频控阵点型发射接收波束形成及应用方法研究

来源 :哈尔滨工程大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:yinmeng6112501
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波束形成技术作为阵列信号处理的核心技术之一,其方法在相控阵上已经得到了广泛的研究与应用。然而相较于相控阵,频控阵由于阵元之间存在一个微小的频率偏移,从而能够形成其独特的角度-距离二维依赖性波束及空间波束自动扫描特性,因此频控阵在距离维上拥有了更多的应用场景。但是频控阵的空间波束存在角度-距离耦合性问题,这种耦合性波束分布并不总是符合实际应用要求的,比如需要只在某一特定区域形成波束主瓣、需要精准的将信号发射向一个指定的目标点等情况。因此,研究频控阵的点型波束形成技术具有非常重要的意义。本论文的主要内容如下:首先,简要阐述了波束形成的理论基础与数学模型,在此基础之上研究了频控阵的阵列结构和信号模型,并结合其结构特点推导了其方向图。接着探讨了频控阵的方向图辐射特性,给出了方向图的角度、距离和时间维的周期公式并进行了仿真分析。进一步地通过仿真分析验证了阵列的关键参数对频控阵方向图形状和性能产生的影响。其次,针对频控阵的角度-距离耦合问题对频控阵点型发射波束形成方法进行研究。在常规的S型发射波束形成的基础上,对其频率偏移方案进行研究以达到一个点型波束的目的,分别研究了对数增长频偏、平方增长频偏、立方增长频偏与正弦增长频偏方案,并对其波束图进行对比分析,仿真结果表明这四种频偏增长方案虽然消除了S型波束的周期性,形成了近似点型的波束,但是波束的拖尾现象都比较严重。然后,讨论了一种稀布频偏的思想,在一定的频率范围内,对每个阵元的频偏进行寻优,得到一组新的频偏方案,仿真结果表明,此方法可以一定程度上提升波束的汇聚性能,但旁瓣电平依然较高,波束拖尾现象仍然存在。针对此问题,研究了多载波的阵列模型,在此基础上提出了平方根增长频偏方案,通过仿真结果可以看出,此方法可以得到一个能量集中的,分辨率比较高的点型波束。并在此模型上采用了基于指数校正的LCMV算法进行了自适应波束形成,使其在快拍数较低或者快拍数受限的条件下也能实现性能较好的点型波束。最后,研究了统一接收与分离式接收两种频控阵接收模型,并对其进行对比分析,仿真结果表明统一接收模型下波束图不具有走动性,波束主瓣指向与目标位置存在偏差,而分离式接收模型会在指定位置上形成谱峰。在此基础上,针对抗干扰技术的发展需求,针对主瓣干扰问题,利用频控阵的特性对空时抗干扰方法进行了研究,推导了频控阵角度-距离二维空时信号模型,对比常规的线性约束最小方差算法,提出了基于频控阵的阻塞矩阵处理方法,给出了阻塞矩阵的具体结构,并对其进行仿真分析,结果表明此算法能成功的将接收信号中的主瓣干扰抑制掉,同时具有良好的波束保形性。
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