【摘要】：傳統(tǒng)的寬頻段接收/發(fā)射結(jié)構(gòu)受陣列拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和電子元器件水平的制約,難以進(jìn)一步擴(kuò)展接收/發(fā)射帶寬;另外,傳統(tǒng)的發(fā)射多波束形成技術(shù)主要以子陣劃分的形式實現(xiàn),極大地降低了陣元的使用效率。因此,對于新型寬頻段接收/發(fā)射結(jié)構(gòu)以及同口徑數(shù)字發(fā)射多波束形成方法的研究成為了當(dāng)下的一個研究熱點。本文首先在陣列層面研究了適于寬頻段接收/發(fā)射的陣列形式,并提出了相應(yīng)的陣列拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和陣列權(quán)值的聯(lián)合優(yōu)化算法;其次在接收/發(fā)射結(jié)構(gòu)層面提出了兩種新型多通道寬頻段接收/發(fā)射結(jié)構(gòu),并對其信號處理流程和關(guān)鍵參數(shù)提取進(jìn)行了研究;然后在算法層面對自適應(yīng)多波束形成算法和恒定束寬低旁瓣發(fā)射多波束形成算法分別進(jìn)行了研究;最后通過改進(jìn)數(shù)字相控陣發(fā)射模式,提出了一種引入距離維參量的發(fā)射多波束形成方法。因此,本文以進(jìn)一步提升接收/發(fā)射帶寬和同口徑發(fā)射多波束性能為研究目標(biāo),從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)到算法模塊進(jìn)行了立體式多維度研究。本文的主要工作及相關(guān)研究成果如下:1)研究了稀布圓陣的信號模型并建立了稀布圓陣方向圖優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)與解向量。研究了基于新型選擇算子的改進(jìn)型遺傳算法,改進(jìn)后的遺傳算法種群的多樣性得到提升,陷入局部最優(yōu)解的概率下降,適用于快速全局尋優(yōu)。同時,研究了稀布圓陣方向圖函數(shù)的一階泰勒級數(shù)展開模型,通過設(shè)定一個解向量的極小增量近似地將方向圖優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為迭代優(yōu)化問題,每次迭代可建立為二階錐規(guī)劃優(yōu)化問題,迭代優(yōu)化算法極易陷入局部最優(yōu)解,適用于小范圍內(nèi)的高精度尋優(yōu)。本文結(jié)合以上兩種算法提出了一種稀布圓陣的方向圖優(yōu)化算法,以遺傳算法的解作為迭代算法的初始值,實現(xiàn)了陣元位置與陣元權(quán)值的聯(lián)合優(yōu)化,可獲得高精度全局最優(yōu)解。實驗證明本文算法較現(xiàn)有稀布圓陣方向圖遺傳優(yōu)化算法旁瓣性能更優(yōu)。2)基于改進(jìn)型Nyquist折疊結(jié)構(gòu),提出了一種基于正弦調(diào)頻(SFM)調(diào)制本振的多通道Nyquist折疊接收/發(fā)射結(jié)構(gòu)。在非合作模式下分析了接收信號與發(fā)射信號的處理流程,以及周期非均勻本振的約束條件。基于所提結(jié)構(gòu),提出了一種基于同步本振因子的Nyquist區(qū)(NZ)標(biāo)號估計算法,并進(jìn)一步提出了基于NZ標(biāo)號估計的接收/發(fā)射波束形成方法。根據(jù)調(diào)制類型的不同,提出了一種基于周期線性調(diào)頻(LFM)調(diào)制本振的多通道Nyquist折疊接收/發(fā)射結(jié)構(gòu)。在非合作模式下研究了其信號處理流程并提出了基于去斜函數(shù)(DF)的NZ標(biāo)號估計算法。在此基礎(chǔ)上提出了基于NZ標(biāo)號估計的接收/發(fā)射波束形成方法。最后,實驗驗證了兩種結(jié)構(gòu)寬頻段接收/發(fā)射的有效性,以及NZ標(biāo)號估計性能是影響波束形成性能的關(guān)鍵因素。3)構(gòu)建了自適應(yīng)多波束形成的數(shù)學(xué)模型并分析了傳統(tǒng)自適應(yīng)波束形成算法的魯棒性。為同時應(yīng)對有限快拍和自消情況,本文首先研究了動態(tài)對角加載算法并給出了具體的加載值;然后提出了相關(guān)向量子空間算法,最大限度地消除了強(qiáng)期望信號所導(dǎo)致的協(xié)方差矩陣估計誤差,并針對弱期望信號對協(xié)方差矩陣進(jìn)行補(bǔ)償,使得自適應(yīng)多波束形成算法針對強(qiáng)弱期望信號都具有較好的魯棒性;最后,本文結(jié)合動態(tài)對角加載算法和相關(guān)向量子空間算法提出了一種基于協(xié)方差矩陣重構(gòu)的自適應(yīng)多波束形成算法,有效提升了自適應(yīng)多波束形成算法在有限快拍和自消情況下的魯棒性。另外,本文研究了一種期望信號導(dǎo)向矢量存在較小誤差時的導(dǎo)向矢量修正算法,進(jìn)一步提升了自適應(yīng)多波束形成算法的魯棒性。4)研究了最佳頻率聚焦的基本原理以及最佳聚焦矩陣和聚焦頻率的確定方法,并分析了窄帶和寬帶發(fā)射多波束形成算法的數(shù)學(xué)模型。針對窄帶發(fā)射信號,提出了一種基于最低旁瓣二階錐規(guī)劃優(yōu)化算法的發(fā)射多波束形成算法;針對寬帶信號,本文聯(lián)合最佳頻率聚焦算法和最低旁瓣二階錐規(guī)劃優(yōu)化算法提出了一種恒定束寬低旁瓣寬帶發(fā)射多波束形成算法。仿真實驗證明本文所提出的發(fā)射多波束形成算法在主波束穩(wěn)定度、頻率變化敏感度以及旁瓣電平等方面較現(xiàn)有算法更優(yōu)。5)研究了頻控陣的設(shè)計思路以及發(fā)射波束方向圖函數(shù),在二維圓陣的基礎(chǔ)上,提出了一種改進(jìn)型數(shù)字相控陣發(fā)射模式。從數(shù)學(xué)和實驗兩方面分析了引入距離維參量的改進(jìn)型數(shù)字相控陣發(fā)射波束方向圖,并在此基礎(chǔ)上研究了距離與角度、距離與時間之間的耦合特性。考慮實際中發(fā)射端動態(tài)限制,本文將權(quán)值幅度動態(tài)約束問題轉(zhuǎn)化為凸優(yōu)化問題,提出了一種權(quán)值幅度動態(tài)與波束時不變性聯(lián)合優(yōu)化的最優(yōu)權(quán)值求解算法,得到了幅度動態(tài)較小且發(fā)射多波束綜合性能較優(yōu)的權(quán)值。實驗證明本文提出的改進(jìn)型數(shù)字相控陣在空間有效形成多個點波束,且多維聯(lián)合優(yōu)化算法較現(xiàn)有算法所得空間點波束綜合性能更優(yōu)。
【學(xué)位授予單位】：電子科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TN911.7

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本文編號：2636297