本發(fā)明屬于頻控陣波束成形，具體涉及一種基于稀疏重構(gòu)的頻控陣可變波束形狀合成方法、系統(tǒng)、設(shè)備和介質(zhì)。

背景技術(shù)：

1、傳統(tǒng)的相控陣天線由大量的輻射單元組成，其工作原理是通過電磁波在空間的相互疊加，在特定方向產(chǎn)生較高增益，在其他方向產(chǎn)生較低增益，從而形成具有方向性的波束圖。與相控陣不同，頻控陣(參見圖1)在每個(gè)天線單元上使用不同的發(fā)射頻率，并在相鄰陣元上附加遠(yuǎn)小于載頻的頻率偏移。由于不同天線的發(fā)射頻率各異，在不同距離處產(chǎn)生的相位疊加效果也不同，導(dǎo)致某些距離單元上相位相互疊加形成波峰，某些距離單元上相位相互抵消形成波谷。因此，頻控陣的波束能量分布不僅與角度有關(guān)，還與距離相關(guān)，從而形成了距離-角度依賴的波束圖。然而，頻控陣波束圖的波束圖呈s型，而相控陣的波束圖呈直線型(參見圖2)，這意味著頻控陣的波束方向圖在距離和角度之間存在耦合。由于這種耦合的波束特性，頻控陣在許多應(yīng)用存在局限性。

2、現(xiàn)有技術(shù)方案中，對(duì)于解決距離-角度耦合的問題，主要是將傳統(tǒng)s型的頻控陣波束圖轉(zhuǎn)化為點(diǎn)狀波束，以確保波束僅在特定目標(biāo)點(diǎn)形成波峰，從而使距離和角度解耦?，F(xiàn)有的方法的基本原理是通過重新設(shè)計(jì)頻偏，打破相鄰陣元之間相位和距離依賴的線性關(guān)系來合成點(diǎn)狀波束，主要分為以下兩類：

3、1.基于非線性函數(shù)的策略：這種方法利用特定的非線性函數(shù)設(shè)計(jì)頻率偏移，從而在目標(biāo)位置處形成點(diǎn)狀的波束圖，使波束能量有效集中在某個(gè)特定區(qū)域；

4、2.基于優(yōu)化算法的策略：首先，將頻控陣波束圖的距離-角度二維區(qū)域劃分為目標(biāo)區(qū)域和非目標(biāo)區(qū)域。為了使波束能量集中到特定目標(biāo)區(qū)域并最小化旁瓣，設(shè)計(jì)相應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)和約束條件。然而，由于這類問題通常是非凸的，窮舉搜索的復(fù)雜度極高。為此，有兩種常用方法：一種是通過啟發(fā)式算法大大減少了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜度，從而得到最優(yōu)的設(shè)計(jì)頻偏；另一種通過數(shù)學(xué)方法將非凸問題轉(zhuǎn)換為凸優(yōu)化問題，從而利用凸優(yōu)化算法來求解。

5、現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)提出了一種基于多載波頻率增量和凸優(yōu)化的對(duì)稱頻控陣波束方向圖合成方法(h.shao,j.dai,j.xiong,h.chen?and?w.-q.wang,dot-shaped?range-anglebeampattern?synthesis?for?frequency?diversearray[j].ieeeantennas?wirelesspropagation?letters,2016,15:1703-1706)，實(shí)現(xiàn)了單點(diǎn)和多點(diǎn)波束形狀的合成。該方法在發(fā)射能量聚焦、旁瓣抑制以及陣列分辨率性能方面優(yōu)于現(xiàn)有的頻偏呈對(duì)數(shù)分布的頻控陣。

6、現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)提出了兩種頻率偏移呈對(duì)稱對(duì)數(shù)分布的頻控陣(y.xu?and?k.-m.luk,enhanced?transmit–receive?beamforming?for?frequency?diverse?array[j].ieee?transactions?on?antennas?and?propagation,2020,68(7):5344-5352)，旨在所需的距離-角度區(qū)域?qū)崿F(xiàn)最大值，同時(shí)在不感興趣的區(qū)域表現(xiàn)出旁瓣。其次，設(shè)計(jì)了接收過程以利用對(duì)應(yīng)于不同頻率的多個(gè)混頻器來補(bǔ)償時(shí)變因素。為了保持主波束的形狀并同時(shí)降低方向圖的峰值旁瓣電平，將優(yōu)化問題構(gòu)建為半定規(guī)劃問題。該方法在距離-角度域中表現(xiàn)出精細(xì)聚焦和對(duì)稱分布的發(fā)射-接收波束圖。

7、然而，由于現(xiàn)有方法大多基于頻偏這單一維度設(shè)計(jì)，未能充分利用陣元間距這一維度。從而產(chǎn)生了點(diǎn)狀波束合成的聚焦性能不足，旁瓣抑制效果不佳，多點(diǎn)波束能量分配不均以及無法合成二維可變波束等問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種基于稀疏重構(gòu)的頻控陣可變波束形狀合成方法、系統(tǒng)、設(shè)備和介質(zhì)，通過同時(shí)優(yōu)化陣元間距和頻偏兩個(gè)維度，充分利用了頻控陣在距離域和角度域上的可控自由度，能夠?qū)崿F(xiàn)二維可變波束形狀的合成，具有更精確的點(diǎn)波束聚焦和增強(qiáng)的旁瓣抑制效果；本發(fā)明能夠生成多種復(fù)雜的波束形狀，極大提升了波束成形的靈活性。

2、為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是：

3、一種基于稀疏重構(gòu)的頻控陣可變波束形狀合成方法，包括以下步驟：

4、s1：初始化參數(shù)

5、初始化參數(shù)包括但不限于：載波中心頻率f0、陣列個(gè)數(shù)m、頻偏δf、陣列間距d、采樣點(diǎn)數(shù)n，總觀測(cè)范圍(θ,r)，以及期望波束方向圖p(θ,r)；

6、s2：連續(xù)區(qū)間離散化

7、根據(jù)步驟s1中的初始化參數(shù)，分別在陣元間距的區(qū)間(0,md)和頻率偏移的區(qū)間(0,mδf)內(nèi)均勻采樣n個(gè)點(diǎn)，分別表示為：

8、

9、其中，di和δfj分別表示第i個(gè)陣元間距采樣點(diǎn)和第j個(gè)頻率偏移采樣點(diǎn)；

10、s3：構(gòu)建離散網(wǎng)格點(diǎn)

11、根據(jù)步驟s1中的初始化參數(shù)以及步驟s2中離散化結(jié)果di和δfj，構(gòu)建離散網(wǎng)格點(diǎn)ai,j(θ,r),i,j＝1,2,…,n，定義為：

12、

13、其中，ai,j(θ,r)表示特定陣元間距和頻率偏移下的對(duì)應(yīng)的導(dǎo)向矢量的一個(gè)元素；

14、s4：構(gòu)建二維正交基矩陣

15、根據(jù)步驟s1中的初始化參數(shù)，構(gòu)建二維正交基矩陣，第k行第l列的元素φk,l表示為：

16、

17、其中，k表示正交基的個(gè)數(shù)，φk,l表示二維正交基矩陣的元素，k和l分別是正交基矩陣行和列的索引；

18、s5：構(gòu)建映射矩陣p和dici,j

19、通過步驟s4構(gòu)建的二維正交基矩陣，將步驟s1中定義的期望波束方向圖p(θ,r)映射到變換域中，構(gòu)建映射矩陣

20、

21、其中，p表示期望波束方向圖p(θ,r)所對(duì)應(yīng)的變換域中的映射矩陣；

22、通過步驟s4構(gòu)建的二維正交基矩陣，將步驟s3中構(gòu)建的離散網(wǎng)格點(diǎn)ai,j(θ,r),i,j＝1,2,…,n映射到變換域中，構(gòu)建映射矩陣

23、

24、其中，dici,j表示第i個(gè)陣元間距采樣點(diǎn)和第j個(gè)頻率偏移采樣點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的變換域中的映射矩陣；

25、s6：構(gòu)建波束優(yōu)化問題，并求解

26、根據(jù)步驟s5中構(gòu)建的映射矩陣p和dici,j，構(gòu)建波束優(yōu)化問題：

27、

28、將構(gòu)建的波束優(yōu)化問題在凸優(yōu)化工具cvx中定義，求解最優(yōu)的權(quán)重矩陣元素si,j；

29、s7：合成頻控陣波束方向圖

30、將步驟s3中構(gòu)建的離散網(wǎng)格點(diǎn)ai,j(θ,r)和步驟s6中求解的權(quán)重矩陣元素si,j代入頻控陣陣列因子af(θ,r)：

31、

32、合成最終的頻控陣波束方向圖。

33、本發(fā)明還提供了一種基于稀疏重構(gòu)的頻控陣可變波束形狀合成系統(tǒng)，包括：

34、參數(shù)初始化模塊，用于初始化參數(shù)，初始化參數(shù)包括但不限于：載波中心頻率f0、陣列個(gè)數(shù)m、頻偏δf、陣列間距d、采樣點(diǎn)數(shù)n，總觀測(cè)范圍(θ,r)，以及期望波束方向圖p(θ,r)；

35、連續(xù)區(qū)間離散化模塊，用于根據(jù)初始化參數(shù)，分別在陣元間距的區(qū)間(0,md)和頻率偏移的區(qū)間(0,mδf)內(nèi)均勻采樣n個(gè)點(diǎn)，分別表示為：

36、

37、其中，di和δfj分別表示第i個(gè)陣元間距采樣點(diǎn)和第j個(gè)頻率偏移采樣點(diǎn)；

38、離散網(wǎng)格點(diǎn)構(gòu)建模塊，用于根據(jù)初始化參數(shù)以及離散化結(jié)果di和δfj，構(gòu)建離散網(wǎng)格點(diǎn)ai,j(θ,r),i,j＝1,2,…,n，定義為：

39、

40、其中，ai,j(θ,r)表示特定陣元間距和頻率偏移下的對(duì)應(yīng)的導(dǎo)向矢量的一個(gè)元素；

41、二維正交基矩陣構(gòu)建模塊，用于根據(jù)初始化參數(shù)，構(gòu)建二維正交基矩陣，第k行第l列的元素φk,l表示為：

42、

43、其中，k表示正交基的個(gè)數(shù)，φk,l表示二維正交基矩陣的元素，k和l分別是正交基矩陣行和列的索引；

44、映射矩陣p和dici,j構(gòu)建模塊，用于通過二維正交基矩陣，將定義的期望波束方向圖p(θ,r)映射到變換域中，構(gòu)建映射矩陣

45、

46、其中，p表示期望波束方向圖p(θ,r)所對(duì)應(yīng)的變換域中的映射矩陣；

47、通過二維正交基矩陣，將離散網(wǎng)格點(diǎn)ai,j(θ,r),i,j＝1,2,…,n映射到變換域中，構(gòu)建映射矩陣

48、

49、其中，dici,j表示第i個(gè)陣元間距采樣點(diǎn)和第j個(gè)頻率偏移采樣點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的變換域中的映射矩陣；

50、波束優(yōu)化問題構(gòu)建并求解模塊，用于根據(jù)構(gòu)建的映射矩陣p和dici,j，構(gòu)建波束優(yōu)化問題：

51、

52、將構(gòu)建的波束優(yōu)化問題在凸優(yōu)化工具cvx中定義，求解最優(yōu)的權(quán)重矩陣元素si,j；

53、頻控陣波束方向圖合成模塊，用于將構(gòu)建的離散網(wǎng)格點(diǎn)ai,j(θ,r)和求解的權(quán)重矩陣元素si,j代入頻控陣陣列因子af(θ,r)：

54、

55、合成最終的頻控陣波束方向圖。

56、本發(fā)明還提供了一種基于稀疏重構(gòu)的頻控陣可變波束形狀合成設(shè)備，包括：

57、存儲(chǔ)器：存儲(chǔ)上述一種基于稀疏重構(gòu)的頻控陣可變波束形狀合成方法的計(jì)算機(jī)程序，為計(jì)算機(jī)可讀取的設(shè)備；

58、處理器：用于執(zhí)行所述計(jì)算機(jī)程序時(shí)實(shí)現(xiàn)所述的一種基于稀疏重構(gòu)的頻控陣可變波束形狀合成方法。

59、本發(fā)明還提供了一種計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)，計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)存儲(chǔ)有計(jì)算機(jī)程序，計(jì)算機(jī)程序被處理器執(zhí)行時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)所述的一種基于稀疏重構(gòu)的頻控陣可變波束形狀合成方法。

60、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果為：

61、1.實(shí)現(xiàn)了更好的波束聚焦性和旁瓣抑制效果：

62、現(xiàn)有的點(diǎn)波束合成技術(shù)通常難以實(shí)現(xiàn)高精度的波束聚焦，并且旁瓣抑制效果不佳，影響目標(biāo)檢測(cè)的精度。本發(fā)明基于稀疏重構(gòu)理論來聯(lián)合優(yōu)化頻率偏移和陣元間距。通過二維正交基矩陣對(duì)期望的點(diǎn)波束和構(gòu)建的離散化網(wǎng)格進(jìn)行映射，將波束優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為稀疏線性組合問題，從而實(shí)現(xiàn)了距離角度域上點(diǎn)波束的合成，顯著提升了點(diǎn)波束的聚焦能力，使波束能量高度集中于目標(biāo)點(diǎn)。同時(shí)，合成的點(diǎn)波束在旁瓣抑制方面也表現(xiàn)優(yōu)異，能夠有效降低旁瓣電平，減少對(duì)非目標(biāo)方向的干擾，從而提升系統(tǒng)的整體性能和可靠性。

63、2.在面對(duì)距離角度域的多點(diǎn)目標(biāo)時(shí)實(shí)現(xiàn)滿功率波束：

64、現(xiàn)有的點(diǎn)波束合成方法在面對(duì)距離角度域多目標(biāo)點(diǎn)時(shí)，通常無法實(shí)現(xiàn)每個(gè)目標(biāo)點(diǎn)的滿功率波束，波束能量分配不均。本發(fā)明基于稀疏重構(gòu)理論來聯(lián)合優(yōu)化頻率偏移和陣元間距。通過二維正交基矩陣對(duì)期望的多點(diǎn)波束和構(gòu)建的離散化網(wǎng)格進(jìn)行映射，將波束優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為稀疏線性組合問題，從而實(shí)現(xiàn)了距離角度域上多點(diǎn)波束的合成，并在多個(gè)目標(biāo)點(diǎn)處實(shí)現(xiàn)滿功率波束。這種方法在復(fù)雜的多目標(biāo)環(huán)境中尤為重要，能夠顯著提升系統(tǒng)的檢測(cè)和識(shí)別能力，滿足高精度、多目標(biāo)檢測(cè)的需求。

65、3.在給定期望二維波束方向圖的條件下，實(shí)現(xiàn)二維可變波束形狀的合成：

66、現(xiàn)有技術(shù)大多在單一維度上進(jìn)行波束優(yōu)化，難以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的二維波束形狀。本發(fā)明基于稀疏重構(gòu)理論來聯(lián)合優(yōu)化頻率偏移和陣元間距。通過二維正交基矩陣對(duì)給定的期望二維波束圖和構(gòu)建的離散化網(wǎng)格進(jìn)行映射，將波束優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為稀疏線性組合問題，從而實(shí)現(xiàn)了二維可變波束形狀的合成。這種方法能夠生成多種復(fù)雜的波束形狀，如平頂波束、曲線波束等，顯著提高了頻控陣波束成形的靈活性和適應(yīng)性，滿足了不同應(yīng)用場(chǎng)景的需求。

67、綜上，本發(fā)明通過利用離散化和稀疏重構(gòu)的方法，將波束優(yōu)化問題建模為稀疏線性組合問題，能夠同時(shí)優(yōu)化陣列間距和頻率偏移兩個(gè)維度，從而改變頻控陣波束方向圖的能量分布。具有波束聚焦性能好、旁瓣抑制效果優(yōu)異、在距離角度域的多點(diǎn)目標(biāo)處實(shí)現(xiàn)滿功率波束、生成多種復(fù)雜波束形狀的優(yōu)點(diǎn)，本發(fā)明顯著提升了波束成形的靈活性和適應(yīng)性，滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景的需求。