数字波束形成.ppt

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现代雷达技术,第4章相控阵雷达,本章介绍,本章简介相控阵雷达简介多波束形成技术相扫基本原理空域滤波及数字波束形成引论,相控阵雷达简介,相控阵雷达简介相位控制阵列：

多个天线单元排成，各阵元馈电相位按一定程序灵活控制，完成特定的空间扫描优点：

相扫，无机械惯性，快速波束捷变多目标、远距离、高数据率、高可靠性多功能、多波束、自适应抗干扰缺点：

波束宽度随扫描方向变化,相控阵雷达简介,相控阵雷达简介（续）移相器控制波束的发射与接收无源阵：

收发共用一个或几个发射机和接收机有源阵：

每个阵元都连有可提供所需辐射功率的收发（/）固态组件，即都是有源的固态组件的功率源是低功率的各阵元辐射功率在空间进行合成各阵元辐射信号间相位关系固定，即相参各阵元的相位和振幅分布可按要求控制,相控阵雷达简介,相控阵雷达简介（续）有源阵的优点:

功率源直接联在阵元后面，馈源和移相器的损耗不影响雷达性能；接收机噪声系数由T/R组件中的低噪声放大器决定阵元馈源和移相器功率容量低，轻便廉价大量低功率固态源取代易损坏的高电压、大功率发射机，系统可靠性提高固态阵和数字波束形成及阵列信号处理技术相结合，天线性能改善潜力大,相控阵雷达简介,相控阵雷达简介（续）移相器：

实现相扫的关键器件对移相器的要求：

移相精确、性能稳定、频带和功率容量大、便于快速控制、激励功率和插入损耗小、体积小、重量轻等移相器的种类：

PIN二极管移相器、铁氧体移相器、数字式移相器等,多波束形成技术,多波束形成技术收发都用多波束接收多波束，发射宽波束，收发覆盖相同空域接收多波束用得较多，因为：

功率弱，技术上易实现，控制和处理灵便多波束形成方法射频延迟线、中频延迟线、移相法、脉内频扫、数字波束形成（DBF）,多波束形成技术,多波束形成技术（续）,射频延迟线多波束形成系统,多波束形成技术,多波束形成技术（续）,中频延迟多波束形成系统,多波束形成技术,多波束形成技术（续）,中频延迟多波束形成系统,多波束形成技术,多波束形成技术（续）,移相法实现多波束,相扫基本原理,相扫基本原理通过移相器改变各阵元激励相位，实现扫描,N元直线相控阵天线,假定所有阵元无方向性等幅同相馈电相邻阵元激励电流相位差为j,相扫基本原理,相扫基本原理（续）各阵元在q方向远区某点辐射场的场强矢量和为等幅馈电时，各阵元在该点辐射场的振辐为E。

以0号阵元为相位基准，则式中2pdsinq/l为波程差引起的相邻阵元辐射场相位差,相扫基本原理,相扫基本原理（续）当j=y时，各分量同相相加，场强幅值最大定义归一化方向性函数为,相扫基本原理,相扫基本原理（续）天线照射方向q0由移相器的相移量j决定在q0方向，各阵元辐射场由波程差引起的相位差正好抵消移相器引入的相位差，各分量同相相加获最大值，F（q0）=1改变j值，就可改变波束指向角q0，从而形成波束扫描方向图最大值方向同相波前垂直由天线收发互易原理，接收天线，结论相同,相扫基本原理,相扫基本原理（续）栅瓣问题在-90o90o内线阵单值测角条件：

dl/2当dl/2时，在-90o90o内将出现栅瓣波束域（空域频谱）混迭现象：

栅瓣是主瓣在其它方向上的再现，空间信号欠采样,相扫基本原理,相扫基本原理（续）方向图函数当（pNd/l）（sinq-sinq0）=0,np（n为整数）时，分子为0，若分母不为0，F（q）=0当（pd/l）（sinq-sinq0）=0,np（n为整数）时，分子分母同为0，F（q）=1，即F（q）可能出现多瓣,相扫基本原理,相扫基本原理（续）当q=q0时为主瓣，其余为栅瓣。

只取一个周期-p+p因|sinq-sinq0|1+|sinq0|，则无栅瓣条件,相扫基本原理,相扫基本原理（续）波束宽度波束指向法线方向，即q0=0，方向性函数得波束半功率（3dB）宽度,相扫基本原理,相扫基本原理（续）当d=l/2时，若要q0.5=1o，则需阵元N=100当波束指向q0任意时，在主瓣内qq0，得,相扫基本原理,相扫基本原理（续）因sinc（）函数对参量sinq0的主瓣宽度处处一致，即Dsinq0=常数q0.5，由微分Dsinq0=Dq0cosq0，得任意q0时的波束半功率宽度q0越大，波束越宽，例q0=60o，q0.5s2q0.5,相扫基本原理,相扫基本原理（续）波束总是指向同相馈电阵列天线的法线方向同相波前MM的有效天线孔径为Ndcosq0,扫描时的波束宽度,相扫基本原理,相扫基本原理（续）发射能量一定，q0，波束，天线增益波束扫到q0方向，天线有效口径是真实口径在等相位面上的投影，对一维线阵有As=Acosq0，尺寸减小，此时波束指向处的天线增益为波束扫描角范围通常限制在60o或45o内。

若要覆盖整个360o，一般要用三至四个天线阵,相扫基本原理,相扫基本原理（续）各阵元有指向性时，若所有阵元的阵元方向图Fe（q）一致，则总的阵列天线方向图等于阵方向图F（q）与阵元方向图Fe（q）之积，即FN（q）=Fe（q）F（q）等间距和等幅馈电的阵列天线副瓣较大（第一副瓣电平为-13dB），常需“加权”降低副瓣振幅加权：

中间阵元功率大，周围阵元功率小密度加权：

中心阵元密度大，周围阵元密度小采用有方向性的阵元,相扫基本原理,相扫基本原理（续）相扫天线的带宽前面对相控阵的讨论只限于窄带信号，Bl=dl/2=F（q）压缩，出现栅瓣波束指向q0时线阵孔径两端相位差,相扫基本原理,相扫基本原理（续）若y不变，则频率变化df引起的波束指向变化dq为代入百分比带宽Ba（%）=2（df/f）100，得代入波束宽度qB（s）=qB/cosq0，qB为法线方向波束宽度,相扫基本原理,相扫基本原理（续）由于dqqB（s）,q0增大,允许的带宽变小天线孔径,波束宽度qB,允许的Ba（%）天线指向q0时,能量充填整个孔径所需时间为有效通过天线孔径的脉冲宽度tT,得其中,空域滤波及数字波束形成引论,空域滤波及数字波束形成引论空域匹配滤波阵列空间响应，阵列信号流型多个信号模型空域匹配滤波，同相相加波束副瓣抑制多波束形成,空域滤波及数字波束形成引论,空域滤波及数字波束形成引论,空域滤波及数字波束形成引论,空域滤波及数字波束形成引论,空域滤波及数字波束形成引论（续）自适应干扰对消阵列信号模型阵列协相关矩阵：

酉对称、正定特征值与特征矢量及其物理含义最小二乘法：

输出最小，纯噪声输出，MSE干扰对消权矢量：

最小特征矢量,空域滤波及数字波束形成引论,空域滤波及数字波束形成引论（续）自适应波束形成信号模型最优准则：

信号方向增益恒定条件下输出MSE最小，最优解：

最大似然解、最大输出SNRCapon法（LCMV）的特征空间解释自适应最优波束形成权矢量广义旁瓣对消（GSC）：

主通道与辅助通道,空域滤波及数字波束形成引论,空域滤波及数字波束形成引论（续）自适应波束形成实现：

SMI阵列数据协相关矩阵估计快拍统计性质与快拍数要求主瓣偏移与信号失配副瓣电平提高及对角加权方法实际考虑：

计算量、各种快速求逆算法,空域滤波及数字波束形成引论,空域滤波及数字波束形成引论（续）高分辨率测角波束形成的局限：

需大孔径多目标阵列数据模型数据协方差矩阵的特征分解及物理解释信号子空间与噪声子空间最大似然法、MUSIC法相关目标的高分辨率测角,空域滤波及数字波束形成引论,空域滤波及数字波束形成引论（续）多个相干源信号的空域滤波与测向宽带信号的空域滤波与测向,现代雷达技术,第4章相控阵雷达,本章介绍,本章简介相控阵雷达简介多波束形成技术相扫基本原理空域滤波及数字波束形成引论,相控阵雷达简介,相控阵雷达简介相位控制阵列：

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PIN二极管移相器、铁氧体移相器、数字式移相器等,多波束形成技术,多波束形成技术收发都用多波束接收多波束，发射宽波束，收发覆盖相同空域接收多波束用得较多，因为：

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栅瓣是主瓣在其它方向上的再现，空间信号欠采样,相扫基本原理,相扫基本原理（续）方向图函数当（pNd/l）（sinq-sinq0）=0,np（n为整数）时，分子为0，若分母不为0，F（q）=0当（pd/l）（sinq-sinq0）=0,np（n为整数）时，分子分母同为0，F（q）=1，即F（q）可能出现多瓣,相扫基本原理,相扫基本原理（续）当q=q0时为主瓣，其余为栅瓣。

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若要覆盖整个360o，一般要用三至四个天线阵,相扫基本原理,相扫基本原理（续）各阵元有指向性时，若所有阵元的阵元方向图Fe（q）一致，则总的阵列天线方向图等于阵方向图F（q）与阵元方向图Fe（q）之积，即FN（q）=Fe（q）F（q）等间距和等幅馈电的阵列天线副瓣较大（第一副瓣电平为-13dB），常需“加权”降低副瓣振幅加权：

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最小特征矢量,空域滤波及数字波束形成引论,空域滤波及数字波束形成引论（续）自适应波束形成信号模型最优准则：

信号方向增益恒定条件下输出MSE最小，最优解：

最大似然解、最大输出SNRCapon法（LCMV）的特征空间解释自适应最优波束形成权矢量广义旁瓣对消（GSC）：

主通道与辅助通道,空域滤波及数字波束形成引论,空域滤波及数字波束形成引论（续）自适应波束形成实现：

SMI阵列数据协相关矩阵估计快拍统计性质与快拍数要求主瓣偏移与信号失配副瓣电平提高及对角加权方法实际考虑：

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需大孔径多目标阵列数据模型数据协方差矩阵的特征分解及物理解释信号子空间与噪声子空间最大似然法、MUSIC法相关目标的高分辨率测角,空域滤波及数字波束形成引论,空域滤波及数字波束形成引论（续）多个相干源信号的空域滤波与测向宽带信号的空域滤波与测向,