[发明专利]一种基于粒子群优化的圆阵列波束形成方法

说明书

一种基于粒子群优化的圆阵列波束形成方法。其包括均匀圆阵列信号接收、虚拟线阵数据生成、阵元信号模型参数最优估计、虚拟均匀线阵拓展以及自适应波束形成等步骤。本发明提供的基于粒子群优化的圆阵列波束形成方法根据均匀圆阵列接收数据的特点，通过对均匀圆阵列的输出信号进行模式空间变换，将均匀圆阵列数据转换为虚拟均匀线阵数据形式。利用粒子群优化算法实现虚拟均匀线阵各阵元信号模型参数的最优估计，并利用参数估计值形成拓展阵元，从而实现阵列阵元数及孔径尺度的增加，由此达到降低阵列波束主瓣宽度及旁瓣电平的目的。

技术领域

本发明属于阵列天线波束形成技术领域，特别是涉及一种基于粒子群优化的圆阵列波束形成方法。

背景技术

波束形成是阵列信号处理的一个重要分支，通过对各个阵元所接收的数据进行加权，可以有效地增强期望信号，同时抑制干扰信号与降低噪声影响等，因此被广泛应用于多个领域。均匀圆阵列(uniform circular array，UCA)因其几何结构上的对称性，可以提供360°全方位的方位角信息，而且在各个方位上具有相近的分辨率与精度，因此，均匀圆阵列已在航空航天、移动通信、军事等领域获得广泛地应用，而且也受到阵列信号处理领域学者的持续关注。

相比于其他类型的阵列天线，如均匀线阵，在相同阵元数量的条件下，均匀圆阵列方向图的主瓣较宽，角度分辨率较低。因为均匀圆阵列的阵列流型矢量不具备线性相位特性，其阵元数与半径将影响波束形成的性能。当均匀圆阵列半径固定的情况下，波束的主瓣宽度不受阵元数的影响，但旁瓣电平却明显受到阵元数的影响。当阵元数过少时，不仅旁瓣电平会抬高，甚至出现栅瓣；随着半径的增大，波束主瓣宽度变窄，但副瓣电平有所增加。副瓣电平的增加是由于均匀圆阵列中阵元间的间隔增大所至。

通过增加均匀圆阵列中阵元数量或半径是提高角分辨率的有效方法，但在实际应用中，受设备复杂度、成本等因素的制约，以改变均匀圆阵列物理构型的方式来提高其性能的可行性较小。因此，根据已有阵元的布局及接收信号，采用信号处理的方法进行阵元拓展，是解决利用少量阵元形成较窄波束问题的有效途径。

阵列经过阵元拓展后，阵列孔径增大，从而可实现阵列波束锐化及旁瓣压制。传统的阵元拓展方法是基于高阶累积量的方法，这类方法利用阵元间的统计相关性来增加天线的有效孔径，甚至可以突破实际阵元数对可分辨目标数的限制。然而，这类方法引入的计算复杂度较大。基于内插变化的阵元拓展方法的计算复杂度相对较小，但其所形成的波束相对较宽，拓展阵元的误差相对较大。

综上所述，均匀圆阵列的波束质量受限于其尺度及阵元数目，这都将使得天线系统的复杂度及成本极大地加剧。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种基于粒子群优化的圆阵列波束形成方法。

为了达到上述目的，本发明提供的基于粒子群优化的圆阵列波束形成方法包括顺序进行的下列步骤：

(1)利用均匀圆阵列天线进行信号接收，得到均匀圆阵列接收数据的S1阶段；

(2)对步骤(1)得到的均匀圆阵列接收数据进行预处理，生成虚拟均匀线阵接收数据的S2阶段；

(3)根据步骤(2)生成的虚拟均匀线阵接收数据，基于粒子群优化算法实现阵元信号模型参数最优估计的S3阶段；

(4)利用步骤(3)估计得到的阵元信号模型参数，对步骤(2)中虚拟均匀线阵进行阵元拓展，得到阵元拓展后虚拟均匀线阵数据的S4阶段；

(5)利用步骤(4)得到的阵元拓展后虚拟均匀线阵数据，进行自适应波束形成的S5阶段。

在步骤(2)中，所述的对步骤(1)得到的均匀圆阵列接收数据进行预处理，生成虚拟均匀线阵接收数据的方法是利用模式空间变换对步骤(1)得到的均匀圆阵列接收数据进行预处理，将其转换为虚拟均匀线阵的数据形式。