基于數(shù)據(jù)重構(gòu)的稀布陣數(shù)字波束形成技術(shù)研究.pdf

1、數(shù)字波束形成天線(xiàn)的每個(gè)天線(xiàn)單元都有一個(gè)對(duì)應(yīng)的T/R組件，因而陣列的陣面造價(jià)十分昂貴，是雷達(dá)耗資的主要部分。對(duì)于大型的陣列，DBF雷達(dá)造價(jià)將變的十分昂貴，采用稀布陣技術(shù)和子陣技術(shù)，在保證雷達(dá)窄的波束和高的角分辨率的同時(shí)，可以大大減少射頻通道數(shù)量，從而降低成本，因此稀布陣技術(shù)受到了人們廣泛的關(guān)注，是目前的研究熱點(diǎn)之一。
　　本文為了解決現(xiàn)有稀布陣波束形成技術(shù)存在的不能進(jìn)行波束掃描和自適應(yīng)干擾抑制等問(wèn)題，在壓縮感知理論和低秩矩陣填充理論

2、的基礎(chǔ)上，開(kāi)展了基于數(shù)據(jù)重構(gòu)的稀布陣數(shù)字波束形成技術(shù)研究。主要工作如下:
　　(1)提出了基于數(shù)據(jù)重構(gòu)的稀布陣數(shù)字波束形成天線(xiàn)系統(tǒng)框架。在原來(lái)的DBF系統(tǒng)上增加了兩個(gè)模塊:壓縮采樣網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)重構(gòu)模塊，壓縮采樣網(wǎng)絡(luò)在射頻通道之前，數(shù)據(jù)重構(gòu)模塊在A(yíng)/D采樣和DBF處理器之間。壓縮采樣網(wǎng)絡(luò)對(duì)空域信號(hào)進(jìn)行壓縮欠采樣，采樣得到的信號(hào)經(jīng)過(guò)混頻和A/D采樣之后，用數(shù)據(jù)重構(gòu)算法對(duì)信號(hào)進(jìn)行恢復(fù)，得到滿(mǎn)陣時(shí)各通道的信號(hào)，然后進(jìn)行數(shù)字波束形成，得到DB

3、F輸出信號(hào)。該方法可以在不減小天線(xiàn)口徑，不影響波束性能的前提下，大大減少射頻前端數(shù)量。
　　(2)在上述系統(tǒng)框架下，提出了基于壓縮感知的數(shù)字波束形成算法。首先給出了基于壓縮感知的數(shù)字波束形成算法的數(shù)學(xué)模型;接著給出了一種簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)的壓縮采樣網(wǎng)絡(luò)，并根據(jù)采樣矩陣與投影矩陣之間的關(guān)系，提出了一種基于遺傳算法的陣列位置優(yōu)化方法;其次給出了兩種壓縮感知的重構(gòu)算法:正交匹配追蹤算法(CS-OMP)和光滑l0范數(shù)法(CS_SLO)，并比較了兩

4、種算法的恢復(fù)效果;然后針對(duì)目標(biāo)不在柵格上時(shí)性能惡化這一問(wèn)題，提出了非均勻柵格方法，提高一定的恢復(fù)性能;最后給出了線(xiàn)陣及面陣下的仿真，仿真結(jié)果表明該算法得到的方向圖性能良好，可以進(jìn)行波束掃描和自適應(yīng)干擾抑制。
　　(3)為了進(jìn)一步解決目標(biāo)不在柵格上時(shí)，恢復(fù)誤差變大這一問(wèn)題，提出了基于低秩矩陣填充的數(shù)字波束形成算法。利用回波信號(hào)在空域的稀疏性，用稀布的陣元接收信號(hào)，構(gòu)造不同的低秩矩陣，提出了基于快拍處理和基于數(shù)據(jù)塊處理兩種信號(hào)恢復(fù)方法

5、:a)基于單快拍的處理方法，將每個(gè)快拍的回波信號(hào)分別進(jìn)行重排，構(gòu)成Hankel矩陣，然后用不精確的增廣拉格朗日乘子法(ILAM)進(jìn)行元素的填充;b）基于數(shù)據(jù)塊的處理方法，用多快拍的欠采樣數(shù)據(jù)構(gòu)造一個(gè)半正定的低秩矩陣，然后交替方向乘子法(ADMM)進(jìn)行數(shù)據(jù)填充。這兩種算法都不需要將空域柵格化，恢復(fù)結(jié)果與目標(biāo)角度無(wú)關(guān)，較好地解決了目標(biāo)不在柵格上的問(wèn)題，理論仿真結(jié)果也證明了這一點(diǎn)，且基于數(shù)據(jù)塊處理的方法性能優(yōu)于基于單快拍處理的方法。
　

6、　(4)為了進(jìn)一步減少計(jì)算量，提出了基于自適應(yīng)柵格調(diào)整的數(shù)字波束形成算法。聯(lián)合正交匹配追蹤(J-OMP)算法在一定程度上解決了目標(biāo)不在柵格上的問(wèn)題，使目標(biāo)不在柵格上時(shí)恢復(fù)誤差有所減小。在此基礎(chǔ)上，針對(duì)角度信息隨快拍變化較慢的目標(biāo)，我們對(duì)該算法進(jìn)行了改進(jìn)，提出了基于自適應(yīng)柵格調(diào)整的優(yōu)化算法。該算法利用上一次估計(jì)得到的支撐集及角度偏差，調(diào)整柵格，不僅在恢復(fù)效果上優(yōu)于J-OMP，而且在信號(hào)恢復(fù)的過(guò)程中，去除了重復(fù)的原子選擇過(guò)程，大大減少了計(jì)算

7、量。較好地解決了目標(biāo)不在柵格上的問(wèn)題，計(jì)算量也小于低秩矩陣填充算法。為了解決低信噪比情況下，信號(hào)丟失問(wèn)題，采用多快拍的處理方式，使得小信號(hào)情況下的恢復(fù)性能有所改善。提出了另外一種壓縮采樣網(wǎng)絡(luò)，不規(guī)則子陣形式的壓縮采樣，與稀布陣結(jié)構(gòu)相比，由于該方法僅減少了射頻通道數(shù)量，而沒(méi)有減少陣元個(gè)數(shù)，所以恢復(fù)性能優(yōu)于稀布陣結(jié)構(gòu)。
　　(5)完成了基于數(shù)據(jù)重構(gòu)的稀布陣數(shù)字波束形成天線(xiàn)系統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn)和系統(tǒng)測(cè)試。針對(duì)實(shí)際工程需求，研制了X波段DBF雷