本發(fā)明涉及無線通信、信號處理
技術(shù)領(lǐng)域：
，特別是涉及基于混合算法的平面陣列天線和差波束方向圖合成方法。
背景技術(shù)：
：平面天線和差波束天線方向圖綜合優(yōu)化方法是一種僅改變部分陣元的電流激勵以及相位激勵來實(shí)現(xiàn)和、差波束之間轉(zhuǎn)換的技術(shù)。在很多實(shí)際應(yīng)用中，抑制陣列方向圖的旁瓣是一個基本且十分重要的問題，對于采用單脈沖技術(shù)的雷達(dá)系統(tǒng)，需要對和波束及差波束的旁瓣同時進(jìn)行抑制，為此可在陣元上采用兩種形式的加權(quán)，用于和波束的Taylor加權(quán)及用于差波束的Bayliss加權(quán)，但針對包含有幾百至幾千個陣元的大型相控陣?yán)走_(dá)，饋電網(wǎng)絡(luò)將會及其復(fù)雜，為降低系統(tǒng)的復(fù)雜性，研究僅改變部分陣元的電流激勵以及相位激勵來實(shí)現(xiàn)和、差波束之間的轉(zhuǎn)換，有著極為重要的工程應(yīng)用價值。針對上述問題，常規(guī)的解決方法是智能優(yōu)化算法,如文獻(xiàn)M.Alvarez-Folgueiras,J.Rodriguez-Gonzales,andF.Ares-Pena,中基于模擬退火(SimulatedAnnealing)的改進(jìn)型全局優(yōu)化算法，但智能優(yōu)化方法處理單元的數(shù)量較多時，優(yōu)化變量將激增，導(dǎo)致優(yōu)化過程極為耗時，優(yōu)化的結(jié)果無法逼近理想和差波束方向圖。本發(fā)明結(jié)合改進(jìn)迭代傅里葉算法(MIFT,ModifiedIterativeFourierTechnique)與二次規(guī)劃算法(Quadratic0ptimization，QP)兩種技術(shù)進(jìn)行和差波束方向圖綜合，首先利用MIFT方法計算滿足和差波束副瓣要求所對應(yīng)的共用單元激勵值，再利用QP算法平行計算獲得滿足和差波束各自副瓣電平最大值、差波束零點(diǎn)位置斜率、最大方向性系數(shù)等輻射性能所對應(yīng)的共用單元外剩余單元的電流激勵。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：為了解決上述存在的問題，本發(fā)明提供基于混合算法的平面陣列天線和差波束方向圖合成方法，本發(fā)明中的混合優(yōu)化方法回避了傳統(tǒng)IFT算法無法完善和、差波束所有輻射性能以及QP算法當(dāng)未知變量激增時導(dǎo)致計算周期長的缺點(diǎn)，而有效結(jié)合了迭代傅里葉算法以及QP算法無需參數(shù)調(diào)節(jié)且魯棒性強(qiáng)，計算速度快，精度高的特點(diǎn)，最終實(shí)現(xiàn)饋電網(wǎng)絡(luò)簡化，僅通過部分陣元的電流激勵以及相位激勵變化來實(shí)現(xiàn)和、差波束之間的轉(zhuǎn)換，為達(dá)此目的，本發(fā)明提供一種基于混合算法的平面陣列天線和差波束方向圖合成方法，包括以下步驟：步驟一：對平面陣列天線遠(yuǎn)場和、差方向圖做UV面轉(zhuǎn)化，過程如下；其中2M,2N為矩形平面陣列單元數(shù)，單元間距d為半波長，θ與分別對應(yīng)俯、仰角，為對應(yīng)單元的幅相激勵參數(shù),amn、分別為電流和相位激勵參數(shù)，m＝1,...,2M,n＝1,...,2N，設(shè)對(1)式做如下變化，其中和波束遠(yuǎn)場方向圖為差波束遠(yuǎn)場方向圖為設(shè)置w＝[I00,I10,...I(2M-2)(2N-1),I(2M-1)(2N-1)](5)；公式(2)轉(zhuǎn)化為；AF(u,v)＝wc(7)；根據(jù)和差波束方向圖形成特點(diǎn)，將矩形平面陣列規(guī)則分為四象限，對于和波束，采用所有單元等相位激勵，對于差波束方向圖方位面掃描，一、四象限內(nèi)所有單元相位激勵統(tǒng)一為180度，二三象限內(nèi)所有單元相位激勵統(tǒng)一為0度，對于俯仰面掃描，一三或二四象限中相位對調(diào)即可，和波束對應(yīng)各單元的電流激勵如下：形成差波束方向圖對應(yīng)各單元的電流激勵如下：步驟二：利用改近的迭代傅里葉算法,得出滿足副瓣電平、3dB波寬要求的和、差波束方向圖對應(yīng)的單元電流激勵值，并保留其中兩種波束對應(yīng)的相同激勵單元部分的幅值，步驟如下：1)將和差兩種波束對應(yīng)的相同激勵單元部分設(shè)置為；其中Ψ為包含具有相同激勵幅值單元的集合，為更加簡化饋電網(wǎng)絡(luò)，相同激勵幅值單元可被分為若干個子陣，對應(yīng)和、差波束形成的子陣定義如下；2)對進(jìn)行補(bǔ)零處理，首次迭代，和差波束對應(yīng)的所有陣元激勵可設(shè)置為1，變成C×L個值，C、L至少分別大于M、N的4倍整數(shù)，根據(jù)式(3)和(4)計算平面陣列的陣因子AF(u,v)(Σ/Δ)，將輻射區(qū)域的離散取樣點(diǎn)總數(shù)確定為K,將陣因子簡化表述為AF(Σ/Δ)k，k＝1，...K，不可見空間區(qū)域中的值繼續(xù)保留，u2+v2＞1區(qū)域，如下步驟針對“∑”即和波束形式與“Δ”即差波束形式；3)把陣因子AF(Σ/Δ)k歸一化后分解成幅度|AF|(Σ/Δ)k和相位ψ(Σ/Δ)k；4)把|AF|(Σ/Δ)k分為主瓣和副瓣兩個區(qū)域；首先，找出二維方向圖主瓣和副瓣區(qū)域之間的分界線，即主瓣的第一零陷；然后，把零陷以內(nèi)即主瓣區(qū)域內(nèi)3dB波束寬度位置以及周圍區(qū)域中|AF|(Σ/Δ)k的值與理想的方向圖的相同區(qū)域進(jìn)行對比，超出理想方向圖上下波紋的區(qū)域，直接用上下波紋的期望陣因子值代替，在副瓣區(qū)域內(nèi)將|AF|(Σ/Δ)k與期望最大副瓣電平Sll(Σ/Δ)進(jìn)行比較，對于超越最大副瓣電平的區(qū)域，即|AF|(Σ/Δ)k＞Sll(Σ/Δ)，直接用最大副瓣電平值代替，主瓣以及副瓣調(diào)整后，得到新的幅度值|AF|'(Σ/Δ)k，再利用步驟3)中的相位ψ(Σ/Δ)k計算得出新的AF('Σ/Δ)k，公式如下：5)對AF('Σ/Δ)k進(jìn)行二維離散傅里葉逆變換得出C×L個I(Σ/Δ)(c,l)，取前面的M×N個值作為激勵幅值其中和波束對應(yīng)的激勵為差波束包含方位面掃描對應(yīng)的激勵與俯仰面對應(yīng)的激勵在(10)式(m,n)∈Ψ的陣元中，將和差波束分別對應(yīng)的同一單元不同電流激勵取均值處理作為共用激勵單元的幅值Icommon，對于子陣分布情況，將同一子陣集合內(nèi)的所有和差波束對應(yīng)的激勵值求和取均值處理后作為該子陣共同的激勵幅值；6)直至和差波束均滿足理想方向圖的要求，或者達(dá)到最大迭代次數(shù)后停止迭代，否則重復(fù)步驟1-5；步驟三：利用改進(jìn)的二次規(guī)劃算法來改進(jìn)和、差波束方向圖的副瓣電平最大值、差波束零點(diǎn)位置的斜率、方向性系數(shù)及相關(guān)輻射性能參數(shù)，步驟如下：最大方向性系數(shù)由如下表達(dá)式確定:az與el分別對應(yīng)差波束方位面與俯仰面的掃描，ρ、τ與σ均為正數(shù)，其中τ＝σ，合理設(shè)置可有效控制和、差波束的最大方向性系數(shù)；在UV面，將和波束的輻射性能要求歸結(jié)為如下凸優(yōu)化問題：-|AF∑(u0,v0)|＜-kΣ(18)；(u0,v0)為UV面最大輻射增益處所對應(yīng)的位置，kΣ為最大增益限定值；|AF∑(us,vs|)≤UB∑，s＝1,...S(19)；s對應(yīng)副瓣區(qū)域的陣因子，S為副瓣區(qū)域的離散取樣點(diǎn)總數(shù)，UB∑為和波束副瓣最大電平；||AF(us,vs)|2-ds(∑)|≤ε∑(20)；s對應(yīng)主瓣區(qū)域的陣因子，S為主瓣區(qū)域的離散取樣點(diǎn)總數(shù)，ε∑為主瓣區(qū)域?qū)嶋H輻射的方向圖與理想方向圖ds(∑)之間允許的最大差值，合理設(shè)置可有效控制主瓣區(qū)域方向圖的輻射范圍；結(jié)合公式(5)的AF(u,v)＝wc，上式等價轉(zhuǎn)化為；將(21)式做如下變化，其中將由替換，為步驟二算法中求得的和波束對應(yīng)的幅相激勵參數(shù)，w∑為待求的和波束對應(yīng)的激勵值，此處輻射單元(m,n)屬于共用陣元集合外，為保證公式的可靠性，將向量中最大的G個(G小于陣元個數(shù))電流激勵值直接賦給待求復(fù)值向量w∑中的相同激勵單元；在UV面，將差波束的輻射性能要求歸結(jié)為如下凸優(yōu)化問題，以方位面為例，AFΔ(u0,v0)＝0(24)；(u0,v0)為UV面差波束兩主瓣間的零陷處，kΔ為正數(shù)，可有效控制零陷處的最大斜率；s對應(yīng)副瓣區(qū)域的陣因子，S為副瓣區(qū)域的離散取樣點(diǎn)總數(shù)，為差波束副瓣最大電平；參考公式(21，22)得出；εΔ為主瓣區(qū)域?qū)嶋H輻射的方向圖與理想方向圖ds(Δ)之間允許的最大差值，合理設(shè)置可有效控制差波束情況下主瓣區(qū)域方向圖的輻射范圍，與和波束相同，值來源于步驟二。其中此處輻射單元(m,n)屬于共用陣元集合外。為保證公式的可靠性，將向量中最大的V個(V小于陣元個數(shù))電流激勵值直接賦給待求復(fù)值向量waz(Δ)中的相同激勵單元；步驟三的優(yōu)化方程為凸優(yōu)化問題,采用現(xiàn)有的優(yōu)化工具求得滿足上述約束條件下的最優(yōu)性能和、差方向圖分別對應(yīng)的加權(quán)矢量；步驟四：在上述計算過程中，為實(shí)現(xiàn)差波束中各項輻射性能由方位面向俯仰面轉(zhuǎn)換，如零點(diǎn)位置斜率，通過一三或者二四象限中任意一對相位對調(diào)即可完成。本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述平面陣列天線為25×25，單元間距為0.5λ，為簡化饋網(wǎng)絡(luò)，設(shè)置陣面邊緣20％或40％的單元為共用陣元，本發(fā)明可用于以上情況的平面陣列天線。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)方法相比，其有益效果是：1)本發(fā)明的計算效率高且最大化和、差波束各項輻射性能，本方法采用了改進(jìn)的MIFT算法與QP算法相結(jié)合的方法對平面陣列進(jìn)行和差波束方向圖綜合，充分挖掘迭代傅里葉算法的結(jié)果數(shù)值，將和、差波束方向圖綜合問題變成凸二次規(guī)劃模型求解，本方法結(jié)合了迭代傅里葉算法的運(yùn)算速度優(yōu)勢,與傳統(tǒng)的非凸尋優(yōu)問題改進(jìn)方法相比，本發(fā)明中的二次規(guī)劃模型求解過程只需要一步即可完成,最大化和、差方向圖各項輻射性能的同時，有效減少了凸優(yōu)化問題求解過程中的未知變量，縮短了計算求解時間，便于應(yīng)用于實(shí)際工程。2)本發(fā)明通用性好，本方法不依賴平面陣列天線的陣元類型，基于任何類型陣元的平面陣列天線均可采用本方法進(jìn)行綜合，無需智能優(yōu)化算法中的參數(shù)設(shè)置調(diào)節(jié)。附圖說明圖1，和波束UV面三維視圖。圖2，共用20％單元對應(yīng)的差波束UV面三維視圖。圖3，共用40％單元對應(yīng)的差波束UV面三維視圖。具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖與具體實(shí)施方式對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述：本發(fā)明提供基于混合算法的平面陣列天線和差波束方向圖合成方法，本發(fā)明利用MIFT方法計算滿足和差波束副瓣要所求對應(yīng)的共用單元激勵值，再利用QP算法平行計算獲得滿足和差波束各自副瓣電平最大值、差波束零點(diǎn)位置斜率、最大方向性系數(shù)等輻射性能所對應(yīng)的共用單元外剩余單元的電流激勵。作為本發(fā)明一種實(shí)施例，本發(fā)明考慮一個25×25的平面陣列天線，單元間距為0.5λ，為簡化饋網(wǎng)絡(luò)，設(shè)置陣面邊緣20％或40％的單元為共用陣元，表1為和波束對應(yīng)的平面陣列第一象限單元的電流幅度值，表2，表3分別為共用20％和40％單元差波束對應(yīng)的第一象限單元的電流幅度值，圖1為和波束UV面三維俯視圖，圖2為共用20％單元差波束UV面三維俯視圖，圖3為共用40％單元差波束UV面三維俯視圖，表4中，和、差波束方向圖各項性能指標(biāo)，包括最大副瓣電平，和波束最大方向性系數(shù)，差波束零陷位置最大斜率，3dB波束在U面以及V面寬度?！撇ㄊ闆r下方向性系數(shù)達(dá)到36.2，最終得到和波束增益為39.85，共用20％激勵單元的Δ波束情況下方向性系數(shù)達(dá)到18.4，差波束最大零陷處斜率為380.8，副瓣電平最大為-24.1，共用40％激勵單元的Δ波束情況下方向性系數(shù)達(dá)到18.2，差波束最大零陷處斜率為267.7，副瓣電平最大為-22.28，對比現(xiàn)有的采用凸優(yōu)化方法的優(yōu)化結(jié)果，在考慮簡化饋電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的前提條件下，本發(fā)明在旁瓣限制，差波束最大零陷斜率等輻射性能上均有較大進(jìn)步。表10.27570.39360.66220.88101.00000.23030.34520.56730.76930.87550.15540.26260.41770.56160.66040.07680.17010.24900.35690.42850.02280.08170.11940.17370.2267表20.27570.67490.85940.81720.31520.23030.62420.79620.73850.29310.15540.52590.61560.61150.21270.07680.34560.45720.38310.18840.02280.23080.17230.25590.0454表30.27570.39360.64550.62740.24360.23030.34520.57860.56590.21370.15540.26260.45670.42700.18640.07680.17010.30120.31350.10990.02280.08170.17360.15000.0900表4以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并非是對本發(fā)明作任何其他形式的限制，而依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)質(zhì)所作的任何修改或等同變化，仍屬于本發(fā)明所要求保護(hù)的范圍。當(dāng)前第1頁1 2 3