基于二阶锥优化方法的MIMO阵列发射方向图设计

由于MIMO 阵列发射方向图通常是由期望方向图优化出信号协方差矩阵来实现,其方法运算量大且算法性能依赖参数选取等。该文提出利用基于二阶锥优化(second-order cone programs)方法的主瓣宽度约束条件下最低旁瓣波束形成构造出一组较低旁瓣的基波束,在集中式MIMO阵列的任意发射方向图可以由一组基波束合成的基础上,应用线性规划方法快速求解出构成发射方向图的基波束的比例系数。该方法设计的方向图具有更低的旁瓣和更加平滑的主瓣指向,仿真结果证实了方法的有效性。     

干扰条件下MIMO雷达收发联合方向图优化设计

针对干扰条件下MIMO雷达面临的信号截获以及干扰源快速移动等问题,对雷达收发方向图进行优化设计。在发射端利用最小积分旁瓣准则对发射波束矩阵进行优化,将发射信号能量集中到目标空域,降低旁瓣并在干扰方向形成发射零陷;在接收端利用广义对角加载方法优化接收方向图,在提高信号接收稳健性的同时展宽零陷。通过对MIMO雷达收发方向图进行联合优化设计,解决了信号被截获及快速移动的有源干扰等问题,从收发两端共同提高雷达整体性能。通过实验仿真对比分析,验证了所提方法的可行性和有效性。     

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。     

宽带相控阵雷达发射多波束形成技术研究

针对宽带LFM 雷达发射多波束形成问题开展研究,设计了一种采用时变加权的低成本和低复杂度的同时发射多波束形成系统方案,并研制了一套S波段4通道的测试系统。该测试系统带宽>20%,中心频率在2.45GHz。在该系统中,波束形成和通道校正权值都通过在发射射频链路上以时(频)变加权的方式实现,实际测试得到的通道射频特性和远场方向图结果验证了该方法的技术可行性。     

基于多线性约束的旁瓣抑制技术

针对常规波束形成器的方向图旁瓣过高的问题,建立了天线阵列对信号的接收模型。对基于线性约束最小方差(Linear Constrained Minimum Variance,LCMV)准则的波束形成器性能进行了分析,提出了一种基于多约束LCMV的旁瓣抑制方法。通过搜索寻找到降低旁瓣级和主瓣展宽程度的多约束条件,并将求得的加权向量投影到基于特征结构的投影矩阵上。对该算法进行了计算机仿真,验证了算法的可行性,并分析了仿真结果,指出了算法的优点与不足。     

基于矩阵加权的稳健波束形成方法

提出了一种基于约束主瓣幅度波动范围的矩阵加权波束形成方法,该方法相比已有方法可以有效控制方向图的主瓣形状、旁瓣电平以及零点深度.存在噪声和系统误差时,该方法对于信号功率的估计具有更好的稳健性.通过约束主瓣幅度波动范围波束形成方法求得加权矩阵的协方差矩阵,对该协方差矩阵做特征值分解求得加权矩阵,通过划分特征值大小来确定最小规模的加权矩阵,该加权矩阵可以在不损失方向图形状和信号功率估计性能的条件下有效降低系统实现复杂度.     

基于知识辅助的MIMO雷达波形设计方法

该文针对雷达系统受到天线主瓣和副瓣杂波以及强干扰影响时性能下降问题,提出基于距离扩展目标和杂波先验信息的MIMO雷达波形设计方法。首先建立了目标函数,综合考虑了波束主瓣增益、旁瓣杂波抑制能力以及目标输出SCNR的改善性能;然后在优化问题求解中对约束条件进行松弛,使得波形矩阵空域和时域2维解耦合,从而实现空域波束形成和时域波形设计独立优化求解;其次利用L-BFGS算法设计恒模的发射波形矩阵,形成低副瓣的波束方向图和较深的强杂波抑制凹口,并基于目标输出SCNR最大化准则,利用迭代算法分步求解优化的主瓣发射波形和接收滤波器;最后通过电磁仿真的距离扩展目标数据验证所提算法的有效性。     

基于DDS和Taylor加权发射波束形成研究

提出了一种对水声换能器基阵的发射波束进行优化控制的方法。首先,根据Taylor加权的计算公式,计算出可获得低旁瓣波束各阵元的幅度加权系数;然后,应用直接数字频率合成(DDS)技术设计出每个阵元偏移一定相位的发射信号;最后,结合高性能现场可编程门阵列(FPGA)技术,设计了8元直线阵的发射波束形成。仿真计算和实验结果表明,文章设计的方法不仅能实现低旁瓣的发射波束,还能很精确地控制发射波束角度,为以后的实际工程实现提供了参考方案。     

多输入多输出雷达发射天线低旁瓣设计

多输入多输出(MIMO)雷达发射波形的多样性,为发射方向图设计提供了更多的自由度。针对阵元等功率条件下获得低旁瓣高增益发射波束的问题,提出了一种采用极小极大准则优化设计发射波形相关矩阵的方法,并将该约束优化问题转换为无约束优化问题,便于采用经典迭代法求解。仿真结果表明:采用极小极大准则设计的发射方向图旁瓣区域平坦,最高旁瓣电平接近理论最低值。最后采用循环(CA)算法,获得易于数字阵列系统实现的相位编码信号,使用该相位编码信号得到的实际发射方向图与理论结果匹配良好。     

目标角度估计的多输入多输出雷达发射方向图综合

针对传统多输入多输出(Multiple-Input Multiple-Output,MIMO)雷达发射功率分散导致目标角度估计性能变差的问题,提出了一种新的MIMO雷达发射方向图综合方法.首先,结合发射功率的空域聚焦范围和发射导向矢量的旋转不变性,严格控制方向图逼近误差小于给定的门限,并且最小化发射方向图的峰值旁瓣功率;其次,约束协方差矩阵的对角元素相等,以实现发射功率效率最大化,在此基础之上推导了优化模型的二阶锥规划形式,以便采用原对偶内点算法进行有效求解;最后,利用平行因子分析算法对空间目标进行了收发角度估计.仿真结果表明:优化所得加权矩阵不仅能够使发射信号在指定空域进行有效聚焦,而且确保了每个阵元的发射功率相等,因而在发射功率和角度估计方法相同时,所提方法相对传统MIMO雷达具有更好的角度估计精度.     

宽带光控阵多波束超分辨测向算法

为了解决多信号并存时多波束系统的测向问题,针对宽带光控阵幅度加权和时延控制的多波束形成方式,提出了一种宽带波束域超分辨测向算法。建立了宽带光控阵多波束数据模型,首先将接收数据变换到频域,进行频谱分析,然后选择较大信号频率分量分别进行超分辨谱估计,最后将各频点估计结果融合得到最终的估计值。分析了波束参数的选取,包括波束数目、波束间隔以及幅度加权方式对算法性能的影响。算法能够分辨同时达到多波束系统的多个信号,仿真实验验证了算法的有效性和正确性。      

基于波束域导向矢量估计的稳健自适应波束形成方法

针对导向矢量失配和样本协方差矩阵估计误差导致自适应波束形成性能下降的问题,该文提出一种基于波束域导向矢量估计的稳健方法。该方法首先利用期望信号角度失配区域的补集构造波束域转换矩阵,克服了当样本协方差矩阵中存在期望信号分量时现有算法出现有用信号对消的缺点。其次推导出波束域导向矢量估计方法,并将其转化为包含恒模约束的非凸二次约束二次规划问题,然后采用半正定松弛规划估计实际的波束域导向矢量。计算机仿真验证了该文所提方法的有效性。     

频率分集阵列“点”型发射方向图综合方法

波束综合技术可将雷达发射功率在感兴趣的空域汇聚,相关研究已从角度维上的聚焦发展到距离-角度二维空间上的聚焦,这种技术在高分辨率成像、远距离能量传输和医学靶向治疗等方面有广阔应用前景。针对现有基于频率分集阵列的“点”型发射方向图综合方法在分辨率和阵元间发射功率均衡性方面存在的不足,在理论分析“点”型发射方向图综合求解算法的同时,提出了基于凸优化的约束加权矩阵综合新算法。仿真结果表明,该算法在有效性、分辨率和旁瓣抑制性能方面比现有算法有较大提高。     

波束-多普勒酉ESPRIT多目标DOA估计

高分辨波达方向(DOA)估计是地基/空基预警雷达实现主波束内多目标精细跟踪需要解决的关键问题。针对上述问题,该文提出一种波束-多普勒酉ESPRIT多目标DOA估计算法。该方法首先通过时域平滑技术构造多个快拍。然后采用中心共轭对称傅里叶变换矩阵将数据变换至波束-多普勒域,同时保留旋转不变结构。最后采用实值ESPRIT算法估计目标的DOA。所提方法充分利用了信号的时域信息来改善空域参数估计性能,同时具有较低的计算复杂度。实验结果证明了所提方法的有效性。     

杂波环境下共享频谱恒模波形设计

针对射频频谱环境愈发拥挤问题,深入研究了通过波形设计的手段实现频谱共享的问题。为紧密贴近工程实践,提出了一种新的方法设计恒定幅度信号的问题。该算法首先针对雷达发射端,提出雷达波形满足特定的时域与频谱要求,施加约束,然后考虑雷达接收滤波器接收杂波,以优化最大信干噪比建立优化问题模型,得到了一个非凸的分式规划问题模型。最后,利用分步优化方法分解为两个优化问题,并且将非凸问题松弛为可解的凸问题再利用高斯随机化方法得到优化信号,多次循环优化。仿真结果验证了该算法的有效性,该方法设计得到的探测信号能够实现频谱共存,而且信干噪比性能能够得到保证。      

Efficient Design of Cosine-Modulated Filter Banks via Convex Optimization

This paper presents efficient approaches for designing cosine-modulated filter banks with linear phase prototype filter. First, we show that the design problem of the prototype filter being a spectral factor of $2M$th-band filter is a nonconvex optimization problem with low degree of nonconvexity. As a result, the nonconvex optimization problem can be cast into a semi-definite programming (SDP) problem by a convex relaxation technique. Then the reconstruction error is further minimized by an efficient iterative algorithm in which the closed-form expression is given in each iteration. Several examples are given to illustrate the effectiveness of the proposed method over the existing ones.      

5G移动通信特殊成形基站天线设计

针对5G大范围覆盖的应用场景进行了设计探讨,提出通过对基站天线垂直面进行余割平方成形、以保证大范围覆盖应用场景下信号的均匀性的方法。首先通过算法推导,证明余割平方成形的功率辐射波束可满足5G信号均匀覆盖的要求;其次,采用约束最优化方法,把天线的方向性系数作为目标函数,把指定区域的波束电平作为约束函数,求解基站天线辐射单元的权值,得到满足余割平方成形的辐射方向图。在MATLAB环境下开发了实现此算法的程序。本文的创新之处在于用实际的单元方向图和约束最优化方法,在保证天线增益最优的前提下,综合出需要线阵列天线方向图。引入仰角单元与其他正常单元一起综合方向图,解决顶盲问题,是这个方法的一个应用实例。最后,仿真验证该方法,并设置场景对应用余割平方成形的天线与常规天线的信号覆盖进行比较,证明该方法对信号均匀性有极大的改善。     

Beamforming design for energy-constrained full-duplex two-way relaying system

A beamforming design was proposed under simultaneous wireless information and power transfer (SWIPT) protocol.A utility optimization problem was considered aiming to maximize the harvested energy by jointly optimizing the beamforming matrix,the power splitting ratio at the relay and the transmit powers at the sources.Since the formulated joint optimization problem was nonconvex,it was difficult or even intractable to obtain the global optimal solution.To overcome this issue,the objective problem into three subproblems was decoupled which could be solved by the proposed semidefinite relaxation technique and the derived constraints activation solution,respectively.The solution was finally obtained with the proposed convergent iterative algorithm.Simulation results show that the proposed joint optimization scheme achieves the optimal performance.Compared with the traditional half-duplex (HD) algorithm,the proposed algorithm can obtain 2~3 times energy harvesting (EH) efficiency improvement,while the computational complexity increases slightly.     

基于实值处理的联合波束域双基地MIMO雷达测角算法

该文提出一种基于实值处理的联合波束域双基地多输入多输出(MIMO)雷达测角方法。与直接采用离散傅里叶变换(DFT)空域滤波器的传统波束域方法不同,该方法的空域滤波器通过凸优化方法进行设计,能够灵活控制空域滤波器的带宽并抑制旁瓣电平。基于这种特性,设计的空域滤波器的主旁瓣比能够得到很大提高,从而提高测角性能。更重要的是,所提算法对发射和接收波束矩阵的结构进行设计,这种特殊的结构是构造实值信号模型的必要条件。最后,该文通过建立映射关系的方法对插值误差进行补偿。仿真结果验证了该算法的有效性。     

Multiple cluster beamspace and resolution-enhanced ESPRIT

This paper addresses approaches to enhancement of the resolution of one or more clusters of closely spaced emitters. The TLS-ESPRIT algorithm is considered, as applied in beamspace and in element space, in conjunction with resolution enhancement. Beamspace (BS)-ESPRIT employs a matrix beamformer as a preprocessor to map the sensor space into a lower dimensional beamspace. Resolution enhanced (RE)ESPRIT employs a matrix beamformer as a left weighting of the signal subspace eigenvector matrix for enhancing the resolution of ESPRIT. This paper specifically discusses several types of these beamformer matrices, which differ in the way that they treat source clusters other than of interest. Our objective is to clearly define approaches and identify their relative merits, through discussion and illustrative simulation, so as to provide an understanding of how to proceed in designing an ESPRIT algorithm