阵列雷达波束赋形算法研究

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阵列雷达因其具有高探测性能、强抗干扰能力等特点得到广泛应用和持续研究。阵列波束赋形技术是阵列雷达研究领域中一个重要方向,对发挥阵列雷达的高性能具有重要作用。在实际应用中,阵列雷达面对不同的场景需要解决不同的波束赋形问题。一方面,阵列雷达在探测时期望具有高角度分辨力,往往采用大规模阵列,从而导致了波束赋形算法的高计算复杂度。并且,在实际场景中,阵列雷达有时采用有限精度的权值进行加权。另一方面,不论窄带阵列雷达还是宽带阵列雷达在探测时都期望方向图主瓣宽度尽量窄。另外,为应对复杂的干扰环境,宽带阵列雷达方向图旁瓣赋形需要有较强的灵活性。本论文围绕阵列雷达在上述场景中遇到的高计算复杂度、有限精度加权、主瓣宽度不够窄、宽带方向图旁瓣赋形灵活性不足等问题,研究了低复杂度、量化权值、最小化主瓣宽度、灵活控制宽带方向图旁瓣等赋形算法,主要工作与贡献总结如下:1.低复杂度的改进的精确控制波束赋形针对大规模阵列波束赋形中高计算复杂度问题,先分析了基于权向量正交分解(Weight vector ORthogonal Decomposition,WORD)的单点精确控制算法中两个权向量,确定其中一个为最终解从而省去了权向量选择过程,提出了基于改进的权向量正交分解(Improved WORD,I-WORD)的单点精确控制算法。然后,在单点I-WORD算法基础上,通过构造低复杂度矩阵求解权向量交集,提出了一种基于多点控制的改进的权向量正交分解波束赋形算法(Multi-point I-WORD,MI-WORD)。此MI-WORD算法能够进行多点精确阵列响应控制,并且具有低复杂度,特别适合阵元数较大时的波束赋形,比如,应用于多输入多输出(Multiple-Input Multiple-Output,MIMO)雷达收发联合波束赋形。2.量化权值的阵列雷达波束赋形针对一些阵列雷达加权权值的幅度和相位同时量化为有限精度的场景,建立了以量化方向图偏差最小为目标函数的优化模型,联合多点精确控制算法和迭代梯度下降方法进行求解,提出了基于多点迭代梯度下降的量化权值波束赋形算法(Multi-point and Iterative Gradient Descent,MIGD)。另外,分析了子阵级阵列雷达波束赋形特性,利用MIGD算法求解子阵级有限精度权值,提出了基于量化权值的子阵级阵列雷达波束赋形算法。3.主瓣宽度最小化的宽带波束赋形针对宽带阵列雷达方向图主瓣宽度不够窄的问题,通过引入松弛变量,建立了单一频率主瓣宽度最小化的波束赋形稀疏优化模型,提出了一种新的稀疏激励函数进行求解,基于此,提出了基于最小化主瓣宽度的稀疏优化波束赋形算法(Minimum Mainlobe Width,MMW)。接着,利用MMW算法确定宽带恒定束宽最小化宽度,通过优化旁瓣电平实现宽带恒定束宽,提出了基于最小化主瓣宽度的宽带恒定束宽波束赋形算法(Constant Beamwidth via MMW,CB-MMW)。4.宽带方向图旁瓣赋形针对宽带阵列雷达方向图旁瓣赋形灵活性不足的问题,首先分析了适用于单一频率方向图赋形的基于斜投影的灵活阵列响应控制算法(Flexible Array Response Control via Oblique Projection,FARCOP)的权向量构造形式,提出了一种基于斜投影的改进的灵活精确控制波束赋形算法(Modified FARCOP,MFARCOP),该算法具有较低的计算复杂度。进一步,利用MFARCOP算法求解宽带空频结构中各频率子带权值,使得宽带方向图旁瓣实现灵活精确控制,最终得到一种基于斜投影的宽带方向图旁瓣赋形算法(Wide Band MFARCOP,WB-MFARCOP)。
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