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低成本相控阵天线“动中通”系统波束形成技术研究

作　者: 衷惟海
导　师: 万群
学　校: 电子科技大学
专　业: 信息获取与探测技术
关键词: 动中通波束形成移相器控制电压奇异值分解
分类号: TN821.8
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

“动中通”系统已被大量应用。传统机械扫描天线“动中通”系统由于昂贵的价格和较差的追踪精度,限制了它的使用。目前,相控阵天线“动中通”系统已经有少量成品,但是价格仍然昂贵。如何在保持“动中通”系统天线追踪能力的同时降低系统成本,成为亟待研究的问题。本文对相控阵天线“动中通”系统波束形成技术进行了深入的研究,提出了基于同时扰动随机梯度估计的移相器控制电压波束形成技术,并给出了基于波束空间的波束形成技术和基于奇异值分解的波束形成技术。这三种方法都不需要知道信号的来波角度(Direction of angle, DOA),本文称之为未知DOA的波束形成算法。考虑到基于波束空间的波束形成技术较高的成本且较差的追踪精度,本文只对基于移相器控制电压和基于奇异值分解的波束形成技术进行了深入的分析研究。基于移相器控制电压的波束形成技术,采用模拟移相器在微波阶段进行波束形成,仅需要一个接收机。算法的目标是通过调整移相器控制电压使得接收功率最大,在更新电压的求解上采用最陡下降方法。本文采用同时扰动随机梯度估计算法求解接收功率对电压的梯度,能够一次性估计出接收功率对移相器电压梯度的各个分量,而不管梯度的维数有多大,比其他扰动近似算法收敛更快。为了获得更快的收敛速度,对算法收敛步长和扰动量进行了深入的研究,将原型算法中步长随迭代次数变化改进为同时随迭代次数和阵元空间位置变化,并指出了计算扰动量时参数的选取准则。最后讨论了噪声对算法性能的影响。将基于奇异值分解的波束形成技术运用于“动中通”系统。它是数字波束形成技术,不需要移相器等硬件,直接在数据处理的过程中补偿来波信号到达各阵元的相位差。算法直接对接收数据进行奇异值分解,具有很高的实时性,相比于基于移相器控制电压的波束形成技术具有明显的优势。基于奇异值分解的波束形成技术需要较多的接收通道。为了降低成本,需要对阵列进行子阵划分,将阵列划分成若干个子阵,这样就只需要与子阵数相同的接收通道。从旁瓣水平和主瓣偏移出发,研究了一种子阵数目确定方法。对子阵划分后各子阵内阵元权值的取值问题进行了详细的研究,建立了在波束扫描区域内最大旁瓣水平最小的模型。最后,讨论了噪声对波束形成性能的影响,指出本算法只能适应于信噪比较高的环境。最后,对上述两种波束形成技术进行了比较。MATLAB仿真表明,上述两种算法均能有效追踪到信号来波角度变化。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-11
第一章绪论  11-17
  1.1 课题研究背景  11-12
  1.2 国内外研究现状  12-14
  1.3 本文所做的工作  14-17
第二章 Ku波段“动中通”系统  17-24
  2.1 Ku波段“动中通”系统技术要求  17-19
    2.1.1 波束宽度  17-18
    2.1.2 跟踪精度  18
    2.1.3 阵元数目的计算  18-19
  2.2 相控阵天线  19-21
    2.2.1 阵列天线理论  19-20
    2.2.2 相控阵天线波束扫描原理  20-21
  2.3 卫星信道特性  21-23
    2.3.1 多径干扰  21-22
    2.3.2 同信道干扰  22-23
  2.4 本章总结  23-24
第三章三种未知DOA的波束形成技术  24-33
  3.1 波束形成算法概述  24-25
  3.2 基于波束空间的波束形成技术  25-27
  3.3 基于移相器控制电压的波束形成技术  27-28
  3.4 基于奇异值分解的波束形成技术  28-32
  3.5 本章总结  32-33
第四章基于移相器控制电压的波束形成技术  33-56
  4.1 移相器与天线结构的选择  33-35
    4.1.1 模拟移相器  33-34
    4.1.2 天线结构  34-35
  4.2 电压随机梯度估计  35-38
    4.2.1 电压更新方程  36-37
    4.2.2 随机梯度估计算法概述  37-38
  4.3 梯度估计算法的选择  38
  4.4 同时扰动随机梯度估计算法  38-40
  4.5 基于同时扰动随机梯度估计的波束形成算法  40-49
    4.5.1 移动波束形成  41-44
    4.5.2 对扰动量的选择  44-45
    4.5.3 对步长的选择  45-49
  4.6 噪声的影响  49-54
    4.6.1 噪声平滑  52-53
    4.6.2 噪声滤除  53-54
  4.7 本章总结  54-56
第五章基于奇异值分解的波束形成技术  56-68
  5.1 子阵数的确定  56-59
    5.1.1 旁瓣水平与子阵数的关系  56
    5.1.2 主瓣偏移与子阵数的关系  56-57
    5.1.3 子阵数目的求解算法  57-59
  5.2 对子阵内各阵元权值取值问题的研究  59-62
    5.2.1 模型描述  60
    5.2.2 仿真求解  60-62
  5.3 子阵级波束形成技术  62-64
    5.3.1 问题描述  62-63
    5.3.2 波束追踪  63-64
  5.4 噪声的影响  64-67
  5.5 本章总结  67-68
第六章总结与展望  68-70
  6.1 总结  68-69
  6.2 展望  69-70
致谢  70-71
参考文献  71-76
攻硕期间取得的研究成果  76

低成本相控阵天线“动中通”系统波束形成技术研究

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