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复合制导体制下毫米波共形阵列的数字波束形成方法研究

作　者: 齐飞林
导　师: 张守宏
学　校: 西安电子科技大学
专　业: 信号与信息处理
关键词: 复合制导毫米波导引头共形阵列极化阵列优化低副瓣波束行成和/差波束
分类号: TN820.15
类　型: 博士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

共形天线阵列不仅具有良好的宽角扫描和空气动力学特性,而且还可以减小雷达散射截面积(RCS)和减小天线/天线罩之间的相互作用,因而在弹载、机载、星载等武器系统中有着广泛的应用前景。毫米波雷达导引头可以采用与其外形相匹配的共形天线阵列代替传统的精密万向伺服跟踪系统,为多模导引头的复合制导提供了实现条件,进而可以改善整个制导系统的性能。将共形阵列技术应用于光电复合制导体制的毫米波导引头,是一种创新型应用概念。本文研究的毫米波共形阵列数字波束形成相关技术,为复合制导体制下共形阵列在毫米波导引头中的应用提供理论和技术支持。本文首先分析了国内外共形阵列最优波束形成理论的研究进展,围绕国防预研项目及国家自然科学基金项目的研究任务,分两部分针对毫米波导引头共形阵列数字波束形成技术进行研究：(1)研究了复合制导体制下的毫米波导引头共形阵列,包括多模孔径复合中的参数设计、共形阵列与平面阵列的性能分析比较、共形阵列对于不同气动外形(几何模型)的波束性能分析与阵列布阵方式、共形阵列的优化布阵方法以及低副瓣波束形成方法；(2)研究了毫米波导引头共形阵列单脉冲和/差波束形成方法。论文内容可概括为如下以下六章：第二章对光电复合制导体制下毫米波导引头中的共形天线阵列技术的若干性能进行了分析。首先,对多模导引头的复合方式进行了分析与讨论；其次,对高速应用场合下毫米波圆锥共形阵列的参数设计进行了研究；然后,推导了共形阵列与平面阵列的天线方向图综合模型,并对扫描时的波束特性进行了分析与比较；最后,对毫米波复合制导体制下圆锥共形阵列的波束扫描区域进行了定量分析,针对毫米波导引头与多模传感器的孔径复合问题,提出了一种基于线性优化二分法的圆锥台共形阵列孔径规划方法。仿真结果表明本文的结构参数设计在高速应用场合下可以得到满足需求的毫米波体制圆锥共形阵列的天线方向图。第三章研究了光电复合制导体制下不同气动外形导引头共形阵列对波束扫描特性的影响,以及不同布阵方式对导引头共形阵列方向图的影响。在对目前世界上各国在役战术导弹进行分析的基础上,构建了几种典型导引头气动外形的结构模型,讨论了适用于共形阵列的不同阵列布阵方式,并建立了任意气动外形下的方向图综合模型。随后针对矩形栅格阵列布阵方式分析比较了不同气动外形导引头共形阵列的波束性能,选择波束扫描性能最优时的气动外形作为研究对象,讨论了不同布阵方式对共形阵列波束特性的影响。仿真和分析表明,在复合制导体制下的矩形栅格阵列布阵方式下,圆锥型导引头共形阵列的波束扫描特性最优；在已知最优气动外形导引头结构的基础上,采用不同布阵方式对导引头共形阵列进行波束形成,矩形栅格阵列布阵方式最优。第四章研究了复合制导体制下毫米波导引头共形阵列的两种优化布阵方法：(1)采用三角栅格阵列布阵方式,提出了一种新的子阵划分方法,开展了基于极化的子阵级自适应处理的布阵方法研究,仿真结果说明利用本文提出的子阵划分方法可以有效抑制由于子阵划分和阵列稀布引起的栅瓣效应,提升导引头共形阵列的子阵级自适应处理性能,极大的减轻自适应处理的运算量；(2)提出了基于最优极化方式的导引头共形阵列稀疏布阵优化设计,仿真结果表明该方法能有效抑制阵列单元稀布而引发的栅瓣效应,极大的降低了阵元分布的密度。第五章研究了复合制导体制下毫米波圆锥型导引头共形阵列的低副瓣波束形成方法。首先,回顾了基于自适应阵列理论的波束形成算法；其次,对极化方式下的交替投影优化方法进行了归纳；然后在实现共形阵列单元极化一致性的前提下,兼顾副瓣电平、阵列增益以及主波束宽度的影响,提出了修正的多目标遗传进化算法；最后根据三种优化方法对毫米波圆锥型导引头共形阵列进行低副瓣波束形成的优化。仿真结果表明在毫米波导引头共形阵列单元实现极化方向一致性的基础上,采用多目标遗传进化算法进行低副瓣波束形成优化,在交叉极化电平、主波束宽度以及阵列增益等性能上其综合性能是最优的。第六章针对传统阵列划分形式的圆锥型导引头共形阵列在偏离视轴方向时无法形成俯仰差波束的问题,研究了阵列结构不满足对称条件的单脉冲测角接收波束(和／差波束)形成。首先从圆锥型导引头共形阵列的结构特性入手,分析了波束指向偏离视轴方向时的圆锥共形阵列的阵元分布情况,构建了入射坐标系和入射参考平面,在此基础上分别提出了基于平面投影方法的共形阵列单脉冲和／差波束形成方法和基于等效源理论的共形阵列单脉冲和／差波束形成方法。仿真结果表明,两种方法均能有效解决在波束指向偏离视轴时的和／差波束形成问题,其中基于等效源理论的和／差波束形成方法具有更好的波束性能,而基于平面投影方法的和／差波束形成方法具有使用灵活、波束形成快速等优点。第七章：对全文工作进行了总结,并对未来的工作进行了展望。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-13
第一章绪论  13-29
  §1.1 研究背景和意义  13
  §1.2 国内外研究现状  13-21
  §1.3 共形天线阵列模型分析方法  21-22
  §1.4 复合制导的基本概念  22-23
  §1.5 论文的内容和安排  23-25
  本章参考文献  25-29
第二章复合制导模式下毫米波共形阵列的若干性能分析  29-51
  §2.1 引言  29-30
  §2.2 复合制导体制下毫米波导引头复合方式的研究  30-32
  §2.3 高速应用场合下毫米波圆锥共形阵列仿真参数设计  32-33
  §2.4 毫米波圆锥台共形阵列与平面阵列的性能分析  33-44
    §2.4.1 圆锥台共形阵列的天线方向图综合  33-37
    §2.4.2 平面阵列的天线方向图综合  37-38
    §2.4.3 共形阵列与平面阵列的性能分析  38-39
    §2.4.4 仿真实验与性能比较  39-44
  §2.5 圆锥台共形阵列波束扫描区域与孔径尺寸的规划  44-49
    §2.5.1 共形阵列波束扫描角的确定方法  44-45
    §2.5.2 基于二分法的圆锥台共形阵列的孔径尺寸规划  45-47
    §2.5.3 圆锥台共形阵列扫描角的确定及孔径尺寸选择仿真  47-49
  §2.6 本章小结  49
  本章参考文献  49-51
第三章复合制导模式下毫米波共形阵列的布阵方式研究  51-69
  §3.1 引言  51
  §3.2 几种典型导引头共形阵列气动外形的几何建模  51-57
    §3.2.1 圆锥型导引头气动外形的几何模型  52-53
    §3.2.2 双圆锥型导引头气动外形的几何模型  53-54
    §3.2.3 尖拱型导引头气动外形的几何模型  54-55
    §3.2.4 椭圆型导引头气动外形的几何模型  55-56
    §3.2.5 双曲面型(抛物线)导引头气动外形的几何模型  56-57
  §3.3 复合制导体制下毫米波共形阵列的布阵方式研究  57-61
    §3.3.1 圆锥型导引头共形阵列放射状布阵方式  57-58
    §3.3.2 圆锥型导引头共形阵列圆环状布阵方式  58-59
    §3.3.3 圆锥型导引头共形阵列三角栅格布阵方式  59-60
    §3.3.4 圆锥型导引头共形阵列矩形栅格布阵方式  60-61
  §3.4 复合制导模式下导引头共形阵列布阵方式的仿真性能分析  61-66
    §3.4.1 复合方式下任意气动外形导引头共形阵列天线方向图函数模型  61-64
    §3.4.2 不同气动外形(几何模型)导引头共形阵列波束特性比较  64-65
    §3.4.3 导引头共形阵列不同布阵方式下仿真结果  65-66
  §3.5 本章小结  66-67
  本章参考文献  67-69
第四章复合制导模式下毫米波共形阵列的优化布阵方法研究  69-91
  §4.1 引言  69-70
  §4.2 复合制导模式下毫米波共形阵列的子阵级自适应处理方法研究  70-77
    §4.2.1 毫米波圆锥型雷达导引头共形阵列子阵划分方法  70-71
    §4.2.2 毫米波导引头共形阵列的子阵级自适应处理  71-74
    §4.2.3 计算机仿真分析  74-77
  §4.3 复合制导模式中毫米波共形阵列的稀布优化方法  77-82
    §4.3.1 毫米波复合导引头共形阵列的极化优化选择  77-79
    §4.3.2 毫米波共形阵列稀布优化的基本参数  79-80
    §4.3.3 毫米波圆锥型复合导引头共形阵列优化算法  80-82
  §4.4 共形阵列优化算法仿真及阵列稀布方法  82-87
  §4.5 本章小结  87
  本章参考文献  87-91
第五章复合制导模式下毫米波共形阵列的低副瓣方向图综合  91-111
  §5.1 引言  91-92
  §5.2 基于自适应阵列理论的共形阵列低副瓣方向图综合  92-94
  §5.3 基于交替投影方法的共形阵列低副瓣方向图综合  94-97
  §5.4 基于多目标遗传进化算法的共形阵列低副瓣方向图综合  97-103
    §5.4.1 双馈贴片单元极化方向一致性的实现  97-98
    §5.4.2 毫米波共形阵列圆环状阵列布阵下的单元选择  98-100
    §5.4.3 毫米波圆锥共形阵列多目标遗传进化算法多目标函数的构造  100
    §5.4.4 修正的多目标遗传进化算法描述  100-103
  §5.5 仿真结果及性能比较  103-107
  §5.6 本章小结  107
  本章参考文献  107-111
第六章毫米波导引头共形阵列的单脉冲和/差波束形成  111-135
  §6.1 引言  111-112
  §6.2 基于平面投影方法的毫米波圆锥共形阵列单脉冲和/差波束形成方法研究  112-120
    §6.2.1入射坐标系模型及圆锥共形曲面内投影平面模型  112-114
    §6.2.2 圆锥型导引头共形阵列的布阵方式及阵列单元的选取  114-117
    §6.2.3 仿真结果及分析  117-120
  §6.3 基于等效源理论的毫米波共形阵列单脉冲和/差波束形成  120-130
    §6.3.1 等效源理论预备知识  120-122
    §6.3.2 基于入射坐标系的参考平面阵列模型  122-123
    §6.3.3 参考圆平面阵列(初始源)到共形曲面单元(二次源)的映射关系  123-127
    §6.3.4 计算机仿真  127-130
  §6.4 两种方法下的和/差波束性能分析  130-132
  §6.5 本章小结  132
  本章参考文献  132-135
第七章结束语  135-139
  §7.1 全文工作总结  135-136
  §7.2 工作展望  136-139
致谢  139-141
作者在读期间的研究成果  141-142

复合制导体制下毫米波共形阵列的数字波束形成方法研究

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