，^:則對該位基因實行變異，即O變l,l變0。例3，若設交叉概率為O.05,對例2中的第一個新個體，產(chǎn)生一組[O,l]范圍內(nèi)的隨機數(shù)，其中對應個體中第24，31和41位基因的隨機數(shù)分別為0.0099，0.0153,0.0196,它們小于O.05，則對這些位置的基因進行變異操作，得到一個新個體變異前00011001100000100111001000010001100000100010100100變異后00011001100000100111001100010011100000101010100100按照前面的編碼規(guī)則，對其進行解碼才喿作，可以得到新個體對應的陣列間距為X軸(3，6，1,7，6)Y軸為(6,28,2，21,4),由于這個新個體Y軸的陣元間距超過了32倍的半波長，不滿足對陣元間距優(yōu)化準則的條件，為了滿足實際情況，認為變異操作失敗，這個個體仍為操作前的個體，這一判斷操作也同樣出現(xiàn)在交叉操作之后。經(jīng)過一輪遺傳操作之后，得到了新的種群，為了實現(xiàn)尋優(yōu)目的，將新種群中最優(yōu)的個體與上一代中最優(yōu)的個體進行適應度函數(shù)值的比較，若新個體的適應度函數(shù)值更高，說明新一代群體更適應生存環(huán)境，也就是新的陣元間距更接近問題的要求，它們將被保留下來；反之，則用上一代種群中的最優(yōu)個體替代新種群中的最差個體，使適應度值高的個體得以保留下來，便于搜索到最優(yōu)的解。如在例2中，所得的新個體對應了一組新的陣元間距個體l:X軸(3,6,1，7,4)Y軸(4,12，2,5，4)，這個新個體對應的適應度函^t值即主副瓣比為1.1606,低于原來的父代個體的適應度函數(shù)值l.5579。另一個體2:X軸(2，6，3,7,4)Y軸(4,4,2,5，4)，對應的主副瓣比為1.5685，高于原來的父代個體的適應度函數(shù)值l.5579。顯而易見，個體l將被淘汰，個體2為優(yōu)選解。設計終止代數(shù)，依此循環(huán)迭代，不斷由父代產(chǎn)成適應度更好的子代，直至滿足終止條件，得到最優(yōu)個體即輸出方向圖主副瓣比最大時對應的天線陣元間距。最后對最優(yōu)個體按照編碼規(guī)則，進行解碼操作，就可得到對應的滿足本發(fā)明要求的一組最優(yōu)陣元間距，整個優(yōu)化過程結束。本發(fā)明在陣元間距的選取時所做如下改進(1)、寬帶接收機條件下確定稀布陣系統(tǒng)指標由測向分辨率確定天線尺寸，系統(tǒng)要求確定陣元個數(shù)。(2)、陣元間距優(yōu)化的過程中要滿足測向分辨率和空間無模糊測向的要求，采用稀布陣突石皮瑞利限指標以提高測向分辨率，同時利用不均勻布陣的陣元間距優(yōu)化設計解決測向模糊問題。(3)、如前所述，采用一種二進制編碼的遺傳算法來搜索最優(yōu)陣元間距，利用較小的運算復雜度來搜索全局最優(yōu)值。從而獲得最優(yōu)的陣形。本發(fā)明選擇陣元總數(shù)13個，X軸和Y軸上的陣元排布方式相同，陣元個數(shù)都為7個，其中原點兩維陣元共用，陣元排布用上節(jié)算法優(yōu)化，需優(yōu)化的陣元個數(shù)為13(兩維同時優(yōu)化)。射頻接收機范圍為2G一6GHz，瞬時接收機帶寬500MHz，要求測向精度優(yōu)于0.5度，測向分辨率優(yōu)于5度。陣元不等間距排布，以;tre/=0.15m(對應2GHz的波長)為參考，對于〉2GHz的信號來說，陣元互耦可不考慮，又由于不等間距排布，在感興趣的角度范圍內(nèi)，Music譜無沖莫糊。陣元稀布，對于2GHz的信號，總孑L徑為Z=32(;ire//2)=2.4m,所以=0.886"re/X180=lx5i=3i9。<5。，對于〉2(}}12的信號，《必更小。13個陣元丄x;r16的陣元間隔為12,因為總陣元尺寸已定，且原點兩維共用，故需優(yōu)化的陣元間隔為io個，考慮到陣元互耦的影響，相鄰陣元間距>(;^/2)。故優(yōu)化準則為max[MSi(Z\)]幾=(《!^2…《6,《!,《2《632(^/2)min(《(;ire//2)其中A是第K種陣列流形(對應的陣元的陣元間距而且相鄰陣元間距必須大于等于(4,/2)?；谶z傳算法的陣列流形優(yōu)化實驗仿真參數(shù)為種群規(guī)模為50，交叉概率O.5，變異概率O.05,進化代數(shù)200代，50次MonteCarlo實驗。圖5是本發(fā)明中50次獨立蒙特卡羅試驗得到的陣形優(yōu)化的遺傳算法收斂曲線，可以看出4艮快收斂到最優(yōu)值(x方向陣元間距分別為l441418,y方向陣元間距為l427315,對應的最優(yōu)適應度值為2.8943dB)。任取一組陣元間距(x方向l37597,y方向l28687)，對應的適應度值為2.1568dB。對兩個等功率獨立信號源(SNR=12dB,F0=[22.5]*10A8;方位角theta=[3035];俯仰角phi=[4045])。比較可見，采用遺傳算法優(yōu)化以后的種群具有較高的適應度值，該陣元間距對應天線的空間方向圖有豐支高主副瓣比。2、測頻it^基于上述優(yōu)化以后得到的最優(yōu)陣元間距(x方向1441418,y方向1427315)，頻域峰值快拍測頻測向聯(lián)合算法的基本方案是參照圖6，測頻算法具體實施過程首先對回波數(shù)據(jù)做時頻變換，即對各天線陣元通道的數(shù)據(jù)分別做N點FFT。對于點頻和脈沖信號，該變換使信號相干積累，而噪聲非相干疊加，信噪比提高#倍，因此增強了系統(tǒng)對弱小目標的偵察能力。然后測頻并獲取頻域樣本，任意選一個通道，對該通道FFT后的結果搜索語峰，并對譜峰值進行頻域過門限檢測，確定獨立信號源的個數(shù)，記錄過門限的譜峰對應的復數(shù)值(過門限的多個譜峰分別對應多個獨立的目標)和相應的頻點坐標/4，其它通道根據(jù)頻點坐標A取出相應位置的頻域復數(shù)值(如各頻點的最大值或多頻點的值)構成相應的數(shù)據(jù)矢量y("J,稱為頻域峰值快拍矢量，可進一步寫為y("t)=As(wA)+w("J(9)其中s(",)-[^("J，;y2("J，…,^("J]T為K個信號在頻域wft的輸出矢量，^"》=[^"4)，...，^()]1為噪聲在頻域的輸出。頻率估計，釆用補充Rife方法進行頻率估計<formula>formulaseeoriginaldocumentpage20</formula>(12)則其中I為Z維單位陣。3、測向it^根據(jù)測頻過程中得到的頻域峰值快拍矢量y("J完成相應頻率/ft的空間D0A估計。參照圖7，測向算法具體實施過程中，首先對每一個快拍矢量y("J，采用<formula>formulaseeoriginaldocumentpage21</formula>(10)空域搜索語峰，并對隨著方向掃描得到的相應頻率A的空間語進行過門P峻測，確定相干信號源的個數(shù)(過門限的多個譜峰分別對應多個相干目標)，并記錄過門限空間譜峰的對應方向，^v而完成相應頻率義的空間doa估計。其中<formula>formulaseeoriginaldocumentpage21</formula>對上式(io)分析可得，k個獨立信號源情況下，當r個信號譜峰間隔較大(至少大于頻域譜峰3dB寬度)時，不同信號頻i普之間的影響較小，即第i個信號的譜峰僅疊加其它個信號的旁瓣電平。若取第f個信號各通道譜峰最大值構成的矢量，則對其歸一后，其主要由第ir個信號的導向矢量構成。表l為單目標情況下，隨著帶寬增加的測向絕對誤差，仿真^lt為采樣頻率Fs^GHz;單個信號的頻率是4.5GHz(通過接收才幾下變頻處理后為250MHz)，方向為[30,45]度(其中30為方位角，45為俯仰角)，優(yōu)化后的陣元間距為[1244516]，信號帶寬B-[1:0.5:27]M，從1M到27M以步長0.5M分別做測向精度實驗。表1隨著帶寬增加測向的絕對誤差<table>complextableseeoriginaldocumentpage21</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage22</column></row><table>對于兩個獨立信號源情況，帶寬B-5M,目標1的方向為[3020],目標2的方向為[3515],兩個信號的頻率分別是4.45GHz和4.65GHz。通過接收才幾下變頻處理后分別為200M和400M(4.5G對應250M中頻)，其頻譜圖如圖8所示，可以看出有兩個譜峰，則對電子偵察而言，給定門P艮值為第三個譜峰對應值的7倍即500，通過頻域過門卩M全測可以判定有兩個不同頻率的信號，圖9是對13個陣元接收的回波數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣做特征分析后得到的特征值分布圖，可以看出大的特征值有兩個，因此所對應的不同頻的目標為兩個。圖10是單陣元接收的回波信號的頻譜圖，可以看出回波信號中不同頻的窄帶信號有兩個(分別在200MHz和400MHz左右)，與圖8發(fā)射信號的頻譜一致。圖11是200MHz左右所獲取的頻域峰值快拍矢量，通過導向矢量搜索得到的;7(《,％,厶)譜圖，可以看出只有一個譜峰，則對電子偵察而言，給定門限值為第二個譜峰對應值的7到8倍即，通過空域過門限檢測可以判定該頻點有一個獨立信號，其中峰值所對應的兩維方向角就是頻率為200MHz的目標方向。同理，圖12是400MHz目標的戶(《,^,/J譜圖，同樣進行空域過門卩M全測可以估計出頻率為400M的信源數(shù)及到達角。實際測得的結果是目標1頻率為2.0200e8，來波方向為[30.000019.7143]度;目標2頻率為4.0207e8，方向為[35.142915.4286〗度,和實際目標方向相比，測向精度在0.5度以內(nèi)，5度以內(nèi)的兩個目標可以分辨。K個信號中有k0個部分相關信號情況下，當k0個部分相關信號的頻譜之間有重疊，仍取重疊的頻譜快怕或者重疊譜峰的最大值構成的矢量，則它主要由對該i普峰有貢獻的1。個信號導向矢量的線性疊加。K個信號中有k0個相干信號情況下，當k0個相干信號的頻譜重疊，取重疊的頻語快怕或者重疊譜峰的最大值構成的矢量，則它主要由對該頻譜有貢獻的i。個信號導向矢量的線性疊加。在K個信號中有k0個部分相關信號或者有k0個相干信號情況下可以得到y(tǒng)("4。)y(Ao)AAOs(>7io)+w(0)(11)其中下標fcO表征含有A個相干信號的信息。對于兩個信號相干情況，本發(fā)明也^f故了仿真B=5M,目標1的方向是[3020],目標2:[3515];兩個信號的頻率都是4.45GHz。接收信號通過接收機下變頻處理后目標頻率都為200M(4.5G對應250M中頻)，其頻譜圖如圖13所示，同圖8頻域過門I1b險測的過程，可以確定不同頻的信號只有一個，圖13是對12個陣元接收的回波數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣做特征分析后得到的特征值分布圖，也可以看出圖14中大的特征值有一個，從而對應了不同頻的目標只有一個。圖15是單陣元接收的回波信號頻i普圖，可以看出回波信號中有一個窄帶信號(在200MHz左右)，與圖13發(fā)射信號的頻譜基本一致。圖16是200MHz左右所獲取的頻域峰值快拍矢量，通過導向矢量搜索得到的p(《悉,/J譜圖，同圖11空域過門P^險測的過程，其最高的兩個峰值所對應兩維方向角就是頻率同為200MHz的兩個目標的方向。實際測得結果為2.0207e8Hz,目標1的方向為[36.857114.5714];目標2的方向為[28.285720.5714]，和實際目標方向相比，5度以內(nèi)的兩個相干目標可以分辨，在相干情況下測向精度超出了0.5度，而傳統(tǒng)的測向方法如MUSIC，Capon卻不能對相干目標進行分辨。權利要求1.一種用于寬帶相控陣陣元間距優(yōu)化和頻域多目標測頻測向方法，其特征在于該方法包括如下過程(1)在寬帶接收機條件下確定稀布陣系統(tǒng)指標由測向分辨率確定天線尺寸，由系統(tǒng)要求確定陣元個數(shù)；(2)陣元間距優(yōu)化過程模擬遺傳算法進行的陣元間距優(yōu)化，把陣元間距優(yōu)化的可行解從解空間轉換為遺傳算法的編碼，先設定適應度函數(shù)，采用天線陣列輸出空間方向圖的主副瓣比作為適應度函數(shù)，然后隨機產(chǎn)生滿足稀布陣系統(tǒng)指標的一組初始天線陣元間距并對其進行編碼操作，得到滿足遺傳算法要求的二進制編碼，即遺傳算法中的個體基因；將各個體基因串接成遺傳算法中的個體，組成初始種群；計算種群中個體的適應度函數(shù)值，依據(jù)個體的適應度函數(shù)值，模擬遺傳算法對群體反復進行基于遺傳學的操作，以并行方式搜索群體中輸出方向圖主副瓣比最優(yōu)的個體，從而獲得最優(yōu)的陣元間距；(3)測頻過程從步驟(2)優(yōu)化所得的陣元間距得到最優(yōu)陣列流形，基于該陣列流形進行頻域檢測，先對各陣元通道回波數(shù)據(jù)進行時頻變換即FFT；然后對FFT變換后的結果搜索譜峰，并根據(jù)給定的門限值對譜峰進行過門限檢測，記錄過門限譜峰對應的復數(shù)值和相應的頻點坐標fk；(4)測向過程實現(xiàn)頻域的多目標測向算法，所有陣元通道根據(jù)頻點坐標fk取出相應位置的頻域復數(shù)值構成頻域峰值快拍矢量y(nk)，對利用y(nk)隨著方向掃描得到的空間譜進行過門限檢測，并記錄過門限空間譜峰的對應方向，即目標方向，從而完成與頻率fk相配對的目標DOA估計。2.根據(jù)權利要求1所述的用于寬帶相控陣陣元間距優(yōu)化和頻域多目標測頻測向方法，其特征在于所說的陣元間距優(yōu)化要滿足測向分辨率和空間無模糊測向的要求，采用稀布陣突破瑞利限指標以提高測向分辨率，同時利用不均勻布陣的陣元間距優(yōu)化設計解決測向模糊問題。3.根據(jù)權利要求1所述的用于寬帶相控陣陣元間距優(yōu)化和頻域多目標測頻測向方法，其特征在于陣元間距優(yōu)化要同時對沿X軸和Y軸分布的陣元進行優(yōu)化，優(yōu)化準則為滿足沿X軸和Y軸排布的陣列孔徑等于32倍半波長，相鄰陣元間距不小于半波長的條件下，天線方向圖的主副瓣比最大。4.根據(jù)權利要求1所述的用于寬帶相控陣陣元間距優(yōu)化和頻域多目標測頻測向方法，其特征在于采用遺傳算法對群體反復進行選擇、交叉和變異操作，搜索最優(yōu)陣元間距的步驟如下①選擇依據(jù)每個個體即每種陣元間距的輸出方向圖的主副瓣比選擇復制個體，先算出每個個體的期望生存概率mw(xJ/J;m幼(J^),w-l,s…，m，然后對1個體進行輪盤賭復制操作，操作中每個個體被復制到下一代的數(shù)目為Mx[ms;(j^)/I;m^(j^)],附-i,2,…,m，重復執(zhí)行上述操作直至滿足種群M^莫，其1中M為種群規(guī)模，MSR是陣元間距對應的空間方向圖的主副瓣比；②交叉將兩個個體的部分基因相互交換，形成新的表現(xiàn)型個體。操作首先對種群中的M個個體分別在0到1區(qū)間內(nèi)產(chǎn)生M個對應的隨機數(shù)。/=1，2，…，M,根據(jù)設定的交叉概率《，如果巧<圮，則對應的第i個個體將作為進行交叉的一個父代個體；然后將選出的父代個體們隨機分對，再從2到A-i區(qū)間中產(chǎn)生一個隨才幾整數(shù)作為交換點的位置，其中k為個體總長，交換點之后的兩個父代基因相互進行交換，則可得到新的個體；③變異將每個個體都視為父代個體，對應每個個體的每一個基因位置，在0到1之間產(chǎn)生對應的隨機數(shù)y-l,2,…，A:，根據(jù)設定的變異概率尺，若;^A,z、l,2,…,/t則對該位基因實行變異，即O變l,l變0;通過變異產(chǎn)生新個體；④經(jīng)過一輪遺傳操作之后，得到了新的種群，將新種群中最優(yōu)的個體與上一代中最優(yōu)的個體進行適應度函數(shù)值的比較，若新個體的適應度函數(shù)值更高，則被保留下來；反之，則用上一代種群中的最優(yōu)個體替代新種群中的最差個體；其次最優(yōu)個體還要滿足陣列孔徑為32倍半波長，相鄰陣元間距不小于半波長的優(yōu)化準則；⑤對最優(yōu)個體按照編碼規(guī)則，進行解碼操作，得到對應的滿足要求的一組最優(yōu)陣元間距。5.根據(jù)權利要求1所述的用于寬帶相控陣陣元間距優(yōu)化和頻域多目標測頻下(1)首先通過對各陣元通道回波數(shù)據(jù)進行時頻變換，使信號相干積累而噪聲非相干疊加，以提高信噪比，增強系統(tǒng)對弱小目標的偵察能力；(2)由給定的門限值對頻域峰值進行過門FM企測時，過門限譜峰的個數(shù)就是獨立信號源的個數(shù)。6.根據(jù)權利要求1所述的用于寬帶相控陣陣元間距優(yōu)化和頻域多目標測頻測向方法，其特征在于所說的測向過程中，利用頻域峰值快拍矢量y()隨著方向維掃描形成的空域譜進行過門PW企測時，過門限的多個譜峰分別對應多個相千目標，確定了頻率為A的相干信號源的個數(shù)。7.根據(jù)權利要求1或5或6所述的用于寬帶相控陣陣元間距優(yōu)化和頻域多目標測頻測向方法，其特4正在于(1)根據(jù)時域及空域譜峰的個數(shù)即可確定總信號源的數(shù)目，無需對信號源個數(shù)進行提前估計，降低了運算量；(2)利用頻域峰值快拍測頻測向聯(lián)合算法，該測向算法對獨立信號源及相干信號源均有效；(3)所測頻率與到達角DOA實現(xiàn)自動配對，無需配對運算，降低運算量的同時4更于工程實現(xiàn)。全文摘要本發(fā)明公開了一種用于寬帶相控陣陣元間距優(yōu)化和頻域多目標測頻測向方法，其目的在于解決寬帶接收機條件下多個窄帶相干和不相干目標的測向、稀布陣的測向分辨率和不模糊測向的矛盾以及有一定通道誤差情況下，盡可能多而精確的偵察目標。該方法的實現(xiàn)為首先采用不均勻布陣，用遺傳算法進行陣元間距優(yōu)化，使之滿足測向分辨率和空間無模糊的同時獲得盡可能高的測向精度；然后基于優(yōu)化所得的陣列實現(xiàn)頻域多目標測頻測向算法，即對各陣元通道的數(shù)據(jù)進行頻域積累、頻域檢測及測頻并實現(xiàn)與頻率自動配對的DOA估計算法；本發(fā)明的算法通過布陣優(yōu)化、頻域峰值快拍測頻測向聯(lián)合算法來完成。可用于機載和星載電子偵察中寬帶接收機的多窄帶目標精確測頻測向。文檔編號G01S3/14GK101349742SQ20081015075公開日2009年1月21日申請日期2008年8月29日優(yōu)先權日2008年8月29日發(fā)明者菲夏,廖桂生,娟張,青徐,操曾,軍李,李云鶴,陶海紅申請人:西安電子科技大學