加权直接数据域波束形成

为解决直接数据域(direct data domain,DDD)算法波束形成旁瓣电平高的问题,在约束优化的基础上提出了加权DDD波束形成算法.加权算法首先根据波束指向或者预成波束方向给出合适的主瓣宽度,然后在旁瓣区域约束最高旁瓣电平的高度,达到旁瓣抑制的效果.仿真分析了固定旁瓣电平变化主瓣宽度和固定主瓣宽度变化旁瓣电平两种约束优化形式.结果表明,加权DDD波束形成具有良好性能,能在预设主瓣宽度略宽于原波束主瓣宽度时,旁瓣电平能够满足预设要求.     

基于粒子群优化的波束空间广义旁瓣相消算法

针对广义旁瓣相消(generalized sidelobe canceller, GSC)算法运算量大, 在波束形成中存在旁瓣较高、稳健性差的问题, 提出一种基于粒子群优化(particle swarm optimization, PSO)的波束空间GSC算法。首先, 建立一种优化自适应转换矩阵将信号处理过程由阵元空间转换到波束空间, 通过减小自由度来降低算法的运算量。其次, 构建最小均方误差适应度函数, 在波束空间中利用压缩因子PSO算法充分利用接收数据的相关性, 缩减与期望信号误差并降低波束旁瓣。所提算法在降低算法运算量的同时, 解决了波束旁瓣过高的问题, 并在低快拍、强干扰条件下具有较好波束形成能力, 算法稳健性好。     

基于粒子群优化的圆阵列波束形成方法

围绕均匀圆阵列(uniform circular array, UCA)在波束形成中存在的波束主瓣宽、旁瓣电平高的问题,提出了一种基于粒子群优化(particle swarm optimization, PSO)算法的圆阵列波束形成方法。通过对UCA的输出信号进行模式空间变换,将UCA数据转换为虚拟均匀线阵数据形式。利用PSO算法充分挖掘均匀线阵各阵元间数据信息,进行阵元拓展,从而实现阵列阵元数及孔径尺度的增加,实现降低阵列波束主瓣宽度及旁瓣电平的目的。实验结果表明,在适当增加计算复杂度的前提下,利用PSO算法对阵列进行阵元拓展可以显著地提高波束形成质量,且适用于自适应波束形成。     

基于虚拟阵元信号重构的嵌套阵稳健波束形成

由于嵌套阵中部分阵元间距远大于信号半波长, 可能导致高旁瓣和栅瓣等问题。因此, 通过利用均匀子阵进行信号波达方向(direction of arrival, DOA)估计, 重构出虚拟阵元的接收信号, 从而构建一个虚拟的稠密均匀阵列, 大幅增加了波束形成算法自由度。通过估计信号功率, 重构虚拟均匀阵列的干扰加噪声协方差矩阵(interference plus noise covariance matrix, INCM), 可得虚拟均匀阵列的波束形成权矢量。仿真实验表明, 相比其他波束形成方法, 所提算法主瓣宽度小、旁瓣电平低、收敛速度快、抗干扰能力强。     

相控阵的子阵级数字波束扫描方法研究

在子阵级相控阵中,对于多波束形成等很多应用,需要在子阵级进行数字波束扫描。此时抑制扫描后的方向图旁瓣是一个重要问题。基于具有圆形投影区域的期望子阵方向图,构造了子阵级加权网络,通过对子阵输出进行后处理得到了新的子阵方向图,从而抑制了子阵级波束扫描的方向图旁瓣。该方法与基于矩形投影区域的期望子阵方向图方法相比,提高了子阵级波束扫描的旁瓣抑制性能。仿真结果验证了理论分析的有效性。     

基于凸约束下泰勒估计的主瓣干扰抑制算法

针对真实信号协方差矩阵估计难以直接获取及低快拍条件下传统采样协方差矩阵存在较大误差的问题,提出了基于凸约束下泰勒估计的抗主瓣干扰波束形成算法。该算法首先利用凸约束下的泰勒估计法在低快拍数条件下对信号协方差矩阵进行估计。其次利用多信号分类算法进行波达方向估计,筛选主瓣干扰对应特征矢量。而后利用特征投影矩阵法对主瓣干扰进行抑制。最后,通过添加线性约束获得权值矢量进行波束形成。仿真结果显示,在低快拍数条件下,所提算法对信号协方差矩阵具有更高的估计精度,波束形成性能稳健且具有更高的输出信干噪比。     

基于虚拟孔径投影的共形阵MIMO雷达发射波形设计

为了克服共形阵天线单元指向互异带来波形旁瓣高的缺点,该文以圆弧阵为例,提出一种基于虚拟孔径投影的共形阵多输入多输出(multiple input multiple output，MIMO)雷达发射波形设计方法。该方法首先对各阵元指向进行精确建模,并通过共形阵虚拟投影方法,获得规则虚拟投影阵列;其次向量化发射信号矩阵,将发射波形设计问题转为发射信号协方差矩阵降秩问题;最后通过log det heuristic 算法获得针对该虚拟阵列波形设计的凸优化数学模型,并利用凸优化工具箱对其求解。仿真结果表明,相较于现有方法,该方法能够对共形阵MIMO雷达设计更低旁瓣的发射波形。     

零点约束的有向阵元圆阵方向图最优综合

圆形阵列由于可实现全空间无模糊的波束扫描而得到广泛应用。给出了基于最小均方误差准则下有向阵元均匀圆阵的最佳方向图综合方法。在无约束和带零点约束两种情况下,分别给出了相应最优权值的求解公式。由于圆形阵列具有较高的近轴旁瓣电平,通过对主波束附近的旁瓣增加零点约束条件来达到降低近轴旁瓣电平的目的。研究表明,不同零点约束会对旁瓣电平有明显的影响,合适的零点位置能明显改善方向图的近轴性能。该方法简单易行,适合在圆形相控阵天线中使用。仿真给出了对近轴旁瓣电平改善最明显的零点位置。     

阵元失效条件下拖线阵波束形成的优化方法

阵元失效会破坏拖曳线列阵的幅相分布,导致阵列的旁瓣级出现明显升高,严重影响了阵列的性能.针对这一问题,提出了一种阵元失效条件下波束形成的优化方法.算法的基本思想是将失效阵元的权重强制为零,并使得阵列的实际响应与期望响应在主瓣区域相匹配,同时对阵列响应的旁瓣级作出限制.通过对阵列中剩余正常阵元的权值进行重优化,可以使阵列的旁瓣级重新得到抑制.仿真结果表明该方法可行、有效.     

提高MIMO雷达检测和参数估计性能的波形设计

针对目前多输入多输出(multiple-input multiple-output, MIMO)雷达中通常基于某一种而不是整体性能的波形优化问题,提出一种提高MIMO雷达检测和参数估计性能的波形优化方法。该方法基于提高检测概率、降低参数估计方差及抑制旁瓣3种性能约束优化发射波形相关矩阵(waveform covariance matrix, WCM)。首先推导了检测概率及克拉美罗界(Cramer-Rao bound, CRB)的等价表达式,而后联合最大化主旁瓣差约束,并对各约束条件加权,从而得到可灵活调整加权系数以满足实际应用中不同需要的波形优化问题。此波形优化问题可表示为线性规划问题,因而可高效求解。仿真实验对3种约束条件对雷达性能的影响进行了详细分析,实验结果验证了所提方法的有效性。     

Adaptive broadband beamformer for nonuniform linear array based on second order cone programming

Adaptive broadband beamforming is a key issue in array applications. The adaptive broadband beamformer with tapped delay line (TDL) structure for nonuniform linear array (NLA) is designed according to the rule of minimizing the beamformer's output power while keeping the distortionless response (DR) in the direction of desired signal and keeping the constant beamwidth (CB) with the prescribed sidelobe level over the whole operating band. This kind of beamforming problem can be solved with the interior-point method after being converted to the form of standard second order cone programming (SOCP). The computer simulations are presented which illustrate the effectiveness of our bearaformer.     

一种稳健的多主瓣干扰抑制方法

当训练数据含有期望信号时,传统的基于特征投影预处理的主瓣干扰抑制算法会产生严重退化。这是因为在期望信号的扰动下主瓣干扰对应的特征波束易产生峰值偏移,导致主瓣干扰难以完全去除,当多个主瓣干扰存在时尤为突出。通过估计信号与噪声功率并将期望信号功率置零重构干扰加噪声协方差矩阵,排除了期望信号的影响,使得主瓣干扰能够充分去除。进一步将主瓣干扰功率置零重构旁瓣干扰加噪声协方差矩阵进行波束形成,方向图较协方差重构法在旁瓣干扰方向上能够形成更深的零陷。仿真实验表明,提出的方法能够有效抑制多个主瓣干扰并具有良好的稳健性。     

SRV constraint based FIB design for wideband linear array

Frequency-invariant beamformer (FIB) design is a key issue in wideband array signal processing. To use commonly wideband linear array with tapped delay line (TDL) structure and complex weights, the FIB design is provided according to the rule of minimizing the sidelobe level of the beampattern at the reference frequency while keeping the distortionless response constraint in the mainlobe direction at the reference frequency, the norm constraint of the weight vector and the amplitude constraint of the averaged spatial response variation (SRV). This kind of beamformer design problem can be solved with the interior-point method after being converted to the form of standard second order cone programming (SOCP). The computer simulations are presented which illustrate the effectiveness of our FIB design method for the wideband linear array with TDL structure and complex weights.     

低频共形阵的宽带波束域高分辨方位估计方法

针对共形布阵技术,提出了适用于低频共形基阵的宽带波束域高分辨方位估计方法。首先利用基于二阶锥规划的波束优化技术设计适用于低频共形基阵的宽带恒定束宽波束形成器,然后用设计好的波束形成器对基阵输出数据进行空域预滤波,使宽带信号的不同频率分量能无失真地通过,同时抑制旁瓣区的干扰,最后针对滤波后的多波束输出采用波束域高分辨方位估计方法估计目标方位。由于基于二阶锥规划技术设计恒定束宽波束形成器仅需要对主波束进行拟合,提高了设计精度,减小了聚焦误差,从而提高了方位估计的性能。计算机仿真和湖上实验数据处理结果验证了该方法能有效地估计出水下低频宽带目标声源的方位。     

毫米波共形相控阵雷达导引头波束形成

针对毫米波圆锥台共形相控阵天线阵列低副瓣波束形成,提出了基于最优非均匀子阵划分及最优子阵激励的低副瓣波束形成方法.该方法利用多目标进化算法,先通过对整个扫描波束空间进行空间采样并形成空间采样点的天线辐射方向图,然后引入两个多目标函数对这些空间采样点的天线辐射方向图进行低副瓣约束,可获得指定扫描空间内任意角度的低副瓣波束形成.通过多目标进化算法优化子阵结构及其激励能够有效抑制辐射方向图副瓣电平.仿真实验证明该方法有效.     

MIMO雷达稀疏阵列优化设计方法

针对运动平台多输入多输出(multiple input multiple output, MIMO)雷达应用中无法进行规则稀疏布阵, 传统的稀疏阵优化设计方法优化对象单一的问题, 提出一种利用多目标进化算法(multi-objective evolutionary algorithm, MOEA)进行阵列结构优化的方法。将MIMO雷达接收端的收发联合和差波束的旁瓣电平为优化目标, 使系统具有尽可能好的和差波束旁瓣抑制性能。仿真结果表明, 基于Pareto秩排序的MOEA的MIMO雷达稀疏阵优化设计可以使系统多种性能得到提升。