CN111551908B - 降低相控阵***阵元激活算法复杂度的方法 - Google Patents

降低相控阵***阵元激活算法复杂度的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出的一种降低相控阵***阵元激活算法复杂度的方法，旨在一种能够减少计算量，能显著降低计算复杂度的方法。本发明通过下述技术方案予以实现：首先将每M个相邻阵元划分为一个子阵，在子阵划分基础上，根据阵元的总数N划分为N/M个子阵，并构建激活计算模块；然后离线计算出每个子阵指向的方向矢量与子阵内所有阵元指向的最大夹角，并存储在激活计算模块的存储单元中；计算激活区域时，针对每个目标波束，激活计算模块从存储单元中读取出每个子阵指向的方向矢量，然后依次计算每个子阵与天线波束指向目标的夹角，当某些子阵无法判断是否激活时，再计算这些子阵内的阵元与天线波束指向目标的夹角。

Description

降低相控阵***阵元激活算法复杂度的方法
技术领域
本发明涉及阵列信号处理技术领域，降低相控阵***阵元激活算法复杂度的方法，尤其是适用于大型共形相控阵***中降低计算复杂度的天线阵元激活方法。
背景技术
阵列信号处理是信号处理领域的一个重要分支，具有广泛的应用。随着技术的发展，共形相控阵利用阵列信号处理技术，可以实现多波束、全空域的目标搜索、跟踪。相比较于传统的相控阵技术，共形相控阵由于阵元数目多、硬件复杂，因此极大的提高了计算复杂度，对阵列信号处理算法提出了更高的要求。阵列具有最大响应的方向被称为波束指向方向，即在这一方向阵列具有最大增益。对一个线性阵列，当信号在增益与相位上不做改变就进行合并时的波束指向面为阵列的宽面，并垂直于阵元的连线。阵列方向图在波束指向方向上的任一侧都将衰减到零值，即在该位置阵列响应为零，通常称为零陷。在波束指向方向上的两侧零陷间的方向图被称为主瓣。主瓣两个功率点间的宽度称为半功率波束宽度。所谓“相控阵”即通过相位控制实现波束扫描的阵列，其相位值可以通过计算机灵活改变。正是由于它的这种灵活性，使得相控阵雷达能够利用同一天线口径形成多个独立的发射波束和接收波束，且能根据实际情况的需求确定雷达的最佳工作方式，以获得满足各种要求的复杂波束。对于大型的相控阵雷达，通常包含数以百计甚至上千的天线阵元。为解决大型相控阵雷达阵元级波束形成技术面临的硬件***复杂、实时性低等问题，一般采用子阵级波束形成技术来处理。但子阵级处理往往会破坏静态方向图的性能。在信号处理过程中，如果采用阵元级数字波束形成方式，则其运算量是非常庞大的，且其对应的硬件***很复杂，成本也相对较高。如果采用传统稀疏阵列算法，如遗传算法、模拟退火算法等，具有随机性，需要很长的时间才能得到结果，对于大型阵列这些算法很难实现。
相控阵***阵面天线的波束指向由波束控制***来执行，它主要通过对阵面各单元相位和增益的控制实现波束空间指向的变化。其中各单元相位变化对确定的阵列天线而言主要取决于天线波束指向角的变化。波束控制计算机根据波束指向要求对阵面各单元点的相位、幅度进行统一运算后将相位、幅度等数据分别传输至阵面各点，当相控阵面单元较多时，其计算量大，运算时间影响了波束扫描的速度。同时，随着相控阵面规模的增大，波束控制***也越来越复杂，此时常规集中计算方法对数字信号处理器产生巨大压力，严重影响了波束控制的响应时间。由于现代相控阵电子***对波束控制的速度要求越来越高，因此对***的波束运算、数据传输等要求也相应提高。考虑到共形相控阵具有遮挡效应，即对于某个指向的目标，有些阵元对于该目标是可见的，有些阵元是不可见的。因此，对于某个指向的目标，并不是所有阵元都能接收到该目标的信号。在形成波束时，不可见的阵元或边缘的阵元贡献很小，传统的方法是依次计算每个阵元与目标的夹角。对于大型共形相控阵***，由于阵元数目庞大，目标波束数目多，一般采用阵元激活的方式，来确定哪些阵元参与到波束合成，不激活的阵元不参与波束合成。传统的阵元激活的策略是依次判断每个阵元与目标的夹角，若夹角小于激活角度，则该阵元为激活阵元，否则为不激活阵元。采用传统的激活判断方法，存在计算量大的问题。
发明内容
本发明的目的是针对现有大型共形相控阵***阵元激活存在的不足之处，提供一种能够减少计算量，计算速度快，收敛快，性能良好，并能显著降低相控阵***阵元激活算法复杂度的方法。
本发明的上述目的可以通过以下措施来达到。一种降低相控阵***阵元激活算法复杂度的方法，具有如下技术特征：首先将相控阵***进行子阵划分，即将每M个相邻阵元划分为一个子阵，在子阵划分基础上，根据阵元的总数N划分为N/M个子阵，并划分激活区域，构建激活计算模块；然后离线计算出每个子阵指向的方向矢量与子阵内所有阵元指向的最大夹角，并存储在激活计算模块的存储单元中；计算激活区域时，针对每个目标波束，激活计算模块从存储单元中读取出每个子阵指向的方向矢量，然后依次计算每个子阵与天线波束指向目标的夹角，当某些子阵无法判断是否激活时，再计算这些子阵内的阵元与天线波束指向目标的夹角。
本发明相比于现有技术的有益效果是：
显著降低计算复杂度。本发明将相控阵***进行子阵划分，经过子阵划分后，大型相控阵雷达的接收通道数明显较少，子阵数目显著减少，从而大大降低了***的复杂度、数据处理量和硬件成本。划分的子阵可以克服栅瓣和栅零点的产生，提高了波束性能；在子阵划分基础上，可以结合子阵加权对子阵级自适应和波束进行优化，得到了副瓣较低、干扰抑制较好的自适应波束。阵列结构在子阵级自适应波束形成，使干扰抑制效果较好。由于子阵数目显著减少，可以显著减少与目标夹角的计算次数，降低了计算复杂度。
减少计算量，收敛变快。本发明采用离线计算出每个子阵阵列信号指向的方向矢量，并将每个子阵指向的方向矢量存储在激活计算模块的存储单元中；计算激活区域时，针对每个目标波束，激活计算模块从存储单元中读取出每个子阵指向的方向矢量，然后依次计算每个子阵与天线波束指向目标的夹角，当某些子阵无法判断是否激活时，再计算这些子阵内的阵元与目标的夹角。因此可以显著减少计算量，收敛变快。
本发明的适用于大型共形相控阵***的阵元激活判断。
附图说明
图1是本发明降低相控阵***阵元激活算法复杂度的流程图。
图2是采用本发明前后阵元激活判断计算量的对比示意图。
下面结合附图和实施实例对本发明进一步说明。
具体实施方式
参阅图1。根据本发明，首先将相控阵***进行子阵划分，即将每M个相邻阵元划分为一个子阵，在子阵划分基础上，根据阵元的总数N划分为N/M个子阵，并划分激活区域，构建激活计算模块；然后离线计算出每个子阵指向的方向矢量与子阵内所有阵元指向的最大夹角，并存储在激活计算模块的存储单元中；计算激活区域时，针对每个目标波束，激活计算模块从存储单元中读取出每个子阵指向的方向矢量，然后依次计算每个子阵与天线波束指向目标的夹角，当某些子阵无法判断是否激活时，再计算这些子阵内的阵元与天线波束指向目标的夹角。
在可选的实施例中，根据相控阵***子阵划分获得的总共N/M个子阵，将相控阵***阵元激活分为子阵激活判断和阵元激活判断两个阶段。在子阵激活阶段，激活计算模块计算每个子阵与目标的夹角，若子阵与目标的夹角小于某个门限时，则激活计算模块判断该子阵里的M个阵元全部激活；若子阵与目标的夹角大于某个门限时，则激活计算模块判断该子阵里的M个阵元全部不激活；在不满足以上子阵与目标的夹角＜和＞某个门限的两个条件时，则激活计算模块进入阵元激活判断阶段。在阵元激活判断阶段，激活计算模块对该子阵内的M个阵元依次判断与目标的夹角，当某个阵元与目标夹角小于激活角度时，则判断该阵元激活，否则不激活。
为了减少计算量，子阵的划分采用约定好的固定划分方式，每M个相邻阵元划分为一个子阵，然后离线计算出每个子阵指向的方向矢量和每个子阵指向与所有与子阵内所有阵元指向的最大夹角，并进行初始化，存储在激活计算模块的存储单元中。激活计算模块从存储单元中读取出每个子阵指向的方向矢量，设置子阵编号n＝1，计算第n个子阵目标的夹角，判断目标夹角小于激活角与最大夹角θmax之差，是则全部激活子阵内所有阵元，子阵编号n＝n+1，否则，判断子阵指向与目标的夹角大于激活角度与最大夹角θmax之和，是则全部激活子阵内所有阵元，子阵编号n＝n+1，否则，计算个子阵内每个阵元与目标的夹角，根据计算结果，判断夹角是否小于激活角，是则该子阵被激活，完成该子阵内所有阵元的激活判断，否则，该子阵不被激活，再继续计算个子阵内每个阵元与目标的夹角，直到完成该子阵内所有阵元的激活判断。子阵编号n＝n+1，判断子阵编号n是否大于子阵数目，是则结束程序，否则，返回计算第n个子阵目标的夹角，直到子阵编号n大于子阵数目结束程序。
激活计算模块根据子阵指向的方向矢量由子阵内包含的M个阵元指向的方向矢量求和，并作归一化处理，得到子阵指向的方向矢量
Figure GDA0003676010770000041
即
Figure GDA0003676010770000042
式中，
Figure GDA0003676010770000043
为阵元i与相控阵原点连线的单位向量，即阵元指向的方向矢量，
Figure GDA0003676010770000044
为
Figure GDA0003676010770000045
的2范数。
激活计算模块根据最大夹角θmax计算公式
Figure GDA0003676010770000046
离线计算每个子阵指向与该子阵内M个阵元指向的最大夹角θmax，并存储在激活计算模块的存储单元中。
对于每个目标波束，计算激活区域时，激活计算模块首先进行子阵激活判断，对于每个子阵，激活计算模块从存储单元中读取该子阵指向的方向矢量，然后计算与目标的夹角，即
Figure GDA0003676010770000047
其中，上式中的
Figure GDA0003676010770000048
表示目标指向的方向矢量。
若子阵与目标的夹角小于激活角度与θmax之差，则激活计算模块判断该子阵内的M个阵元全部激活；若子阵与目标的夹角大于激活角度与θmax之和，则激活计算模块判断该子阵内的M个阵元全部不激活；否则，该子阵内的M个阵元部分激活，此时激活计算模块进行阵元激活判断，依次判断子阵内的M个阵元是否激活。
当激活计算模块需要依次判断子阵内的M个阵元是否需要激活时，激活计算模块从存储单元中依次读取M个阵元指向的方向矢量，并计算阵元与目标的夹角，即
Figure GDA0003676010770000049
Figure GDA0003676010770000051
Figure GDA0003676010770000052
若阵元与目标的夹角小于激活角度，则激活计算模块判断该阵元激活，否则不激活。
参阅图2。图2给出了采用本发明前后对于不同目标激活计算复杂度的仿真结果，该仿真基于某项目的球形相控阵***，包含105个子阵，每个子阵16个阵元，激活角度为60度。从仿真结果可以看出，采用本发明后，可以显著降低与目标夹角的计算次数，平均计算次数为传统方法的16.7％，从而显著降低了计算复杂度。

Claims (7)

1.一种降低相控阵***阵元激活算法复杂度的方法，具有如下技术特征：首先将相控阵***进行子阵划分，即将每M个相邻阵元划分为一个子阵，在子阵划分基础上，根据阵元的总数N划分为N/M个子阵，并划分激活区域，构建激活计算模块；然后离线计算出每个子阵指向的方向矢量与子阵内所有阵元指向的最大夹角，并存储在激活计算模块的存储单元中；计算激活区域时，针对每个目标波束，激活计算模块从存储单元中读取出每个子阵指向的方向矢量，然后依次计算每个子阵与天线波束指向目标的夹角，当某些子阵无法判断是否激活时，再计算这些子阵内的阵元与天线波束指向目标的夹角；激活计算模块根据子阵指向的方向矢量由子阵内包含的M个阵元指向的方向矢量求和，作归一化处理，得到子阵指向的方向矢量
Figure FDA0003676010760000011
即
Figure FDA0003676010760000012
式中，
Figure FDA0003676010760000013
为阵元i与相控阵原点连线的单位向量，即阵元指向的方向矢量，
Figure FDA0003676010760000014
为
Figure FDA0003676010760000015
的2范数；激活计算模块根据最大夹角θmax计算公式
Figure FDA0003676010760000016
离线计算每个子阵指向与该子阵内M个阵元指向的最大夹角θmax，并存储在激活计算模块的存储单元中；对于每个目标波束，计算激活区域时，首先进行子阵激活判断；对于每个子阵，激活计算模块从存储单元中读取该子阵指向的方向矢量，然后计算与目标的夹角，
即
Figure FDA0003676010760000017
其中，上式中的
Figure FDA0003676010760000018
表示目标指向的方向矢量；当激活计算模块需要依次判断子阵内的M个阵元是否需要激活时，激活计算模块从存储单元中依次读取M个阵元指向的方向矢量，并计算阵元与目标的夹角，即
Figure FDA0003676010760000019
Figure FDA00036760107600000110
Figure FDA00036760107600000111
若阵元与目标的夹角小于激活角度，则激活计算模块判断该阵元激活，否则不激活。
2.如权利要求1所述的一种降低相控阵***阵元激活算法复杂度的方法，其特征在于：根据相控阵***子阵划分，获得的总共N/M个子阵，将相控阵***阵元激活分为子阵激活判断和阵元激活判断两个阶段。
3.如权利要求2所述的一种降低相控阵***阵元激活算法复杂度的方法，其特征在于：在子阵激活阶段，激活计算模块计算每个子阵与目标的夹角，若子阵与目标的夹角小于某个门限时，则激活计算模块判断该子阵里的M个阵元全部激活；若子阵与目标的夹角大于某个门限时，则激活计算模块判断该子阵里的M个阵元全部不激活。
4.如权利要求3所述的一种降低相控阵***阵元激活算法复杂度的方法，其特征在于：在不满足子阵与目标的夹角＜和＞某个门限的两个条件时，则激活计算模块进入阵元激活判断阶段，在阵元激活判断阶段，激活计算模块对该子阵内的M个阵元依次判断与目标的夹角，当某个阵元与目标夹角小于激活角度时，则判断该阵元激活，否则不激活。
5.如权利要求1所述的一种降低相控阵***阵元激活算法复杂度的方法，其特征在于：子阵的划分采用约定好的固定划分方式，每M个相邻阵元划分为一个子阵，然后离线计算出每个子阵指向的方向矢量和每个子阵指向与所有与子阵内所有阵元指向的最大夹角，并进行初始化，存储在激活计算模块的存储单元中。
6.如权利要求1所述的一种降低相控阵***阵元激活算法复杂度的方法，其特征在于：激活计算模块从存储单元中读取出每个子阵指向的方向矢量，设置子阵编号n＝1，计算第n个子阵与目标的夹角，判断与目标的夹角小于激活角与最大夹角之差，是则全部激活子阵内所有阵元，子阵编号n＝n+1，否则，判断子阵指向与目标的夹角大于激活角度与最大夹角之和，是则全部不激活子阵内所有阵元，子阵编号n＝n+1，否则，计算个子阵内每个阵元与目标的夹角，根据计算结果，判断夹角是否小于激活角，是则该子阵被激活，完成该子阵内所有阵元的激活判断，否则，该子阵不被激活，再继续计算个子阵内每个阵元与目标的夹角，直到完成该子阵内所有阵元的激活判断。
7.如权利要求5所述的一种降低相控阵***阵元激活算法复杂度的方法，其特征在于：子阵编号n＝n+1，判断子阵编号n是否大于子阵数目，是则结束程序，否则，返回计算第n个子阵目标的夹角，直到子阵编号n大于子阵数目结束程序。
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"An 18 Mb, 12.3 GB/s CMOS pipeline-burst cache SRAM with 1.54 Gb/s/pin";Cangsang Zhao 等;《1999 IEEE International Solid-State Circuits Conference. Digest of Technical Papers. ISSCC. First Edition (Cat. No.99CH36278)》;19991231;第200-202页 *
"一种基于子阵优化的相控阵天线设计方法";李鹏凯 等;《2019年全国天线年会论文集（中册）》;20190722;第1079-1081页 *
"低副瓣相控阵面天线波束扫描及互耦特性分析";王成 等;《雷达与对抗》;19990630;第1-5页 *
"双极化缝隙波导滤波天线阵";汪伟 等;《2019年全国天线年会论文集（中册）》;20190722;第894-896页 *

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