一种球柱面阵差波束零深优化方法及装置

摘要

本申请公开了一种球柱面阵差波束零深优化方法及装置，包括：建立球柱面阵模型，沿方位面或俯仰面将球柱面阵模型的激活区域分为两个区域，分别形成方位面差波束方向图、俯仰面差波束方向图；计算两个区域的各阵元单位法向向量与波束指向单位向量的向量积，作为第一级权值；确定两个区域的阵元数目，并基于所确定的两个区域的阵元数目之间的偏差确定第二权值；利用所述第一权值和所述第二权值，对所述方位面差波束方向图以及俯仰面差波束方向图进行零深优化。本申请的方案利用确定的两级加权系数结合实现差波束零深的优化，方案实现简单，通用性强，资源占用少。

权利要求

1.一种球柱面阵差波束零深优化方法，其特征在于，包括：

建立球柱面阵模型，沿方位面或俯仰面将球柱面阵模型的激活区域分为两个区域，分别形成方位面差波束方向图、俯仰面差波束方向图；

计算两个区域的各阵元单位法向向量与波束指向单位向量的向量积，作为第一权值；

确定两个区域的阵元数目，并基于所确定的两个区域的阵元数目之间的偏差确定第二权值；

利用所述第一权值和所述第二权值，对所述方位面差波束方向图以及俯仰面差波束方向图进行零深优化。

2.如权利要求1所述的球柱面阵差波束零深优化方法，其特征在于，建立球柱面阵模型包括：以球心为坐标原点，在三维坐标系中，在z＞0的空间内建立半球面，z＜0的空间内建立柱面，柱面半径与半球面半径均为r；

在z轴上距离球心距离r的位置处设置第一个天线阵元，阵元法向为﹢z轴方向，再绕球心旋转，以阵元间距半波长在球面上排列多个阵元，再绕z轴旋转；

以阵元间距半波长在柱面上排列多个阵元，从而建立球柱面阵列，并确定各阵元的坐标和法向向量。

3.如权利要求2所述的球柱面阵差波束零深优化方法，其特征在于，计算两个区域的各单位法向向量与波束指向单位向量的向量积，作为第一权值包括：利用阵元在波束指向上的投影口径与原等效辐射口径之比来作为第一权值，满足：式中，  表示第一区域的第一权值， 和 为第一区域第i个阵元分别在波束指向的投影口径和原等效辐射口径， 为阵元法向与波束指向的向量角，表示阵元i单位法向向量，表示波束指向。

4.如权利要求3所述的球柱面阵差波束零深优化方法，其特征在于，利用所述第一权值对所述方位面差波束方向图以及俯仰面差波束方向图进行零深优化满足：其中， 和 分别表示两个区域的中第i或j个阵元的初始幅度加权系数， 和分别表示两个区域中第i或j个阵元的加权后的幅度加权系数， 表示第二区域的第一权值。

5.如权利要求4所述的球柱面阵差波束零深优化方法，其特征在于，基于所确定的两个区域的阵元数目之间的偏差确定第二权值包括：利用两个区域的阵元数目之间的比值，作为第二权值。

6.如权利要求5所述的球柱面阵差波束零深优化方法，其特征在于，利用所述第二权值对所述方位面差波束方向图以及俯仰面差波束方向图进行零深优化满足：其中， 为第一区域的阵元数目， 为第二区域的阵元数目， 和 分别表示两个区域中第i或j个阵元的二次加权后的幅度加权系数。

7.一种球柱面阵差波束零深优化装置，其特征在于，包括处理器和存储器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至6中任一项所述的球柱面阵差波束零深优化方法的步骤。

8.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至6中任一项所述的球柱面阵差波束零深优化方法的步骤。

说明书

一种球柱面阵差波束零深优化方法及装置

技术领域

[0001] 本申请涉及天线技术领域，尤其涉及一种球柱面阵差波束零深优化方法及装置。

背景技术

[0002] 天线阵列作为电磁信号接收与发射的关键设备，在测控、雷达、导航、通信等领域均具有十分重要的地位。但在许多球面或曲面应用场景中，由于天线在不同位置的指向不同以及结构本身的不对称性，导致最终形成的差波束方向图零深较差。目前针对差波束零深优化的方式通常是基于两个差波束区域各自的方向系数之比对阵元进行加权，这种方法对差波束性能的改善比较有效，可每次都要计算各个差波束区域的方向系数，会占用大量的计算资源，且加权系数的计算和差波束方向图的形成速度较慢。对于大型全空域球柱面相控阵天线的差波束形成及优化问题，现有技术中没有适用的方法。

发明内容

[0003] 本申请实施例为了解决现有全空域球面相控阵由于天线在不同位置的指向不同以及结构本身的不对称性，导致差波束零深恶化的问题，提出一种对大规模球面阵，实现简单，通用性强，资源占用少的球柱面阵差波束零深优化方法及装置。

[0004] 本申请实施例提供一种球柱面阵差波束零深优化方法，包括：

[0005] 建立球柱面阵模型，沿方位面或俯仰面将球柱面阵模型的激活区域分为两个区域，分别形成方位面差波束方向图、俯仰面差波束方向图；

[0006] 计算两个区域的各阵元单位法向向量与波束指向单位向量的向量积，作为第一权值；

[0007] 确定两个区域的阵元数目，并基于所确定的两个区域的阵元数目之间的偏差确定第二权值；

[0008] 利用所述第一权值和所述第二权值，对所述方位面差波束方向图以及俯仰面差波束方向图进行零深优化。

[0009] 可选的，建立球柱面阵模型包括：

[0010] 以球心为坐标原点，在三维坐标系中，在z＞0的空间内建立半球面，z＜0的空间内建立柱面，柱面半径与半球面半径均为r；

[0011] 在z轴上距离球心距离r的位置处设置第一个天线阵元，阵元法向为﹢z轴方向，再绕球心旋转，以阵元间距半波长在球面上排列多个阵元，再绕z轴旋转；

[0012] 以阵元间距半波长在柱面上排列多个阵元，从而建立球柱面阵列，并确定各阵元的坐标和法向向量。

[0013] 可选的，计算两个区域的各阵元单位法向向量与波束指向单位向量的向量积，作为第一权值包括：

[0014] 利用阵元在波束指向上的投影口径与原等效辐射口径之比来作为第一权值，满足：

[0015]

[0016] 式中，  表示第一区域的第一权值，  和  为第一区域第i个阵元分别在波束指向和阵元法向上的等效辐射口径， α为阵元法向与波束指向的向量角，表示阵元i单位法向向量，表示波束指向。

[0017] 可选的，利用所述第一权值对所述方位面差波束方向图以及俯仰面差波束方向图进行零深优化满足：

[0018]

[0019]

[0020] 其中，  和  分别表示两个区域的中第i或j个阵元的初始幅度加权系数， 和  分别表示两个区域中第i或j个阵元的加权后的幅度加权系数， 表示第二区域的第一权值。

[0021] 可选的，基于所确定的两个区域的阵元数目之间的偏差确定第二权值包括：

[0022] 利用两个区域的阵元数目之间的比值，作为第二权值。

[0023] 可选的，利用所述第二权值对所述方位面差波束方向图以及俯仰面差波束方向图进行零深优化满足：

[0024]

[0025]

[0026] 其中， 为第一区域的阵元数目， 为第二区域的阵元数目， 和 分别表示两个区域中第i或j个阵元的二次加权后的幅度加权系数。

[0027] 本申请实施例还提供一种球柱面阵差波束零深优化装置，包括处理器和存储器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现前述的球柱面阵差波束零深优化方法的步骤。

[0028] 本申请实施例还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现前述的球柱面阵差波束零深优化方法的步骤。

[0029] 本申请实施例针对球柱面阵，以阵元法向向量与波束指向的向量角得到第一级加权系数，由差波束分区内阵元数目之比得到第二级加权系数，两级加权系数结合实现差波束零深的优化，本申请的方案实现简单，通用性强，资源占用少。

[0030] 上述说明仅是本申请技术方案的概述，为了能够更清楚了解本申请的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本申请的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本申请的具体实施方式。

附图说明

[0031] 通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本申请的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

[0032] 图1为本申请实施例的球柱面阵差波束零深优化方法的基本流程图；

[0033] 图2本申请实施例的球柱面阵列模型示意图；

[0034] 图3本申请实施例的球柱面阵列差波束分区示意图；

[0035] 图4本申请实施例的球面阵在不同波束指向时俯仰面差波束零深在优化前后的变化情况；

[0036] 图5本申请实施例的球面阵在不同波束指向时方位面差波束零深在优化前后的变化情况；

[0037] 图6本申请实施例的球面阵在（60°，0°）时优化前后的俯仰面差波束方向图；

[0038] 图7本申请实施例的球面阵在（60°，30°）时优化前后的俯仰面差波束方向图。

具体实施方式

[0039] 下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

[0040] 本申请实施例提供一种球柱面阵差波束零深优化方法，如图1所示，包括如下步骤：

[0041] 在步骤S101中，建立球柱面阵模型，沿方位面或俯仰面将球柱面阵模型的激活区域分为两个区域，分别形成方位面差波束方向图、俯仰面差波束方向图。在一些实施例中，如图2、建立球柱面阵模型包括：以球心为坐标原点，在三维坐标系中，在z＞0的空间内建立半球面，z＜0的空间内建立柱面，柱面半径与半球面半径均为r；在z轴上距离球心距离r的位置处设置第一个天线阵元，阵元法向为﹢z轴方向，再绕球心旋转，以阵元间距半波长在球面上排列多个阵元，再绕z轴旋转；以阵元间距半波长在柱面上排列多个阵元，从而建立球柱面阵列，并确定各阵元的坐标和法向向量。

[0042] 本示例中如图2、图3所示，激活区域是指：以球心为原点，以偏离波束指向一定角域范围的角锥截取球柱面，所截取范围作为激活区域。

[0043] 由于球柱面阵列中各个阵元的法向方向不同，则不同位置的天线阵元在波束指向方向的幅度不同，导致两个差波束分区内的幅度不相等，差波束零深恶化。基于阵元法向向量的权值计算是指：沿方位或俯仰面将激活区域等分为2个区域，分别形成方位或俯仰面差波束方向图。在步骤S102中，计算两个区域的各阵元单位法向向量与波束指向单位向量的向量积，作为第一权值。

[0044] 在步骤S103中，确定两个区域的阵元数目，并基于所确定的两个区域的阵元数目之间的偏差确定第二权值。

[0045] 在步骤S104中，利用所述第一权值和所述第二权值，对所述方位面差波束方向图以及俯仰面差波束方向图进行零深优化。

[0046] 本申请实施例针对球柱面阵，以阵元法向向量与波束指向的向量角得到第一级加权系数，由差波束分区内阵元数目之比得到第二级加权系数，两级加权系数结合实现差波束零深的优化，本申请的方案实现简单，通用性强，资源占用少。

[0047] 在一些实施例中，计算两个区域的各阵元单位法向向量与波束指向单位向量的向量积，作为第一权值包括：利用阵元在波束指向上的投影口径与原等效辐射口径之比来作为第一权值，满足：

[0048]

[0049] 式中，  表示第一区域的第一权值，  和  为第一区域第i个阵元分别在波束指向和阵元法向上的等效辐射口径，α为阵元法向与波束指向的向量角，表示阵元i单位法向向量，表示波束指向。

[0050] 本实例中，阵元法向和波束指向均为单位向量，其向量积等于阵元在波束指向上的投影口径与原等效辐射口径之比，利用上式中的权值改善阵元法向不同带来的差波束分区内的不等幅问题。

[0051] 在一些实施例中，利用所述第一权值对所述方位面差波束方向图以及俯仰面差波束方向图进行零深优化满足：

[0052]

[0053]

[0054] 其中，  和  分别表示两个区域的中第i或j个阵元的初始幅度加权系数， 和  分别表示两个区域中第i或j个阵元的加权后的幅度加权系数，  表示第二区域的第一权值。

[0055] 在一些实施例中，基于所确定的两个区域的阵元数目之间的偏差确定第二权值包括：

[0056] 利用两个区域的阵元数目之间的比值，作为第二权值。

[0057] 可选的，利用所述第二权值对所述方位面差波束方向图以及俯仰面差波束方向图进行零深优化满足：

[0058]

[0059]

[0060]  其中，  为第一区域的阵元数目，  为第二区域的阵元数目，  和 分别表示两个区域中第i或j个阵元的二次加权后的幅度加权系数。

[0061] 基于差波束区域内阵元数目的权值计算是指：球柱面结构本身的不对称性会导致差波束分区内的阵元数目不同，本示例中以差波束区域内阵元数目  和 之比作为第二级权值，再结合在先给出的第一权值，从而实现差波束方向图的零深优化。

[0062] 采用上述两级权值进行加权后，差波束方向图的零深性能得到明显改善。参阅图4和图5，图4给出了球面阵波束指向在，由0°变化至80°时，俯仰面方向图差波束零值深度在加权前后的变化情况，图5给出了球面阵波束指向在，由0°变化至90°时，方位面方向图差波束零值深度在加权前后的变化情况。显然，差波束零深在加权后得到明显优化。

[0063] 参阅表1和表2，分别给出了球面阵在不同波束指向时的俯仰面和方位面差波束方向图在加权前后的性能对比。由对比结果可知，在某些波束指向下，由于差波束区域划分较为对称，其差波束零深较好，加权前后性能差异不大；对于差波束区域划分不对称的波束指向，通过加权可较为明显的优化差波束零深，加权后增益损失小于0.4dB。图6和图7分别给出球面阵在指向（60°,0°）和（60°,30°）时，加权前后的俯仰面差波束方向图。

[0064] 表1 不同波束指向时阵列加权前后俯仰面差波束性能对比

[0065]

[0066] 表2不同波束指向时阵列加权前后方位面差波束性能对比

[0067]

[0068] 由此可见，采用球柱面阵差波束零深优化方法，以阵元单位法向与波束指向的向量积作为第一权值，以差波束区域内阵元数目之比作为第二级权值，结合两组权值可实现球柱面阵列差波束方向图的零深优化。

[0069] 与现有技术相比，本申请的方案通用性强、易于操作。本申请针对球柱面阵，以阵元法向向量与波束指向的向量角得到第一级加权系数，由差波束分区内阵元数目之比得到第二级加权系数，两级加权系数结合实现差波束零深的优化，该方法可针对绝大部分不同形状的曲面阵列，具有极强的通用性，且操作简单。

[0070] 现有技术中，基于两个差波束区域内方向系数的比值，从而计算出加权系数，该方式亦能改善差波束区域幅度不等导致的差零深恶化，但是对于大规模阵列而言，每次计算差波束区域内的方向系数会占用一定资源和时间。本申请的方案占用资源少，计算速度快。本申请提出的差波束方向图优化方法所需权值的计算过程简单，变量来源均为球面阵建立后的已有数据，可占用较少的计算资源，快速的计算出权值。

[0071] 本申请实施例还提供一种球柱面阵差波束零深优化装置，包括处理器和存储器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现前述的球柱面阵差波束零深优化方法的步骤。

[0072] 本申请实施例还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现前述的球柱面阵差波束零深优化方法的步骤。

[0073] 需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。

[0074] 上述本申请实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

[0075] 通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例方法可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质（如ROM/RAM、磁碟、光盘）中，包括若干指令用以使得一台终端（可以是手机，计算机，服务器或者网络设备等）执行本申请各个实施例所述的方法。

[0076] 上面结合附图对本申请的实施例进行了描述，但是本申请并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本申请的启示下，在不脱离本申请宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本申请的保护之内。