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阵列天线虚拟扩展及其波束形成研究

潘菲  
【摘要】:为了在不增大阵列天线尺寸的情况下,提高阵列的角度分辨率,从而达到处理更多空间来波信号的目的,阵列天线虚拟扩展技术随之产生。其中内插变换扩展技术由于其具有可以将任意阵列转换为均匀直线阵,变换矩阵可以实现线下处理等优点被广泛的应用。随着研究的深入发现,内插变换虚拟天线在进行波束形成时存在“角度敏感”、“插值步长敏感”、计算量大等问题。因此,本文针对内插变换虚拟天线波束形成算法进行了改进且为更好的改进以上问题,提出了新的阵列扩展方案。具体内容如下:(1)针对内插变换虚拟阵列天线进行波束形成时,角度敏感引起的在变换区域外无法抑制干扰和变换区域过大时零点漂移等问题,提出一种抑制变换误差下的虚拟天线波束形成算法。该方法是利用变换误差及其协方差矩阵分别对期望信号虚拟导向矢量和协方差矩阵进行约束,减小变换误差的影响。仿真结果表明,该算法不仅可以实现大角度内插变换波束形成,而且在处理干扰信号时获得了更好的抑制性能,零陷深度加深,增加了虚拟天线波束形成的输出信干噪比。(2)针对内插变换虚拟天线波束形成存在适用角度范围受限和副瓣较高等问题,提出一种联合优化副瓣电平和变换误差的虚拟天线波束形成算法。该方法是在保证主波束对准期望信号方向和各插值点处误差输出功率最小情况下,约束副瓣区域功率按角度加权和最小。仿真结果表明,可以实现大角度内插变换下低副瓣波束形成,不存在锥化后权系数差别较大问题,且主瓣宽度较窄。对于来自波束主瓣方向的空间来波信号有很好的接收效果,而对于来自副瓣方向的来波信号有很好的抑制性能。(3)针对利用内插变换技术进行阵列扩展时,存在的运算量较大且波束形成性能对变换角度和插值步长较为敏感等问题,提出一种导向矢量对称扩展的新算法。该算法的关键是利用接收数据共轭信息和信源的协方差矩阵是实对角阵两个性质来扩展数据协方差矩阵的维度,实现实际阵列天线的虚拟扩展。仿真结果表明,新的阵列扩展算法不受变换角度范围以及插值步长的影响,可以实现大角度虚拟天线波束形成且算法复杂度远远低于内插变换虚拟天线波束形成。


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