基于波形优化和天线位置选择的MIMO雷达波束扫描算法研究

为实现集中式多输入多输出(MIMO)雷达波束扫描,本文在峰值平均功率比(PAPR)、能量以及布尔(天线位置选择)约束下,基于min-max波束图匹配准则,首次提出MIMO雷达天线位置和多组探测波形(一组波形对应一个独立的波束图)的联合优方法。由于非凸PAPR约束、布尔约束以及min-max目标函数的非凸非光滑性导致了优化问题成为典型的大规模NP-难问题。为求解该NP-难优化问题,该文首先利用Lawson算法将min-max问题转化为迭代加权最小二乘(ILS)问题,然后根据上界函数最小化(MM)准则简化ILS优化问题,最后用交替方向乘子法(ADMM)求解简化后的上界优化问题。数值仿真结果检验了所提算法的有效性。      

低副瓣任意波束直接合成算法研究

在传统阵列天线波束赋形设计中，通过对阵元天线辐射方向图进行幅度相位加权，获得阵列合成方向图.通常阵元激励幅度相位权值的获取，取决于优化算法对目标方向图和阵列合成方向图的对比，通过对阵元激励幅度相位进行大量随机选参后，获得优化结果.由于算法通常是基于相关的阵元方向图，且算法中缺乏副瓣抑制机制，使得方向图合成效率不高且副瓣效果通常不理想.该文设计了一种任意波束直接合成算法.该方法首先在阵元方向图的基础上获得一组互相独立的高增益窄波束（自由基波束），然后基于此波束进行方向图的直接合成，使波束赋形问题统一到基于自由基波束权值运算的范畴内，对波束赋形问题进行了统一，避免了未知参量的随机优选过程，极大提升了阵列天线波束赋形设计的效率.同时在自由基设计的过程中结合了副瓣抑制机制，且这种副瓣抑制机制与波束赋形过程互相独立，使合成波束的副瓣天然地具备了低副瓣的特征.     

一种新型波束赋形算法

为了使智能天线获得最大的处理增益,基于传统的on-off波束赋形算法,提出了一种新型的波束赋形算法。该算法通过利用最速下降法最大化用户数据的SINR,获得入射平面波到达各阵元相对到达参考阵元距离差的最优解,从而极大化目标函数,在此基础上,求取智能天线阵元的最优波束赋形权值。仿真表明,采用论文提出的算法可以大大改善智能天线系统性能。     

一种基于空频结构与空时结构权值转换的精确宽带波束赋形算法

该文提出一种空时结构下的精确宽带波束赋形算法。在空频结构下,对各子带权值进行波束赋形优化。根据权值在满足共轭对称条件下,阵列幅度响应可以转换为线性函数这一原理,将波束赋形转换为凸优化问题。利用内点法得到最优权值后,通过空频结构与空时结构之间的权值转换关系,得到空时结构下的波束权值。该算法能够对宽带波束图进行精确地赋形,同时保证在期望方向上阵列响应具有线性相位特性。仿真结果验证了算法的有效性。     

基于极小极大值算法的多波束天线优化设计*

为了以多个性能近似一致的点波束覆盖服务区,提出了一种新型赋形多波束天线设计方法。优化过程中将天线口径投影面内的相位分布和各个馈源的位置作为优化变量,然后以不同位置波束的增益和旁瓣作为目标函数,最后利用极小极大值算法获得高增益低旁瓣多波束覆盖。数值仿真结果表明了优化设计的有效性,解决了传统标准单口径单馈源多波束天线旁瓣电平高、波束交叠增益低的问题。     

星载赋形波束单馈源单偏置反射面天线设计

为了使星载赋形波束天线远场方向图与服务区形状匹配良好,并且在波束覆盖区内具有较平坦的方向性系数,将表征反射面形状的Zernike多项式展开系数作为优化变量,建立基于最小P乘法和Minmax方法的适应度函数,利用进化算法进行赋形反射面天线优化。利用该方法设计了覆盖中国大陆和巴西的赋形波束反射面天线。仿真结果表明,天线远场方向图与服务区形状均匹配良好,服务区内的方向性系数波动量分别为2.31 dB和11.23 dB,该值比现有方法小,并且该方法具有较高自由度及收敛性好的特点。     

移动通信系统中基站天线波束赋形设计

摘 要：基站天线的波束赋形设计是提高移动通信系统信道性能的有效手段之一。本文基于移动通信系统，建立了基站天线赋形的优化模型，给出求解具有多个复杂约束条件的乘子罚函数的迭代算法。以八单元线阵为例，设计出压低上半空间所有副瓣峰值，填充下半空间零陷的基站天线，验证了本文方法的正确性和有效性。该方法对于波束赋形问题具有一定的借鉴意义。     

一种基于自适应阵列天线的波束赋形算法

自适应阵列天线中的数字波束赋形(DBF)技术是智能天线数字信号处理部分的核心.提出了一种可用于自适应阵列波束赋形的SMI-LMS算法--由SMI(采样协方差矩阵求逆)算法决定LMS(最小均方)算法的初始权向量.该算法充分结合了SMI算法收敛速度快和LMS算法稳态误差小的优点,能在较强干扰环境下,确保权向量的快速收敛和跟踪速度.与传统的LMS算法相比,SMI-LMS算法具有良好的收敛性能、较快的跟踪速度和较小的输出误差,并可以有效改善自适应方向图的副瓣性能.仿真结果验证了该结论.     

基于特征值滤波器方法的阵列方向图综合

雷达阵列天线常涉及方向图综合,而天线阵综合常是利用优化算法优化幅相及阵元间距等参数的过程。提出一种基于特征值滤波器方法的阵列天线波束赋形综合方法。该方法在最小二乘误差准则下,将阵列复值权矢量求解问题转化为一个求解复Hermitian矩阵的最小特征值对应的特征向量的问题。设计中还可方便地加入零陷约束等线性约束。通过实例设计验证了提出方法的有效性。     

一种适用于任意峰度非高斯信号的多目标盲波束形成方法

该文提出了一种新的适用于任意峰度非高斯信号的多目标盲波束形成算法。该方法在最大峰度算法(KMA)的基础上,引入信号的互相关约束定义了一种新的代价函数。通过对该代价函数的最大化,来盲估计波束形成器的权向量,从而完成对多目标的分离和定向。由于波束形成过程不需要正交化处理,避免了波束形成器锁定噪声的可能性。同时,采用一种复数编码的遗传算法来求解权向量,不但可避免陷入局部极值的可能性,而且还能有效提高运行速度。仿真实验验证了该算法的有效性和正确性。     

Antenna array pattern synthesis via convex optimization

We show that a variety of antenna array pattern synthesis problems can be expressed as convex optimization problems, which can be (numerically) solved with great efficiency by recently developed interior-point methods. The synthesis problems involve arrays with arbitrary geometry and element directivity, constraints on far- and near-field patterns over narrow or broad frequency bandwidth, and some important robustness constraints. We show several numerical simulations for the particular problem of constraining the beampattern level of a simple array for adaptive and broadband arrays     

一种干扰零陷加宽的静态波束控制方法

基于静态波束控制技术(Quiescent Pattern Control),提出了一种新的适用于天线零陷加宽的新方法,该方法通过对得到的最优权值按照最小均方误差准则进行二次约束计算出新的权值,从而获得在干扰方向较宽零陷的静态方向图.理论分析和计算机仿真表明,该方法能够很好地克服干扰运动和接收天线平台运动或者震动时对输出信噪比造成的不良影响,具有很好的稳健性.     

基于半正定秩松弛方法的稳健波束形成

现有的向量加权稳健波束形成方法只有在指向误差较小的情况下才能有效估计目标的信号功率;矩阵加权波束形成方法在指向误差较大时,虽然可以估计目标的信号功率,但是它的系统实现复杂度与向量加权稳健波束形成方法相比较大。针对以上问题,该文提出基于半正定秩松弛(SDR)方法的稳健波束形成,该方法优化模型中的目标函数与Capon算法的目标函数相同,优化变量为加权向量的协方差矩阵,并约束方向图的主瓣幅度波动范围、旁瓣电平,协方差矩阵的秩为1。应用SDR方法求得加权向量的协方差矩阵,将该矩阵中的每一行(列)转化为加权向量,然后选择使得方向图主瓣与0 dB之间失真最大值最小的一个加权向量。该方法的系统实现复杂度与传统向量加权方法一致,对信号功率的估计性能与矩阵加权方法相当。仿真实验验证了该文方法可以得到理想的方向图形状,并且可以在大指向误差条件下有效估计信号功率。     

Linear antenna array pattern synthesis with prescribed broad nulls

A technique of synthesizing an antenna array pattern with prescribed broad nulls is presented. The array pattern synthesis problem is formulated as a least-square null constrained optimization problem. Numerical techniques based on the matrix factorization method are developed for reducing the computational complexity of determining the optimal weight vector. Subsequently, a set of eigenvector constraints are used to approximate the effect of the quadratic constraint. Numerical results are presented to illustrate the performance achievable     

一种稀布矩形平面阵的多约束优化方法

针对矩形孔径平面稀布阵的多约束优化问题(包括阵元数、阵列孔径和最小阵元间距约束), 提出了一种基于矩阵映射的差分进化算法.该方法把差分进化算法的优化变量与阵元位置坐标按照特定的关系进行矩阵映射, 使含有多约束的阵元分布优化问题转换为仅含差分进化算法优化变量上、下限约束的优化问题, 从根本上避免了进化过程中的不可行解.通过抑制阵列峰值副瓣电平进行仿真实验, 结果显示了该算法的高效性和稳健性, 且能获得比现有方法更好的优化结果.     

基于期望方向图匹配的MIMO雷达恒模发射波形设计算法研究

为提升MIMO雷达发射功率利用率,改善对目标的探测性能,研究了期望方向图匹配下的发射波形设计方法。建立了发射波形恒模约束下的方向图匹配加权优化模型;基于循环优化和majorization-minimization(MM)算法对原始非凸优化问题进行求解,通过构造合适的上界函数,可将原始问题松弛为等式约束下的序列线性规划问题,并能保证算法的收敛性;由于每一次迭代都能给出子问题的闭式解,因而所提方法的计算复杂度较低;仿真实验表明了所提方法的有效性。     

智能反射面辅助雷达通信双功能系统的多载波波形优化方法

雷达通信一体化是解决频谱资源拥挤问题的有效途径之一,而共享波形设计是同时实现雷达与通信功能的关键技术,该文旨在解决智能反射面(IRS)辅助雷达通信双功能(DRC)系统的多载波波形优化问题.首先,通过最大化传输功率、通信码字错误率(WEP)、旁瓣幅度与IRS反射系数约束下的雷达互信息(RMI),构建了双功能发射波形、IR...     

一种新的MIMO雷达发射波形设计方法

该文提出一种约束基波束权值动态的MIMO雷达发射波形设计方法。首先,构造一组发射波形集并从理论上推导了阵元发射波形的恒模特性,在此基础之上,将各阵元平均发射功率的均匀性控制问题转化为基波束权值动态的定量约束问题;其次,建立了直接约束权值动态的基波束优化模型,利用切线投影法和区域迭代法将其进行凸松弛,并且给出了二阶锥规划子问题和序列锥迭代流程;最后,利用二阶锥规划设计出了基波束的比例系数。所提方法在保证MIMO雷达发射方向图匹配性能的前提下,能够兼顾阵元发射功率均匀性和发射方向图旁瓣功率的性能,因而在设计发射波形时更具灵活性。仿真实验验证了所提方法的有效性。