CN113472401A - 一种基于均匀阵的零陷展宽方法及mimo*** - Google Patents

一种基于均匀阵的零陷展宽方法及mimo*** Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于均匀阵的零陷展宽方法及MIMO***，所述MIMO***包括：多个发射机和多个接收机；所述发射机按照均匀平面阵分布；所述接收机按照均匀圆阵分布；所述发射机用于按照第一模型向所述接收机发送信号，所述第一模型用于控制所述发射机同时向所述接收机发送相同信号；所述接收机用于按照第二模型接收所述发射机发送的信号，所述第二模型用于确定目标权矢量，以优化所述接收机对应的方向图。本发明能够通过采用MIMO收发联合***，提升接收效率，提高抗截获性能，约束接收机侧波束形成，优化了接收方向图。

Description

一种基于均匀阵的零陷展宽方法及MIMO***
技术领域
本发明属于通信技术领域，具体涉及一种基于均匀阵的零陷展宽方法及MIMO***。
背景技术
对未来战场出现的多个微小无人作战目标进行识别，将会是敌我识别***中面临的一个新问题，具体的，为人机作战***包括多个发射机和多个接收机。
在上述***仍存在一些问题：其一，单个发射机的发射功率较低，接收机远程接收困难，且易被截获；其二，多个发射机之间相距较远(即间距超过半波长)时，所产生的方向图会出现栅瓣，造成能量泄露。其三，在采用波束形成技术的过程中，运用一些传统的方法所造成的零陷较狭窄，无法达到所需要求。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种基于均匀阵的零陷展宽方法及MIMO***。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
一种基于均匀阵的零陷展宽MIMO***，所述MIMO***包括：多个发射机和多个接收机；所述发射机按照均匀平面阵分布；所述接收机按照均匀圆阵分布；所述发射机用于按照第一模型向所述接收机发送信号，所述第一模型用于控制所述发射机同时向所述接收机发送相同信号；所述接收机用于按照第二模型接收所述发射机发送的信号，所述第二模型用于确定目标权矢量，以优化所述接收机对应的方向图。
本发明的有益效果：
1、本发明通过采用MIMO收发联合***可以接收多个发射机发射信号并进行累计判断，增加了发射波形的多样性，较大地提升了接收效率，提高了抗截获性能；
2、本发明通过采用MIMO收发联合***，在发射机为稀疏阵列的情况下，仍可以使接收机方向图中的零点正好和发射机方向图中的栅瓣相互抵消，等效出的MIMO收发联合方向图平滑，避免了能量泄漏；
3、本发明通过基于均匀圆阵的零陷展宽算法，将接收机方向图中栅瓣干扰方向的零陷展宽，约束了波束形成，优化了接收方向图。
以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种等间距排列平面阵发射机位置示意图；
图2是本发明实施例提供的一种基于均匀阵的零陷展宽方法流程示意图；
图3是本发明实施例提供的一种等均匀圆阵接收机位置示意图；
图4是本发明实施例提供的零陷展宽后MIMO收发联合俯仰角53.5°时方位维切面示意图；
图5是本发明实施例提供的零陷展宽后MIMO收发联合俯仰维切面示意图；
图6是本发明实施例提供的零陷展宽后MIMO收发联合转至X-Y视角示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例一
本发明实施例提供的一种基于均匀阵的零陷展宽MIMO***，所述MIMO***包括：多个发射机和多个接收机。
所述MIMO(Multiple-Input Multiple-Output，多输入多输出)***是部署MIMO技术的***，所述MIMO***是一种联合***，MIMO技术在发射端和接收端分别使用多个发射天线和接收天线，使信号通过发射端与接收端的多个天线传送和接收，从而改善通信质量。它能充分利用空间资源，通过多个天线实现多发多收，在不增加频谱资源和天线发射功率的情况下，可以成倍的提高***信道容量。
所述接收机能够根据MIMO技术进行多天线接收综合，其中，接收方向图采用均匀圆阵零陷展宽算法约束其波束形成。
可选的，所述发射机按照均匀平面阵分布。
可选的，所述接收机按照均匀圆阵分布。
可选的，所述发射机用于按照第一模型向所述接收机发送信号，所述第一模型用于控制所述发射机同时向所述接收机发送相同信号。
可选的，所述接收机用于按照第二模型接收所述发射机发送的信号，所述第二模型用于确定目标权矢量，以优化所述接收机对应的方向图。
所述第二模型中包括有基于均匀圆阵的零陷展宽算法。
综上：1、本发明通过采用MIMO收发联合***可以接收多个发射机发射信号并进行累计判断，增加了发射波形的多样性，较大地提升了接收效率，提高了抗截获性能；
2、本发明通过采用MIMO收发联合***，在发射机为稀疏阵列的情况下，仍可以使接收机方向图中的零点正好和发射机方向图中的栅瓣相互抵消，等效出的MIMO收发联合方向图平滑，避免了能量泄漏；
3、本发明通过基于均匀圆阵的零陷展宽算法，将接收机方向图中栅瓣干扰方向的零陷展宽，约束了波束形成，优化了接收方向图。
实施例二
本发明实施例提供的一种基于均匀阵的零陷展宽方法，应用于发射机，所述发射机按照均匀平面阵分布，所述方法包括：所述发射机按照第一模型向接收机发送信号。
所述发射机能够根据所述第一模型向接收机同步发送相同的信号。
参见图1，是本发明实施例提供的一种等间距排列平面阵发射机位置示意图。
可选的，所述发射机按照第一模型向所述接收机发送信号之前，所述方法还包括：
建立所述第一模型，所述第一模型表示为：
Figure BDA0003076430840000041
其中，
Figure BDA0003076430840000042
K＝2π/λ，F为发射机方向图，ux表示平面阵阵元沿X轴的波程差，uy表示平面阵阵元沿Y轴的波程差，M×N表示多个发射机等间距排列的平面阵阵元数，xi、yi表示第i个阵元的位置坐标，θ和
Figure BDA0003076430840000043
分别表示平面阵的俯仰角和方位角，λ表示发射机的发射波长。
可选的，所述建立所述第一模型之前，所述方法还包括：获取整个平面阵的辐射场信息；
假设一个M×N的等间距排列的平面阵，整个平面阵的俯仰角和方位角分别是θ和
Figure BDA0003076430840000051
则空间第i个阵元与参考阵元的波程差为：
Figure BDA0003076430840000052
其中，K＝2π/λ，xi、yi表示第i个阵元的位置坐标，λ表示目标发射机的波长，由于此平面阵一般定义在xoy面内，zi取0，于是整个平面阵的辐射场为：
Figure BDA0003076430840000053
综上，本发明通过多个发射机发射信号，增加了发射波形的多样性，较大地提升了接收效率，提高了抗截获性能。
实施例三
请参见图2，图2是本发明实施例提供的一种基于均匀阵的零陷展宽方法示意图，应用于接收机，所述接收机按照均匀圆阵分布。
参见图3是本发明实施例提供的一种等均匀圆阵接收机位置示意图。
所述方法包括：
步骤1、所述接收机接收发射机发送的信号。
步骤2、按照第二模型处理接收到的所述信号，以得到目标权矢量。
可选的，所述步骤2，所述按照第二模型处理接收到的所述信号，包括：
步骤21、对接收到的所述信号进行采样处理，以得到第一协方差矩阵；
假设M个各向同性的阵元均匀分布在半径为R的圆周上，信号源的俯仰角θ表示圆点到信号源的连线与法线z轴之间的夹角，方位角
Figure BDA0003076430840000061
表示圆点到信号源的连线在平面xoy上的投影与x轴之间的夹角，其中γi＝2πi/M,i＝0,1,…,M-1表示第i个阵元与圆心的连线与x轴的夹角。
因此，第i个阵列单元的接收信号与圆心处接收信号的相位差为
Figure BDA0003076430840000062
其中，f表示中心频率，
Figure BDA0003076430840000063
表示第i个阵元接收到的信号与圆心之间的时延。于是，阵元个数为m的均匀圆阵导向矢量为：
Figure BDA0003076430840000064
其中，K＝2π/λ，λ表示地面接收机的波长。
将均匀圆阵导向矢量作为先验信息可以约束该期望信号的响应，同时令波束形成输出的干扰加噪声的方差最小化，假设有L个干扰从不同的角度入射，则接收到的干扰信号加噪声可以表示为：X(t)＝As(t)+N(t)。
其中，X(t)表示整个阵列的接收数据，A表示整个阵列的阵列流形，s(t)表示t时刻L个干扰信号的复包络矢量，N(t)表示整个阵列接收通道的噪声矢量。
由上式作数学期望可以得到阵列接收到的干扰信号加噪声的协方差矩阵为R＝E{X(t)XH(t)}，其中，R表示干扰加噪声的协方差矩阵，即，第一协方差矩阵，E{·}表示求数学期望。
步骤22、对所述第一协方差矩阵进行锥化处理，以得到第二协方差矩阵；
可选的，所述步骤22包括：
步骤221、向所述第二模型中添加多个虚拟干扰源，以替换所述第二模型中的干扰源，所述虚拟干扰源为非相关及等强度干扰源；
具体地，对于协方差矩阵R，其对应的第(i,j)个元素为
Figure BDA0003076430840000071
其中，
Figure BDA0003076430840000072
表示第p个干扰源对应的功率，
Figure BDA0003076430840000073
表示噪声功率，IM表示M维单位矩阵，γi表示第i个阵元所在的位置，γi＝2πi/M,i＝0,1,…,M-1。
将和差化积公式cos x-cos y＝-2sin[(x+y)/2]sin[(x-y)/2]代入上式并化简：
Figure BDA0003076430840000074
假设第p个干扰源是在干扰方向
Figure BDA0003076430840000075
附近以
Figure BDA0003076430840000076
为间隔进行均匀分布的K个强度相同的干扰源。假设这些干扰源平均分配此处的整个干扰源功率，则每个子干扰源对应的功率为
Figure BDA0003076430840000077
且遍布的范围宽度为W，可以得到虚拟置零点在
Figure BDA0003076430840000078
域的间隔为δ＝W/(K-1)，那么该对应范围内的干扰在数据协方差矩阵中转化为
Figure BDA0003076430840000079
其中，
Figure BDA00030764308400000710
步骤222、根据虚拟后的子干扰源，对所述第一协方差矩阵进行锥化处理，以得到第二协方差矩阵。
具体地，将这P个干扰中的每个干扰全部虚拟为对应展宽范围内的K个子干扰源，忽略噪声项，则可得到转化后数据协方差矩阵
Figure BDA0003076430840000081
中对应的第(i,j)项
Figure BDA0003076430840000082
与原本协方矩阵元素Rij之间存在的特定关系，表示为
Figure BDA0003076430840000083
将上式写为矩阵形式后得到
Figure BDA0003076430840000084
其中，
Figure BDA0003076430840000087
表示Hadamard乘积，即两个矩阵相同位置的元素相乘，TM表示锥化处理矩阵，sin(KΛij)/(KsinΛij)表示TM矩阵的第(i,j)项。
所述
Figure BDA0003076430840000085
即为第二协方差矩阵。
步骤23、对所述第二协方差矩阵进行优化处理，以得到优化表达式；
可选的，所述优化处理采用LCMV准则。
具体地，得到优化表达式为：
Figure BDA0003076430840000086
其中，C表示阵列响应矩阵，f是表示在不同约束方向上的期望响应，比如在期望的目标信号方向的响应设定为1，同时在干扰方向的响应设定为0。
步骤24、基于所述优化表达式，确定目标权矢量。
具体地，运用拉格朗日乘子法，将上述具有约束条件的优化问题转化为相应的无约束优化问题进行求解，用权向量wopt表示线性约束最小方差波束形成器。通过上述方法得到最佳权矢量的表达式为
Figure BDA0003076430840000091
其中，
Figure BDA0003076430840000092
为对转化后的协方差矩阵求逆。
对上式进行化简可以得到
Figure BDA0003076430840000093
其中，wopt表示目标权矢量，a(θ0)为期望的目标信号所对应的导向矢量。
至此，完成基于均匀圆阵的零陷展宽算法流程。
综上，本发明通过采用MIMO收发联合***，在发射机为稀疏阵列的情况下，仍可以使接收机方向图中的零点正好和发射机方向图中的栅瓣相互抵消，等效出的MIMO收发联合方向图平滑，避免了能量泄漏；另外，本发明通过基于均匀圆阵的零陷展宽算法，将接收机方向图中栅瓣干扰方向的零陷展宽，约束了波束形成，优化了接收方向图。
下面通过仿真实验对本发明的有益效果进行进一步说明。
设定多个发射机位于等间距均匀排列的同一平面，距地面高度为10000米。选取x轴和y轴均为5个阵元，即xoy平面上总共有25个阵元，阵元间距皆为4倍的波长。同时，地面接收机所在的方向为俯仰角、方位角为(30°,0°)，通过在接收端加权将发射方向图的俯仰角53.5°的零陷展宽，得到优化后的MIMO收发联合俯仰角53.5°时方位维切面方向图如图5所示。
从图4可以发现，经过优化发射机栅瓣所引起的几个凸起都被接收机优化后的接收方向图压低了，整体栅瓣抑制效果明显。同时，给出此时整体的MIMO收发联合方向图，如图5和图6所示。
综上，仿真实验验证了本发明的正确性、有效性和可靠性。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。
尽管在此结合各实施例对本申请进行了描述，然而，在实施所要求保护的本申请过程中，本领域技术人员通过查看所述附图、公开内容、以及所附权利要求书，可理解并实现所述公开实施例的其他变化。在权利要求中，“包括”(comprising)一词不排除其他组成部分或步骤，“一”或“一个”不排除多个的情况。单个处理器或其他单元可以实现权利要求中列举的若干项功能。相互不同的从属权利要求中记载了某些措施，但这并不表示这些措施不能组合起来产生良好的效果。
本领域技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、装置(设备)、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式，这里将它们都统称为“模块”或“***”。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。计算机程序存储/分布在合适的介质中，与其它硬件一起提供或作为硬件的一部分，也可以采用其他分布形式，如通过Internet或其它有线或无线电信***。
本申请是参照本申请实施例的方法、装置(设备)和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于均匀阵的零陷展宽MIMO***，其特征在于，所述MIMO***包括：多个发射机和多个接收机；
所述发射机按照均匀平面阵分布；
所述接收机按照均匀圆阵分布；
所述发射机用于按照第一模型向所述接收机发送信号，所述第一模型用于控制所述发射机同时向所述接收机发送相同信号；
所述接收机用于按照第二模型接收所述发射机发送的信号，所述第二模型用于确定目标权矢量，以优化所述接收机对应的方向图。
2.一种基于均匀阵的零陷展宽方法，应用于发射机，所述发射机按照均匀平面阵分布，其特征在于，所述方法包括：
所述发射机按照第一模型向接收机发送信号。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述发射机按照第一模型向所述接收机发送信号之前，所述方法还包括：
建立所述第一模型，所述第一模型表示为：
Figure FDA0003076430830000011
其中，
Figure FDA0003076430830000012
K＝2π/λ，F为发射机方向图，ux表示平面阵阵元沿X轴的波程差，uy表示平面阵阵元沿Y轴的波程差，M×N表示多个发射机等间距排列的平面阵阵元数，xi、yi表示第i个阵元的位置坐标，θ和
Figure FDA0003076430830000013
分别表示平面阵的俯仰角和方位角，λ表示发射机的发射波长。
4.一种基于均匀阵的零陷展宽方法，应用于接收机，所述接收机按照均匀圆阵分布，其特征在于，所述方法包括：
所述接收机接收发射机发送的信号；
按照第二模型处理接收到的所述信号，以得到目标权矢量。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述按照第二模型处理接收到的所述信号，包括：
对接收到的所述信号进行采样处理，以得到第一协方差矩阵；
对所述第一协方差矩阵进行锥化处理，以得到第二协方差矩阵；
对所述第二协方差矩阵进行优化处理，以得到优化表达式；
基于所述优化表达式，确定目标权矢量。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述第二模型中包括干扰源，所述对所述第一协方差矩阵进行锥化处理，以得到第二协方差矩阵，包括：
向所述第二模型中添加多个虚拟干扰源，以替换所述第二模型中的干扰源，所述虚拟干扰源为非相关及等强度干扰源；
根据虚拟后的子干扰源，对所述第一协方差矩阵进行锥化处理，以得到第二协方差矩阵。
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