專利名稱：一種近場相控陣波束聚焦方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及近場相控陣波束聚焦算法，其主要應(yīng)用于相控陣波束的控制，用以在近場區(qū)域內(nèi)聚焦形成可與遠(yuǎn)場波瓣可比擬的、可相控掃描的高性能波束。
背景技術(shù)：
相控陣技術(shù)是通過改變單元相位來實現(xiàn)波束方向的掃描，區(qū)別于傳統(tǒng)機(jī)械轉(zhuǎn)動的波束控制。相控陣系統(tǒng)具有更多的功能、更強(qiáng)的探測能力、更大的覆蓋空域、更高的數(shù)據(jù)率、 更高的可靠性以適應(yīng)復(fù)雜多變的目標(biāo)環(huán)境。相控陣波束在微秒級的時間內(nèi)便可在全空域內(nèi)跳躍，波束靈活多變，易于實現(xiàn)自適應(yīng)旁瓣抑制和對抗各種干擾，并可由計算機(jī)實現(xiàn)信號處理和波束控制。相控陣系統(tǒng)的缺點(diǎn)在于造價昂貴，主要應(yīng)用于軍事領(lǐng)域。
隨著發(fā)射/接收組件和智能天線技術(shù)的進(jìn)步，未來的相控陣系統(tǒng)自然將會在移動通信、智能樓宇和工業(yè)雷達(dá)等民用領(lǐng)域推廣。軍用相控陣通常工作在滿足平面波條件的遠(yuǎn)場，掃描波束與陣列單元幅相之間的傅里葉變換關(guān)系為業(yè)內(nèi)廣泛使用，而不滿足遠(yuǎn)場條件的近場應(yīng)用將在未來成為更為一般性的常態(tài)，傳統(tǒng)的相移控制波束掃描的方法并不適用。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提出近場相控陣波束聚焦方法，能在近場范圍內(nèi)形成高性能的波束，并能實現(xiàn)對波束掃描和控制。
本發(fā)明為了達(dá)到上述發(fā)明目的采用如下技術(shù)方案
一種近場相控陣波束聚焦方法，其特征在于通過對近場相控陣天線陣列單元的非線性移相在近場聚焦形成類似于在遠(yuǎn)場的波瓣圖，陣面單元的幅相權(quán)重以解析表達(dá)的形式給出，并通過對幅相權(quán)重的優(yōu)化以控制波束的指向、零深和副瓣等參數(shù)，在近場區(qū)域綜合出高性能的波束。
其中，所述相控陣波束掃描所需單元的非線性相移以解析表達(dá)形式給出。
其中，所述的近場相控陣波束的指向、零深和副瓣等參數(shù)的控制，是基于解析表達(dá)的初值對陣列單元幅相權(quán)重的優(yōu)化計算。
本發(fā)明是根據(jù)點(diǎn)源的非線性相位路徑補(bǔ)償在陣列口徑的近場聚焦處實現(xiàn)同相相干疊加、進(jìn)而綜合出可與遠(yuǎn)場相比擬的波瓣圖，陣列各單元的幅度相位權(quán)重是由近場傳輸算子在獲取理想波瓣圖求Moore-Penrose廣義逆的方法獲得，并以該解析表達(dá)為參考，優(yōu)化波束的指向、零深和副瓣等參數(shù)，在陣列的近場綜合出高性能波束。
本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于
I、該方法的優(yōu)點(diǎn)在于對近場相控陣波束的掃描和控制。
2、該方法的適用陣列不局限于規(guī)則的平面、柱面或球面的部分或全部，可具一般性的。
3、對近場相控陣波束聚焦的單元幅相優(yōu)化的算法不限定。
4、該方法的應(yīng)用領(lǐng)域不限于雷達(dá)波或聲波。
5、該方法的應(yīng)用陣列不限于數(shù)字相控陣或物理，有源或無源的相控陣。


圖I是本發(fā)明的近場波束聚焦示意圖。
圖2是本發(fā)明的波束參數(shù)控制的優(yōu)化計算流程框圖。
圖3是本發(fā)明的近場方向圖對比圖。
圖中，A1Cr'i) > A2 (r' 2) > An(r' n) > An(r' N)分別表示位于 r'2> r' n、 r',處的陣列單元，r' 為序號為n的源點(diǎn)位置矢量，0為坐標(biāo)系原點(diǎn)。近場聚焦波束控制器是計算陣列單元的幅相權(quán)重I、W2、\、Wn以在近場綜合出目標(biāo)波束P(rm ； 0 3dB，0 null， Iside)，L為序號為m的場點(diǎn)位置矢量，0 3dB為波束3dB寬度，9 null為波束零深位置，Iside為波束副瓣電平，I表示陣列的波束合成。Li代表線性相移，Mp代表MP逆相移，Nli非線性M=I相移，Cmp幅相優(yōu)化相移。(圖3中標(biāo)示了這些圖例)。
優(yōu)化計算流程以框圖形式給出，以陣列單元幅相初值為參考，以計算的近場波束指標(biāo)可適度為目標(biāo)，采用優(yōu)化算法對陣列單元幅相搜索尋優(yōu)，迭代給出滿足可適度的最優(yōu)解。其中點(diǎn)劃線方框表示優(yōu)化目標(biāo)，包括對波束寬度、指向、零深和副瓣等指標(biāo)的控制。短線方框表示尋優(yōu)算法，為不限定的任意優(yōu)化方法。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖及具體實施方式
詳細(xì)介紹本發(fā)明。
本發(fā)明基本原理是由相干激勵的信號通過各陣列單元發(fā)射或接收，如圖I所示， 通過對各單元的幅相控制在近場區(qū)域相干合成出高性能的波束，近場聚焦波束控制的優(yōu)化計算流程如圖2所示。近場相控陣波束向量表達(dá)為自由空間波方程格林算子矩陣與單元幅相向量的乘積，
G(^i) 噸,0…GCr1,r;)WM) IPM)G(r2,r/)G(r2,r2f)G(r2，<)…G(T2X)W1^P2(rI)K)gK)gK)…gK)=PMG{rM,r；) G(rM,0', Vn )M^NAMKD(I)
其中，格林函數(shù)GK):-AIrm-(rm^rf n)為自由空間波方程的點(diǎn)源脈沖4兀Kl激勵響應(yīng)，Wn(r' n)為陣列單元的幅相權(quán)重，Pm(rm)為待綜合的近場波束，(k為波數(shù)，N為陣列單元數(shù)量，M為近場波束觀察點(diǎn)數(shù)量，IV . .，rM為原點(diǎn)到陣列單元的矢徑，r/...,r/ 為原點(diǎn)到近場觀察點(diǎn)的矢徑，)。當(dāng)Ir1J >> Ir' J時的遠(yuǎn)場情形，本發(fā)明不涉及。
若Pm(rm)為近場待綜合的理想波束Pm(rm) = 8 (r_rm), 8表示狄拉克函數(shù),所需的陣列單元的初始幅相權(quán)重為，
權(quán)利要求
1.一種近場相控陣波束聚焦方法，其特征在于通過對近場相控陣天線陣列單元的非線性移相在近場聚焦形成銳波束的波瓣圖，陣面單元的初始幅相權(quán)重以解析表達(dá)的形式給出，并通過對幅相權(quán)重的優(yōu)化以控制波束的指向、零深和副瓣參數(shù)，在近場區(qū)域綜合出高性能的波束。
2.如權(quán)利要求I所述的一種近場相控陣波束聚焦方法，其特征在于所述陣面單元的初始幅相權(quán)重以解析表達(dá)的形式給出，具體表示為近場傳輸廣義逆和近場理想波束的矩陣矢量乘積。
3.如權(quán)利要求I所述的一種近場相控陣波束聚焦方法，其特征在于基于解析表達(dá)的初值對陣列單元幅相權(quán)重的優(yōu)化計算，在近場區(qū)域內(nèi)控制相控陣波束的指向、零深和副瓣參數(shù)。
4.如權(quán)利要求I所述的一種近場相控陣波束聚焦方法，其特征在于陣列口徑形式為平面、規(guī)則的柱面部分或全部或規(guī)則的球面部分或全部，或不規(guī)則的任意曲面。
5.如權(quán)利要求
6.如權(quán)利要求理相控陣。
7.如權(quán)利要求陣。I所述的一種近場相控陣波束聚焦方法，其應(yīng)用領(lǐng)域為雷達(dá)波或聲波。I所述的一種近場相控陣波束聚焦方法，其應(yīng)用口徑為數(shù)字相控陣或物I所述的一種近場相控陣波束聚焦方法，其應(yīng)用口徑為有源或無源相控
全文摘要
本發(fā)明涉及一種近場相控陣波束聚焦方法，其根據(jù)點(diǎn)源的非線性相移在口徑的近場形成可與遠(yuǎn)場相比擬的波瓣圖，陣列各單元的初始幅度相位權(quán)重是由近場傳輸算子在獲取理想波瓣圖求Moore-Penrose廣義逆的方法獲得，并以該解析表達(dá)為參考，優(yōu)化波束的指向、零深和副瓣等參數(shù)，在相控陣陣列的近場綜合出高性能波束。
文檔編號H01Q3/30GK102544732SQ201210041619
公開日2012年7月4日 申請日期2012年2月21日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月21日
發(fā)明者李志平, 武建華, 許鼎 申請人:北京航空航天大學(xué)