本發(fā)明涉及無(wú)線通信、信號(hào)處理技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及基于MIFT與CP混合算法的僅相位加權(quán)陣列天線波束賦形優(yōu)化方法。

背景技術(shù)：

在許多雷達(dá)應(yīng)用中都需要陣列天線形成指定形狀的波束，以滿足不同任務(wù)的需求。陣列天線波束賦形有多種不同的方法，一般而言可劃分為3類：第一類是單元激勵(lì)電流和相位同時(shí)調(diào)整，即復(fù)數(shù)加權(quán)；第二類是只有單元激勵(lì)電流改變，即僅振幅加權(quán)；第三類是只有單元激勵(lì)相位值改變，即僅相位加權(quán)。對(duì)于有源相控陣天線來(lái)說(shuō)，相位加權(quán)不需要增加硬件設(shè)備，僅需要在存儲(chǔ)器中預(yù)存一組波控碼就能實(shí)現(xiàn)預(yù)想的要求，且并不改變?cè)械墓β史峙渚W(wǎng)絡(luò)，具有較高的靈活性和降低系統(tǒng)的復(fù)雜性等優(yōu)點(diǎn)，有著極為重要的工程應(yīng)用價(jià)值。

針對(duì)這一全局優(yōu)化問(wèn)題，常規(guī)的解決方法是智能優(yōu)化算法,如文獻(xiàn)基于改進(jìn)粒子群算法的僅相位加權(quán)波束賦形，《電子設(shè)計(jì)工程》，Vol.21，No.15，Aug.2013，中的改進(jìn)粒子群算法),但智能優(yōu)化方法處理單元的數(shù)量較多時(shí)，優(yōu)化變量將激增，導(dǎo)致優(yōu)化過(guò)程極為耗時(shí)，優(yōu)化的結(jié)果無(wú)法逼近各理想方向圖。本發(fā)明結(jié)合改進(jìn)迭代傅里葉算法與改進(jìn)的凸優(yōu)化算法兩種技術(shù)進(jìn)行僅相位加權(quán)波束賦形。首先利用MIFT方法計(jì)算得出滿足各自輻射性能要求的方向圖所對(duì)應(yīng)的單元激勵(lì)，并保留其中每種波束所對(duì)應(yīng)的各單元相位激勵(lì)值，再利用CP算法求共用的單元激勵(lì)電流值來(lái)滿足各方向圖更高的輻射性能要求，如各方向圖中更小的主瓣波紋，更低的旁瓣電平值等。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決上述存在的問(wèn)題，本發(fā)明中的混合優(yōu)化方法有效結(jié)合了迭代傅里葉算法以及凸優(yōu)化算法無(wú)需參數(shù)調(diào)節(jié)且魯棒性強(qiáng)，計(jì)算速度快，精度高的特點(diǎn)，最終實(shí)現(xiàn)饋電網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)化，僅通過(guò)陣元的相位激勵(lì)變化實(shí)現(xiàn)不同輻射性能要求的波束賦形，為達(dá)此目的，本發(fā)明基于MIFT與CP混合算法的僅相位加權(quán)陣列天線波束賦形優(yōu)化方法，包括以下步驟：

步驟一：對(duì)等間距線性陣列天線遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖做轉(zhuǎn)化處理，表達(dá)式如下；

M單元直線陣的陣因子可以表示為：

或者f(θ)＝a(θ)^Hw (2)；

其中a(θ)^H＝[1,e^jθ...,e^j(M-1)u]w＝[I₀,I₁...,I_M-1]^T；

其中I_m為第m個(gè)陣元的激勵(lì)電流復(fù)值,θ為偏離陣列法線方向的角度，λ為波長(zhǎng)，d為陣元間距。為保證用改近的迭代傅里葉算法計(jì)算天線方向圖的正確性，MIFT點(diǎn)數(shù)N需滿足大于陣元數(shù)M，且滿足N＝2^v,v為正整數(shù)，計(jì)算過(guò)程中對(duì)I_n進(jìn)行補(bǔ)零處理。從而快速傅里葉變換公式為；

與遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖函數(shù)表達(dá)式(2)等價(jià)一致；

利用表示M個(gè)單元激勵(lì)電流復(fù)值，其中s＝1...S，S為賦形萬(wàn)向圖數(shù)量，滿足僅相位加權(quán)波束賦形變換，需存在共用激勵(lì)電流向量，如下；

即針對(duì)不同的輻射方向圖，陣列的單元激勵(lì)電流值均為共用向量I^common，向量中所有值均為正數(shù)；

步驟二：利用改近的迭代傅里葉算法得出滿足各自輻射性能要求的方向圖所對(duì)應(yīng)的單元激勵(lì)，并保留其中所有賦形波束所對(duì)應(yīng)的共用向量I^common，步驟如下：

1)針對(duì)第S個(gè)方向圖，對(duì)I^s進(jìn)行補(bǔ)零處理,變成N個(gè)值，根據(jù)式(2)計(jì)算線性陣列的陣因子n＝1...N；

2)把陣因子歸一化后分解成幅度和相位

3)把分為主瓣和副瓣兩個(gè)區(qū)域；

首先，找出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)的值與理想的方向圖的相同區(qū)域內(nèi)陣因子值進(jìn)行對(duì)比，超出理想方向圖內(nèi)所設(shè)置的波紋上下限的區(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)將與期望最大副瓣電平Sll_(s)進(jìn)行比較，對(duì)于超越最大副瓣電平的區(qū)域即直接用最大副瓣電平值代替，主瓣以及副瓣調(diào)整后，得到新的幅度值再利用步驟2)中的陣因子相位計(jì)算得出新的公式如下：

5)對(duì)AF^s_new進(jìn)行一維離散傅里葉逆變換得出N個(gè)復(fù)值，取前面的M個(gè)值作為激勵(lì)幅值I^s’，將單元激勵(lì)復(fù)值解成幅度和相位對(duì)各方向圖對(duì)應(yīng)的同一單元的不同激勵(lì)電流幅值，做均值處理:

并結(jié)合得出僅相位加權(quán)同一陣元輻射不同方向圖所對(duì)應(yīng)的激勵(lì)復(fù)值作為新的單元激勵(lì)值，公式如下：

將作為本步驟1)中新的單元激勵(lì)向量；

6)直至各方向圖均符合理想方向圖的要求，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)的凸優(yōu)化算法來(lái)改進(jìn)各輻射方向圖的副瓣電平最大值、主瓣寬度，主瓣波紋及相關(guān)輻射性能參數(shù)，本步驟需結(jié)合步驟二中的|I|^common，具體過(guò)程如下：

以任意一個(gè)輻射方向圖為例,將主、副瓣輻射性能參數(shù)歸結(jié)為如下數(shù)學(xué)公式:

其中SB和SL分別代表方向圖的主瓣和副瓣區(qū)域，ε為主瓣區(qū)域?qū)嶋H輻射的方向圖|f(θ)|²與理想方向圖d(θ)之間允許的最大差值，可有效控制波紋，ρ(θ)為副瓣區(qū)域允許的最大電平，對(duì)(9)中對(duì)應(yīng)的主、副瓣部分做如下變化:

對(duì)主瓣區(qū)域SB以及副瓣區(qū)域SL做量化取樣處理分別得到θ_l(l＝1,...,L)以及θ_q(q＝1,...,Q),同時(shí)定義a_l＝a(θ_l),a_q＝a(θ_q),d_l＝d(θ_l)以及ρ_q＝ρ(θ_q)，結(jié)合公式(2)，方向圖綜合問(wèn)題轉(zhuǎn)化為尋求未知復(fù)數(shù)向量來(lái)滿足如下數(shù)學(xué)表達(dá)式:

式(10)中主瓣區(qū)域表達(dá)式等同于為非凸優(yōu)化問(wèn)題,繼續(xù)做如下數(shù)學(xué)變換:

其中w_MIFT＝I_MIFT^T (11)；

定義且增加限制條件,將向量I_MIFT中最大的G個(gè)電流激勵(lì)值直接賦給待求復(fù)值向量w中的相同激勵(lì)單元，其中G小于陣元個(gè)數(shù)，(10)式轉(zhuǎn)化如下：

其中且上述公式結(jié)合了步驟二中求得的相位激勵(lì)向量?jī)H相位加權(quán)的方向圖綜合問(wèn)題歸結(jié)為求共用電流激勵(lì)向量|w|^common來(lái)同時(shí)滿足S個(gè)方向圖賦形要求的凸優(yōu)化問(wèn)題,即尋求|w|^common使其滿足如下數(shù)學(xué)表達(dá)式；

該步驟將待優(yōu)化方程轉(zhuǎn)化為凸優(yōu)化問(wèn)題,采用現(xiàn)有的解算工具求得滿足上述約束條件下僅相位加權(quán)的最優(yōu)性能方向圖所對(duì)應(yīng)的加權(quán)矢量。

本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，線陣天線由27個(gè)單元組成，單元間距設(shè)置為半波長(zhǎng)，約束條件為平頂波束主瓣為|sinθ|≤0.26，波紋為0.25，副瓣最高電平為-25.3dB,筆形波束的副瓣最高電平為-29dB,余割平方賦形主瓣范圍-0.0053≤sinθ≤0.745，左副瓣最高電平為-25dB，右副瓣最高電平-29dB，波紋為0.3，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(jì)算效率高且最大化各方向圖的輻射性能，本方法采用了改進(jìn)的MIFT算法與CP算法相結(jié)合的混合方法對(duì)線性陣列進(jìn)行僅相位加權(quán)波束賦形優(yōu)化，充分挖掘迭代傅里葉算法的結(jié)果數(shù)值，將僅相位加權(quán)方向圖綜合問(wèn)題變成凸優(yōu)化問(wèn)題進(jìn)行求解，本方法結(jié)合了迭代傅里葉算法的運(yùn)算速度優(yōu)勢(shì),與傳統(tǒng)的凸優(yōu)化技術(shù)相比，本發(fā)明中的凸優(yōu)化技術(shù)求解過(guò)程只需要一步即可完成,最優(yōu)化各方向圖項(xiàng)輻射性能的同時(shí)，有效減少了凸優(yōu)化問(wèn)題求解過(guò)程中的未知變量，縮短了計(jì)算求解時(shí)間，適用于大型線性陣列的計(jì)算，且能有效精簡(jiǎn)天線的結(jié)構(gòu)，具有較好的工程實(shí)用性。

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線性陣列天線均可采用本方法進(jìn)行綜合計(jì)算，無(wú)需類似智能優(yōu)化算法中的參數(shù)設(shè)置調(diào)節(jié)。

附圖說(shuō)明

圖1，平頂波束輻射方向圖。

圖2，筆尖波束輻射方向圖。

圖3，余割平方波束輻射方向圖。

圖4，各方向圖共用電流激勵(lì)值。

圖5，各方向圖對(duì)應(yīng)的相位激勵(lì)值。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖與具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述：

本發(fā)明中的混合優(yōu)化方法有效結(jié)合了迭代傅里葉算法以及凸優(yōu)化算法無(wú)需參數(shù)調(diào)節(jié)且魯棒性強(qiáng)，計(jì)算速度快，精度高的特點(diǎn)，最終實(shí)現(xiàn)饋電網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)化，僅通過(guò)陣元的相位激勵(lì)變化實(shí)現(xiàn)不同輻射性能要求的波束賦形。

作為本發(fā)明一種實(shí)施例，本發(fā)明考慮一個(gè)線陣天線由27個(gè)單元組成，單元間距設(shè)置為半波長(zhǎng)，約束條件為平頂波束主瓣為|sinθ|≤0.26，波紋為0.25，副瓣最高電平為-25.3dB,筆形波束的副瓣最高電平為-29dB,余割平方賦形主瓣范圍-0.0053≤sinθ≤0.745，左副瓣最高電平為-25dB，右副瓣最高電平-29dB，波紋為0.3。圖4中為各方向圖的共用電流激勵(lì)，圖5中為各方向圖對(duì)應(yīng)同功率條件下不同的激勵(lì)相位值，其中“*”對(duì)應(yīng)圖2中筆尖波束輻射方向圖、“0”對(duì)應(yīng)圖1中平頂波束輻射方向圖、“+”對(duì)應(yīng)圖3中余割平方波束輻射方向圖。對(duì)比現(xiàn)有的優(yōu)化結(jié)果，在考慮簡(jiǎn)化饋電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的同時(shí)，線性陣列單元個(gè)數(shù)減少5個(gè)，并且本發(fā)明在旁瓣限制上有較大進(jìn)步。

以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并非是對(duì)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。