本發(fā)明屬于陣列信號處理技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種大型共形相控陣天線激活區(qū)選擇的方法。

背景技術(shù)：

陣列信號處理是信號處理領(lǐng)域的一個重要分支，它在雷達(dá)、聲納、通信、導(dǎo)航、地震監(jiān)測、語音信號處理以及生物醫(yī)學(xué)工程等得到了廣泛的應(yīng)用。目前研究的天線陣列一般是線性陣列(直線陣或平面陣)，不存在陣列激活區(qū)選擇的問題。但為獲得更好、更穩(wěn)定的性能，共形相控陣成為新的研究熱點并得到迅速發(fā)展?？紤]到共形陣載體的“遮蔽效應(yīng)”，隨著波束指向的不同，某些角度的入射信號會產(chǎn)生“暗區(qū)”，即并不是所有的陣元都能接收到信號，可被照射到的陣元隨著波束指向的不同而不同，因此需根據(jù)波束的指向的不同確定可照射的陣元，即確定陣列激活區(qū)。由幾何光學(xué)意義確定激活區(qū)范圍是一種比較常用的方法，它利用光的直線傳播原理，將位于光束范圍內(nèi)的區(qū)域作為陣列激活區(qū)，此方法得到的通常是理想的最大有效區(qū)域，但該區(qū)域在波束形成中柵瓣現(xiàn)象較為明顯，為后續(xù)信號處理帶來影響。

在實際設(shè)計中，陣元本身的方向性也是不可或缺的考慮因素，通常陣元法向為最大輻射方向，隨著偏離最大輻射方向角度的增加，其輻射場是逐漸減小的。當(dāng)陣元法向與目標(biāo)方向相差較大時，其在目標(biāo)區(qū)域貢獻(xiàn)較小，甚至可以忽略。采用傳統(tǒng)幾何光學(xué)意義確定激活區(qū)范圍，不僅會包含許多貢獻(xiàn)較小的無效陣元，降低陣元平均利用率，還會導(dǎo)致較為明顯的柵瓣效應(yīng)，進(jìn)而影響后續(xù)信號處理。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明為了解決在大型共形相控陣天線情況下，采用傳統(tǒng)幾何光學(xué)方法確定激活區(qū)導(dǎo)致的陣元利用率低、柵瓣效應(yīng)明顯等問題，提出了一種新的大型共形相控陣天線激活區(qū)選擇的方法。

一種共形相控陣天線激活區(qū)陣元選擇方法，具體步驟包括：

步驟一、計算共形相控陣天線在不同激活區(qū)張角下的天線陣列增益；

步驟二、根據(jù)步驟一得到的不同激活區(qū)張角下天線陣列增益，計算不同激活區(qū)域張角下單個天線陣元平均利用率，并對其求一階導(dǎo)數(shù)；選擇不大于最小一階導(dǎo)數(shù)對應(yīng)的張角β0的角度范圍作為最佳激活區(qū)張角范圍；

步驟三、對比陣列柵瓣效應(yīng)，確定最佳激活區(qū)張角：

首先在激活區(qū)張角為β0的情況下進(jìn)行數(shù)字波束形成得到陣列方向圖，若柵瓣大于或等于設(shè)定值，則逐步減小張角，重新進(jìn)行數(shù)字波束形成，直至得到柵瓣小于設(shè)定值為止，此時對應(yīng)的張角即為最佳激活區(qū)張角；自此，完成了相控陣天線激活區(qū)的選擇。

較佳的，所述步驟一具體包括如下步驟：

①針對天線陣列所接收的信號，建立信號模型：

假設(shè)共形陣天線采用半球面加柱面的形式，某一激活區(qū)張角β下陣元個數(shù)為n(β)，陣元為各向異性，其方向性系數(shù)為其中θ為俯仰角，為方位角，目標(biāo)信號為來自方向的遠(yuǎn)場窄帶信號，假設(shè)各陣元噪聲為相互獨立的、功率相等的高斯白噪聲，則激活區(qū)陣列接收到的信號模型表示為：

式中，為目標(biāo)信號的導(dǎo)向矢量，θ0表示目標(biāo)俯仰角，表示目標(biāo)方位角；設(shè)以共形陣球心為原點建立三維直角坐標(biāo)系，激活區(qū)各陣元坐標(biāo)分別為(xi,yi,zi)，i＝1,2,...,n(β)；各陣元坐標(biāo)在目標(biāo)來向的投影長度分別為λ為波長，則為第i個天線陣元在的方向系數(shù)，[]^t為矩陣轉(zhuǎn)置，⊙為點乘運(yùn)算，s0(t)為目標(biāo)信號的復(fù)包絡(luò)，n(t)＝[n1(t),n2(t),…,nn(β)(t)]^t為陣列噪聲向量，ni(t)為第i個天線陣元的噪聲值；

對各天線陣元信號進(jìn)行相位補(bǔ)償，得到天線陣列輸出信號為：

其中，

②計算天線陣列增益g：

較佳的，步驟二中對所述平均利用率求一階導(dǎo)數(shù)的具體方法為：利用步驟一得到的不同張角下天線陣列增益，分別除以相應(yīng)的激活區(qū)陣元數(shù)n(β)，即可得到不同張角下單個天線陣元平均利用率，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

然后對不同激活區(qū)張角下的天線陣元平均利用率求一階導(dǎo)數(shù)，得到陣元平均利用率在不同張角下的變化情況，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

式中βi、βi+1分別代表第i和第i+1個激活區(qū)張角，ηele(βi)和ηele(βi+1)分別代表第i和第i+1個激活區(qū)張角下天線陣元的平均利用率。

本發(fā)明具有如下有益效果：

本發(fā)明的選擇方法，首先計算不同激活區(qū)張角下天線陣列增益；然后計算不同張角下單個陣元利用率，并對其求一階導(dǎo)，確定最佳激活區(qū)張角范圍；在該張角范圍內(nèi)分別對比各張角下陣列方向圖柵瓣效應(yīng)，最終選擇陣元利用率變化較大且柵瓣效應(yīng)較小的張角作為最佳激活區(qū)張角，能夠有效剔除對目標(biāo)區(qū)域貢獻(xiàn)較小的無效陣元，大大提高了激活區(qū)單個陣元平均利用率；在大型共形相控陣天線情況下，所發(fā)明的激活區(qū)陣元選擇方法能夠有效確定出最佳激活區(qū)張角。在該張角下，陣面性能達(dá)到相對最優(yōu)：既可獲得較高的陣元利用率又可使陣列方向圖柵瓣效應(yīng)降低，有效減小激活區(qū)區(qū)域，降低硬件成本，同時避免柵瓣等不良效應(yīng)對后續(xù)信號處理的影響。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實施方式的信號處理流程圖；

圖2為實施例采用的共形陣天線形式(半球面加柱面)；

圖3為實施例坐標(biāo)角度示意圖；

圖4為實施例采用的單個陣元方向圖；

圖5為不同波束指向下天線陣列增益隨張角的變化曲線；

圖6為不同波束指向下陣元利用率隨張角的變化曲線；

圖7是不同波束指向下陣元利用率一階導(dǎo)數(shù)隨張角的變化曲線；

圖8是不同激活區(qū)張角下天線陣列方向圖在俯仰向的切面圖；

圖9是不同激活區(qū)張角下天線陣列方向圖在方位向的切面圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖并舉實施例，對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述。

本發(fā)明的一種大型共形相控陣天線激活區(qū)陣元選擇方法，處理流程如圖1所示，其具體步驟包括：

步驟一、計算不同激活區(qū)張角下天線陣列增益，具體包括如下步驟：

①針對天線陣列所接收的信號，建立信號的模型：

假設(shè)共形陣天線采用半球面加柱面的形式，某一激活區(qū)張角β下陣元個數(shù)為n(β)，陣元為各向異性，其方向性系數(shù)為其中θ為俯仰角，為方位角，目標(biāo)信號為來自方向的遠(yuǎn)場窄帶信號，θ0表示目標(biāo)俯仰角，表示目標(biāo)方位角；假設(shè)各陣元噪聲為相互獨立的、功率相等的高斯白噪聲。則激活區(qū)陣列接收到的信號模型可表示為：

式中，為目標(biāo)信號的導(dǎo)向矢量，θ0表示目標(biāo)俯仰角，表示目標(biāo)方位角；設(shè)以共形陣球心為原點建立三維直角坐標(biāo)系，激活區(qū)各陣元坐標(biāo)分別為(xi,yi,zi)，i＝1,2,...,n(β)；各陣元坐標(biāo)在目標(biāo)來向的投影長度分別為λ為波長，則為各陣元在的方向系數(shù)，為第i個天線陣元在的方向系數(shù)，[]^t為矩陣轉(zhuǎn)置，⊙為點乘運(yùn)算，s0(t)為目標(biāo)信號的復(fù)包絡(luò)，n(t)＝[n1(t)，n2(t)，…，nn(β)(t)]^t為陣列噪聲向量，ni(t)為第i個天線陣元的噪聲值；

在實際應(yīng)用環(huán)境中，通常需要對各陣元信號進(jìn)行相位補(bǔ)償，從而使雷達(dá)主波束指向期望的信號方向，保證信號的無損接收。由常規(guī)波束形成原理可知，此處合適的陣元加權(quán)矢量就是期望信號的導(dǎo)向矢量，即

相位補(bǔ)償后天線陣列輸出為：

其中，

②計算天線陣列增益

天線陣列增益定義為陣列輸出信噪比與單個陣元上的輸入信噪比的比值，即

式中，snrarray代表陣列輸出信噪比，snre代表單個陣元上的輸入信噪比。

具體推導(dǎo)如下：

陣列輸出的期望信號功率為

其中，e(·)表示求數(shù)學(xué)期望，表示輸入信號的功率；

陣列輸出噪聲功率為

表示噪聲功率；

則天線陣列輸出信噪比為

故天線陣列增益為

遍歷不同的激活區(qū)張角，即可得到天線陣列增益隨激活區(qū)張角的變化曲線。

步驟二、計算不同張角下單個陣元平均利用率，并對其求一階導(dǎo)：

首先利用步驟一得到的不同張角下天線陣列增益，分別除以相應(yīng)的激活區(qū)陣元數(shù)n(β)，即可得到不同張角下單個陣元平均利用率，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為

然后對不同激活區(qū)張角下的陣元平均利用率求一階導(dǎo)數(shù)，得到陣元平均利用率在不同張角下的變化情況，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為

式中βi、βi+1分別代表第i和第i+1個激活區(qū)張角,ηele(βi)和ηele(βi+1)分別代表第i和第i+1個激活區(qū)張角下天線陣元的平均利用率。

由上式計算得到一階導(dǎo)數(shù)，其最小值點(通常為負(fù)值)意味著在該張角處β0陣元利用率下降最大，故選擇不大于該張角β0的角度范圍作為最佳激活區(qū)張角范圍。

步驟三、對比陣列柵瓣效應(yīng)，確定最佳激活區(qū)張角

對于共形陣列，激活區(qū)張角越大，天線陣列增益就越大，但柵瓣效應(yīng)隨之增強(qiáng)。為獲的較大的陣列增益，此處首先在激活區(qū)張角為β0(由步驟二得到的激活區(qū)范圍最大值)的情況下進(jìn)行數(shù)字波束形成得到陣列方向圖，若柵瓣較大，則逐步減小張角，重新進(jìn)行數(shù)字波束形成，直至得到柵瓣小于特定值為止，此時對應(yīng)的張角即為最佳激活區(qū)張角。

自此，就完成了一種大型共形相控陣天線激活區(qū)的選擇。

實施例

為了進(jìn)一步說明本發(fā)明提出的一種大型共形相控陣天線激活區(qū)選擇的方法，以下進(jìn)行天線陣列增益、單個陣元利用率及其一階導(dǎo)數(shù)、激活區(qū)陣列方向圖等仿真，仿真采用半球面加柱面的共形陣天線形式(見圖2)，約3萬個陣元，其中坐標(biāo)角度定義見圖3，θ為俯仰角，為方位角，單個陣元方向圖如圖4所示。

圖5是不同波束指向下天線陣列增益隨張角的變化曲線。由仿真結(jié)果可知，當(dāng)波束指向為(5°，270°)時，激活區(qū)在球面和柱面均有分布，波束指向為(85°，270°)時，激活區(qū)主要分布在球面上，但兩者陣列增益均隨著張角增大逐漸增大，最后趨于平緩，變化趨勢相似。

圖6是陣元利用率隨張角的變化曲線。由仿真結(jié)果可知，不管波束指向為(5°，270°)還是(85°，270°)，陣元平均利用率均在較小張角范圍內(nèi)逐漸增大，在40°達(dá)到最大值，之后平均利用率值逐漸減小。

圖7是陣元利用率一階導(dǎo)數(shù)隨張角的變化曲線，代表陣元利用率在不同張角下的變化情況。由仿真結(jié)果可知，雖然波束指向不同，但陣元利用率一階導(dǎo)數(shù)值均在65°左右達(dá)到最小，意味著利用率值在此張角左右下降最多。因此激活區(qū)角度的選擇受波束指向影響很小，不同波束指向下最佳張角值均應(yīng)在65°附近。

經(jīng)過上述仿真分析，應(yīng)選擇不大于65°的張角作為最佳張角值。圖8和圖9分別是不同激活區(qū)張角下天線陣列方向圖在俯仰向和方位向的切面圖，由仿真結(jié)果可知，盡管張角為65°時對應(yīng)的柵瓣數(shù)量多于張角為60°的情況，但兩者柵瓣值均低于-30db，對后續(xù)信號處理影響較小。

綜合圖4～圖9可以得到，在該陣面參數(shù)下，最佳激活區(qū)張角為65°。本發(fā)明所涉及的激活區(qū)陣元選擇方案，既可得到較高的陣元利用率又可降低陣列方向圖柵瓣效應(yīng)的影響。

綜上所述，以上僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并非用于限定本發(fā)明的保護(hù)范圍。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。