基于频控阵的改进ESB波束形成算法

频控阵由于其波束方向图具有的距离-角度二维依赖特性而受到广泛关注, 理想情况下基于频控阵的自适应波束形成技术, 能够从距离维和角度维增强期望信号并抑制干扰, 但实际系统中较大的指向误差和采样协方差矩阵失配会造成算法性能严重下降。针对该问题, 提出一种改进的基于特征空间(eigenspace-based, ESB)自适应波束形成算法, 并将其应用在频控阵多输入多输出接收处理体制中, 仿真结果表明在5°的指向误差内, -20 dB信噪比, 及小快拍数的非理想条件下, 所提算法仍然能在目标位置附近形成高增益, 并在干扰位置形成零陷, 克服了传统ESB算法低信噪比条件下算法失效导致的波束方向图畸变问题, 具有更好的适用性。     

基于区间算法的频控阵阵元位置误差分析

频控阵通过在各阵元的发射基频上引入一个微小的频率偏移, 可以产生距离和角度相关的波束，这使得频控阵在信息和信号处理中更加灵活。但是, 大多数文献在分析频控阵时, 都假设阵元位置是理想而无误差的。而在实际情况中, 阵元位置往往会存在制造误差, 这必定会让实际发射波束的各项性能指标偏离理论设计的性能指标。而目前，几乎没有关于频控阵阵列位置误差分析的文献, 因此迫切需要寻找一种对频控阵阵元位置误差进行分析的方法。提出一种基于区间分析算法的频控阵阵列位置误差分析方法，以分析各阵元位置误差对波束性能的影响。该方法首先假设各阵元位置误差在某个已知的区间, 然后通过一系列数值计算得到误差对波束性能影响的上界和下界, 最后通过仿真实验验证此方法的有效性。     

基于频控阵MIMO雷达的低复杂度稳健波束形成算法

频控阵(frequency diverse array, FDA)多输入多输出(multiple input multiple output, MIMO)雷达基于发射端调制而具备的距离维自由度为主瓣干扰提供了抑制方案。结合自适应波束形成算法, 频控阵MIMO雷达能有效抑制主瓣范围内欺骗干扰信号, 但存在的信号环境复杂、导向矢量失配、采样快拍不足等问题将使算法性能恶化。针对该问题,提出了一种基于频控阵的低复杂度的稳健自适应波束形成算法。仿真实验表明, 相比于其他自适应波束形成算法, 所提算法在低信噪比(signal to noise ratio, SNR)低采样快拍且存在导向矢量失配等非理想条件下形成的波束稳健性更强、计算复杂度更低, 有效实现了对目标的指示和对干扰的抑制, 克服了其他算法在非理想条件下性能恶化的问题。     

PFDA阵列点状波束形成及干扰抑制特性研究

频率分集阵列(frequency diverse array, FDA)通过波束指向自由度的增加,为雷达系统在空间、时间以及频率控制等方面的性能提升提供了可能。针对现有文献中较少研究的平面FDA(planar FDA, PFDA)展开分析。首先,分析了PFDA阵列的阵列结构及接收信号处理机制,推导了PFDA阵列的线性增量-时变频偏增量。之后,在采用非线性频控函数的同时,将PFDA阵列划分为基于单边子阵、对称子阵以及交叉子阵的阵列结构,从而将一维FDA阵列的方向图解耦技术扩展到二维面阵。此外,研究了基于PFDA阵列的稳健波束形成技术。最后,仿真验证了本文结论的正确性。     

递归的稳健LCMV波束形成算法

提出了一种针对指向误差、阵元位置误差或阵元相位误差的递归的稳健波束形成方法。该方法基于导向矢量展开算法,在采用线性约束LMS算法递归搜索最优权矢量的同时,搜索真实的期望信号导向矢量。导向矢量的计算采用基于梯度搜索的最优化算法。该方法避免了常规LCMV算法的矩阵求逆运算,所需运算量小。对存在几种特定误差情况的计算机仿真结果表明,该方法稳态性能优越,对期望信号导向矢量的误差具有很好的稳健性。     

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。     

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。     

矢量阵相干宽带MVDR聚焦波束形成

研究了两种矢量阵相干宽带MVDR聚焦波束形成方法:CSS-MVDR聚焦算法和STMV聚焦算法。两种方法将相干宽带MVDR高分辨方位估计方法及矢量阵信号处理技术与聚焦波束形成相融合,较常规聚焦波束形成具有更高的分辨力和更低的旁瓣级,能解决左右舷模糊问题并提高处理增益,可有效提高辐射噪声源近场定位识别效果。两种方法均可直接处理相干宽带信号,对于实际水声信号具有更高的适用性,具有较高的工程应用价值。通过仿真研究验证了相干宽带聚焦算法具有优越的空间分辨能力。     

多输入多输出阵列目标方位估计方法

提出了一种主动阵列目标定向空时编码新构型,即多输入多输出(multi-input multi-output,MIMO)阵列。MIMO阵列发射不相关信号(正交信号),扫描向量是常规相控阵发射扫描向量与接收扫描向量的卷积,从而产生了虚拟阵元,扩展了阵列孔径,形成的波束图是常规发射阵波束图与接收阵波束图的乘积,因此主瓣更窄,旁瓣更低。两目标高分辨统计性能的仿真分析和实验研究表明,与常规相控阵相比,MIMO阵列具有更高的目标角度分辨率和检测性能。     

基于MVDR波束形成的FDA平台外干扰抑制

针对频控阵(frequency diverse array, FDA)在对与目标位置相近的平台外干扰进行抑制时, 传统FDA与非线性频偏结合不能实现距离-角度去耦合、对数递增FDA主瓣展宽较大和汉明窗加权FDA距离维旁瓣过高的问题, 在充分研究汉明窗加权的线性FDA(Hamming linear FDA, HL-FDA)方案的基础上, 对4种频偏方案的性能进行了分析, 提出采用FDA多输入多输出结构代替传统的一维均匀线性FDA结构, 通过结合最小方差无失真响应(minimum variance distortion free respinse, MVDR)准则, 将HL-FDA应用到MVDR自适应波束形成层面, 对平台外干扰进行抑制。仿真验证了HL-FDA在结合MVDR自适应波束形成算法后能有效地对抗距离-角度二维平台外干扰。     

Beamforming analysis based on CSB sin-FDA

This paper studies the adaptive beamforming algorithm based on the frequency diverse array(FDA)array where the interference is located at the same angle(but different range)with the target.We take the cross subarray-based FDA with sinusoidal frequency offset(CSB sin-FDA)as the receiving array instead of the basic FDA.The sampling covariance matrix under insufficient snapshot can be corrected by the automatic diagonal loading method.On the basis of decomposing the mismatched steering vector error into a vertical component and a parallel one,this paper searches the vertical component of the error by the quadratic constraint method.The numerical simulation verifies that the beamformer based on the CSB sin-FDA can effectively hold the mainlobe at the target position when the snapshot is insufficient or the steering vector is mismatched.     

基于遗传算法的相控阵随机馈相方案的优化

针对相控阵天线随机馈相方案的优化问题,提出了一种基于遗传算法的随机馈相方案优化方法,文中以一个泰勒幅度加权的线阵为例对随机馈相的数学模型进行了分析,并在此基础上,对提出的遗传优化算法进行了计算机仿真实验。仿真分析表明,优化后的天线方向图峰值副瓣电平得到了明显降低,算法具有良好的收敛性能。采用该算法对随机馈相方案进行优化设计,可以有效提高设计的效率和质量,因此值得在实际应用中加以推广。     

Design of multi-band frequency selective surfaces using multi-periodicity combined elements

Traditional multi-band frequency selective surface (FSS) approaches are hard to achieve a perfect resonance response in a wide band due to the limit of the onset grating lobe frequency determined by the array. To solve this problem, an approach of combining elements in different period to build a hybrid array is presented. The results of series of numerical simulation show that multi-periodicity combined element FSS, which are designed using this approach, usually have much weaker grating lobes than the traditional FSS. Furthermore, their frequency response can be well predicted through the properties of their member element FSS. A prediction method for estimating the degree of expected grating lobe energy loss in designing multi-band FSS using this approach is provided.     

MIMO雷达子阵级m-Capon方法研究

针对多输入多输出（multiple input multiple output, MIMO）雷达虚拟阵列孔径大,典型的降维空时自适应处理（space time adaptive processing, STAP）方法--m-Capon法无法适用的问题,对子阵级m-Capon法进行了研究,并与相应的相控阵雷达3-Capon方法进行了比较。计算机仿真结果表明,处理器维数相同时,子阵级3-Capon方法性能明显提高,但非主杂波区误差鲁棒性差;子阵级1-Capon法在非主杂波区性能明显提高,但主杂波凹口太宽。在实际应用中,可综合运用两种方法对主杂波和非主杂波区分开处理,为工程实现提供可靠依据。     

新型旋转抛物面换能器阵列的设计

针对常见的一维线阵列和二维平面阵存在能量转化率低、成本高和加工精度要求高等问题, 在构建任意三维阵列的指向性函数的基础上, 设计了一种旋转抛物面型换能器阵列。将平面型换能器阵列旋转成抛物面型，利用指向性函数确定旋转抛物面型换能器阵列相应参数的最优值。仿真对比实验及其分析表明, 该新型阵列可以在减少换能器阵元使用数量、增大阵元间距的同时, 改善阵列的指向性, 并能提高声能量转化效率, 使更多的声能集中在主瓣方向。     

噪声干扰器对抗主动声纳有效干扰压制区计算方法

根据干扰器对抗主动声纳的机理和水声干扰方程,针对干扰器与舰艇目标在同一位置和不在同一位置两种配置,分别提出了干扰器有效干扰压制区域的计算方法,其中第二种配置下包括了声纳波束主瓣对准目标和主瓣对准干扰器这两种情况。以对抗平面阵声纳为例,给出了特定态势下主动声纳波束主瓣和旁瓣受干扰情况下的有效干扰压制区域。仿真结果表明,有效干扰压制区域的大小与噪声干扰器和声纳的性能以及对抗态势等因素有关,声纳波束主瓣受干扰时有效干扰压制区域较大,效果较好。