[发明专利]联合阵列天线单元方向图的波束形成方法

说明书

本发明提出了一种联合天线阵元方向图的波束形成方法，利用本发明可以增强波束形成阵列天线单元方向图存在不一致时的性能。本发明通过以下技术方案予以实现：针对阵列天线，对阵列天线的各个天线单元进行方向图测试，根据天线测试点方向图，建立该阵列天线方向图数据库；利用天线方向图数据库，采用线性插值、样条插值的内插方式，获得阵列天线在离散化程度更高的方向上响应的精细方向图；对实测天线方向图进行插值获得该阵列天线更细致的方向图，利用该天线方向图对理想阵列天线的导向向量进行修正，修正方法是将内插获得的精细方向图和理想天线导向向量进行哈达玛积Hadamard积，到修正导向向量；然利用线性约束最小方差LCMV等算法得到波束形成权向量。

技术领域

本发明涉及一种广泛应用于雷达、通信、声纳、地震、天文中远程通信等领域的波束形成方法，尤其是涉及一种联合阵列天线单元方向图的波束形成方法。

背景技术

阵列信号处理是信号处理的一个重要分支。阵列信号处理是指对阵元所感应信号的处理。阵列信号处理可两大分支：波达方向(DOA)估计和空域滤波。阵列信号处理的主要问题包括：对空间信号的波达方向的分布进行超分辨估计的空间谱估计；阵列方向图的主瓣指向所需的方向的波束形成技术；使天线的零点对准所有的干扰方向的零点形成技术。天线的方向图是表征天线辐射特性(场强振幅、相位、极化)与空间角度关系的图形。阵列方向图综合是指按照需求的方向图特性，通过对幅相权值、阵元数目及阵元位置的调整优化，使最终生成的阵列方向图能达到较理想的预期性能。在一般应用场合，单天线，如偶极天线、八木天线等，就可以满足发射、接收信息的需求。而在特定的应用场合，需要对多个天线单元进行适当激励获得预定的辐射特性，如更强的方向性、更高的增益、更窄的波束。

数字波束形成(DBF)是空域滤波的范畴，是在原有模拟波束形成的基础上引入数字信号处理的方法而建立起来的一门新技术。空间辐射的信号经过波束形成处理后，主瓣方向以外的信号被削弱，其中零陷区间的信号被完全抑制，这可以用于干扰和杂波抑制。当干扰信号的方向已知时，可将零陷对准这些干扰信号的同时将主波束对准期望信号。这种方式的波束形成通常称为零陷波束形成或零陷导引。通过一个零陷抵消一个干扰信号，占用阵列天线的一个自由度。零陷波束形成利用信源的方向信息来计算阵元加权因子，使在干扰信源的方向上产生零陷。在接收端，阵列信号处理可以对空间分布的各传感器接收的信号进行处理，从中提取出有用信号以及信号所包含的信息，达到增强有用信号，抑制干扰和噪声的目的；在发射端，阵列信号处理可以对各传感器将要辐射的信号进行分别处理，使得信号在空间中合成的信号不同，即实现了空间能量分布的控制，达到抗截获、定向通信的目的，是在空域实现射频隐身的重要方法。与传统的单个定向传感器相比，传感器阵列具有较高的信号增益、灵活的波束控制、很高的空间分辨率以及极强的干扰抑制能力。数字波束形成是阵列信号处理领域的一个非常重要的研究内容。它既能实现对特定区域的信号进行接收或向特定区域辐射信号，还能对特定区域进行抑制，用以消除干扰或者抗截获。

在设计波束形成权向量时，通常假设天线幅相一致性良好、通道误差可大幅度校正。在此情况下设计的权向量在仿真试验时拥有良好的性能。在实际应用时，由于通道误差不随来波方向变化，通道校正参数较少，可以被各种方法良好的校正。但是天线由于加工和天线布阵等原因，阵列天线中的各个阵元的单元方向图往往不一致。现阶段仅能通过各种改进结构和加工工艺尽量减小单元方向图的不一致性，目前还不能消除该不一致性。一个很重要的因素是阵列天线固有的互耦效应特性。因为随着阵元间距减小，阵元间的互耦会逐渐变强，互耦不仅影响天线阵列的增益和波瓣宽度等电参数，还会使阵列信号的相位和幅度发生改变，进而对阵列方向图的波束零陷产生影响，其精度、深度都会发生改变。传统波束形成方法都是基于阵因子理论，天线阵列的阵元间距设计在半波长左右，没有考虑阵元间的互耦效应。这就导致理想权向量在实际阵列上的性能下降，这主要体现在波束主瓣指向偏移，副瓣电平上升，零陷深度变浅甚至消失，这将导致射频隐身性能下降或消失。

发明内容

本发明针对阵列天线波束形成方法在阵列天线单元方向图存在不一致时波束性能性能下降的问题，提供一种能够削弱天线幅相不一致带来的性能下降，联合阵列天线单元方向图的波束形成方法。