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面向6G的超大规模阵列下近场波束方向图

中兴通讯技术 2024年第3期30卷 26-34页

作者：朱富强阳析华东师范大学中国上海200241

由于超大规模阵列(XL-array)中天线数目急剧增加,用户与基站(BS)之间的通信将处于阵列的瑞利距离内,导致传统的基于平面波前的远场波束方向图不再适用。为解决此问题,基于近场球面波前,利用泰勒展开得到近似近场场强表达,绘制出近场波... 详细信息

由于超大规模阵列(XL-array)中天线数目急剧增加,用户与基站(BS)之间的通信将处于阵列的瑞利距离内,导致传统的基于平面波前的远场波束方向图不再适用。为解决此问题,基于近场球面波前,利用泰勒展开得到近似近场场强表达,绘制出近场波束方向图。在此基础上,根据得到的近场波束方向图,揭示出波束角度偏转现象,并引入回归距离来刻画角度偏转程度。回归距离拟合函数体现了回归距离与目标波束角度、阵列尺寸、以及载波波长之间的关系。仿真结果表明,所提回归距离拟合函数较好地表征了近场波束方向图特性。

关键词：超大规模阵列近场通信球面波前波束方向图

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基于频控阵的波束方向图综合技术研究

基于频控阵的波束方向图综合技术研究

作者：任和广西大学

学位级别：硕士

频控阵（Frequency Diverse Array,FDA）雷达作为一种拥有较高自由度的新型体制雷达,与传统相控阵雷达相比,具备更加灵活的波束扫描特性,因此需要配备更先进的阵列信号处理技术。由于频控阵雷达的不同天线间存在微小的频率偏移量（简称... 详细信息

频控阵（Frequency Diverse Array,FDA）雷达作为一种拥有较高自由度的新型体制雷达,与传统相控阵雷达相比,具备更加灵活的波束扫描特性,因此需要配备更先进的阵列信号处理技术。由于频控阵雷达的不同天线间存在微小的频率偏移量（简称频偏）,形成了与距离、角度、时间相关的波束方向图,使其在干扰抑制、射频隐身等领域拥有广阔的应用前景。线性频偏条件下的频控阵具有距离-角度耦合性,其产生的周期性栅瓣辐射不利于发射能量的集中。目前提出的非线性频偏方法已经能够实现解耦,但是,针对目前雷达系统对目标精准定位的迫切需求,行业内对频控阵波束方向图提出了更高的要求。为了形成主瓣宽度小、旁瓣电平低的波束方向图,本文针对远场目标,分别对单载波频控阵和多载波频控阵进行综合设计,研究工作和创新点总结如下:（1）本文基于单载波频控阵研究了脉冲体制雷达的波束方向图,并系统分析了函数型频偏对频控阵波束方向图的影响。为了最大限度地抑制旁瓣电平并且实现主瓣能量聚焦这一目的,本文对观测区域进行划分,将其归纳为能量分布问题。针对该问题,本文提出了一种基于差分进化的优化算法,该方法通过迭代进化的方式对频偏进行求解。同时,以脉冲波为例,将该方法与遗传算法、内点法等方法进行比较,仿真结果验证了本文所提方法可以获取更好性能的频偏。此外,考虑到环境因素可能导致频偏出现误差,分析了微小扰动对波束方向图产生的影响,验证了本文所提算法具有鲁棒性。（2）基于对称型多载波频控阵,本文研究了常规频偏的频控阵波束方向图。针对其主瓣宽度过大、峰值旁瓣电平较高的问题,提出了适用于常规频偏的频偏权值优化方法,并将问题转化为非线性规划模型进行求解。该方法通过对频偏函数加权,提高了主瓣能量聚焦性能以及旁瓣抑制性能。（3）针对多载波频控阵波束方向图的优化问题,本文提出基于频偏函数和阵列结构的波束方向图综合优化方法。首先,提出了一种改进的频偏函数,该函数加强了对应天线与载波之间的频偏关联性;其次,提出了一种优化阵列结构的方法。该方法在对称型频控阵两端增加一定数量的天线,随后利用贪心思想从整个阵列中选出并减去等量天线,实现了改变阵列结构却不产生栅瓣的目的,仿真结果验证了所提方法能有效优化多载波频控阵波束方向图。此外,本文还分析了载波数、天线单元数等系统参数调整后波束方向图的变化情况。

关键词：频控阵波束方向图频偏优化阵列结构差分进化

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MIMO雷达波束方向图及其旁瓣抑制方法

系统工程与电子技术 2010年第2期32卷 287-290页

作者：郑志东张剑云合肥电子工程学院安徽合肥230037

给出了多输入多输出(multiple-input multiple-output,MIMO)雷达波束方向图的数学表达式,它为发射和接收方向图的乘积。假设接收阵元为半波长配置,通过分析发射阵元的间隔配置,得出如下结论:当发射阵元为一倍或Mr(接收阵元数目)倍半波... 详细信息

给出了多输入多输出(multiple-input multiple-output,MIMO)雷达波束方向图的数学表达式,它为发射和接收方向图的乘积。假设接收阵元为半波长配置,通过分析发射阵元的间隔配置,得出如下结论:当发射阵元为一倍或Mr(接收阵元数目)倍半波长间距时,波束方向图将不会产生高旁瓣;当发射阵元的间距介于两者之间时,波束方向图将会因发射端的栅瓣效应而造成高旁瓣电平。针对后者引起的高副瓣情况,提出了利用接收波束合成算法来对消发射阵元的栅瓣,进而有效地抑制旁瓣。仿真实验验证了理论分析的有效性。

关键词：联合配置多输入多输出雷达波束方向图波束合成旁瓣抑制

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非均匀线阵波束方向图优化方法

弹箭与制导学报 2011年第5期31卷 212-215页

作者：牛朝阳张剑云郑志东解放军电子工程学院合肥230037

对于非均匀线型阵列,在给定阵元数和阵列孔径的约束条件下,以降低波束方向图峰值旁瓣为目标,进行阵元布阵优化和波束形成权值优化。对于布阵优化,利用多种群并行进化遗传算法,分别采用稀疏栅格编码和实数编码对阵元位置进行优化,方向图... 详细信息

对于非均匀线型阵列,在给定阵元数和阵列孔径的约束条件下,以降低波束方向图峰值旁瓣为目标,进行阵元布阵优化和波束形成权值优化。对于布阵优化,利用多种群并行进化遗传算法,分别采用稀疏栅格编码和实数编码对阵元位置进行优化,方向图峰值旁瓣分别达到-11.8dB和-14dB;利用凸优化方法结合遗传算法对阵元位置和波束形成权值进行联合优化,进一步把方向图旁瓣压低到-16.58dB。仿真实验说明了优化方法的有效性。

关键词：非均匀线阵波束方向图遗传算法凸优化

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基于LMS算法的智能天线波束方向图仿真

电子设计工程 2012年第18期20卷 190-192页

作者：杨尚贤王明皓沈阳航空航天大学辽宁沈阳110136 沈阳飞机设计研究所辽宁沈阳110035

最小均方(LMS)算法是一种基于梯度的算法。本算法具有实现简单而且对信号统计特性变化具有鲁棒性。该算法通过多次迭代来求出权值的近似值。

关键词：智能天线 LMS算法波束方向图收敛性

基于波束设计与球谐域分析的室内声源DOA估计

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基于波束设计与球谐域分析的室内声源DOA估计

作者：翁柳青桂林电子科技大学

学位级别：硕士

声源的到达方向(Direction-of-Arrival,DOA)估计是室内多声源定位跟踪的关键技术。在室内环境中,使用球形麦克风阵列采集声音信号,结合球傅里叶变换的相关理论,在球谐波域中分析与处理声信号,是解决低信噪比、高混响环境下室内多声源DO... 详细信息

声源的到达方向(Direction-of-Arrival,DOA)估计是室内多声源定位跟踪的关键技术。在室内环境中,使用球形麦克风阵列采集声音信号,结合球傅里叶变换的相关理论,在球谐波域中分析与处理声信号,是解决低信噪比、高混响环境下室内多声源DOA估计的有效措施。针对低信噪比、高混响环境下,解决多个声源、声源位置邻近和存在干扰源的声学定位问题,本文从球阵三维波束设计和球谐域谱估计两方面,开展室内多声源DOA估计研究。本文的主要工作内容与贡献如下:1、针对球谐域多重信号分类算法(Spherical Harmonics Domain-Multiple Signal Classification,SHD-MUSIC)在低信噪比、高混响环境下定位精度不高的问题,提出了一种球谐域-波束空间MUSIC算法(简记为SHD-BMUSIC)。该方法在原有SHDMUSIC算法的基础上,通过预成多波束成形将球谐域声压变换到波束域输出,从而构造波束域MUSIC空间谱进行峰值搜索。仿真实验结果表明,在非邻近五声源的声场环境中,在不同信噪比和混响下SHD-BMUSIC算法的平均声源检测数和平均RMSE均优于SHD-MUSIC算法,表现出更高的检测能力和定位性能。2、本文提出的SHD-BMUSIC算法中,球谐域波束形成部分具有显著的灵活性,可以在不改变波束转向下设计不同波束权值以适应不同的声学环境。本文针对邻近声源和含干扰声源的两种多声源环境,分别设计波束方向图,使得上述SHD-BMUSIC算法在室内环境中更具普适性:(1)为了提高SHD-MUSIC算法对物理空间邻近声源的定位能力,提出了使用多目标波束方向图的SHD-BMUSIC算法。将多目标权值设计表示成二次约束二次规划(Quadratic Constraint Quadratic Programming,QCQP)最优化问题求解,对方向性指数和白噪声增益进行了权衡。仿真实验结果表明,使用多目标波束方向图的SHDBMUSIC算法能够清晰地定位出俯仰角相同,方位角相差40°的三声源,相比SHDMUSIC算法具有更好的邻近声源方位分辨能力;(2)为了解决定向的干扰声源对目标声源方位估计的影响,提出了使用心形波束方向图,改进SHD-BMUSIC算法。根据不同的设计目标,可以设计优化不同阵列特性的心形波束图,如在观察方向对面形成一个零陷、最大化方向性指数以及最大前后比。仿真实验结果表明,此使用心形波束方向图改进的SHD-BMUSIC算法,得益于心形波束方向图较好的低波束旁瓣优势,能够有效抑制干扰声源,保证波束区域内目标声源方位的正确估计。

关键词：到达方向估计波束方向图多重信号分类球面谐波域空间谱

基于时间反演的天线阵列激励分布确定方法研究

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电子与信息学报 2014年第9期36卷 2238-2243页

作者：范晶晶赵德双张浩然周城电子科技大学物理电子学院成都610054 中国科学院电子学研究所北京100190 中国科学院大学北京100049

时间反演(TR)是一种新型的电磁波传播与控制方法,具有电磁环境自适应性。采用时间反演方法,可使结构复杂的天线阵列方向图综合设计简单化。该文初步探索了将时间反演方法应用于微带天线阵列激励设计的可行性,并进行了数值模拟和实验验... 详细信息

时间反演(TR)是一种新型的电磁波传播与控制方法,具有电磁环境自适应性。采用时间反演方法,可使结构复杂的天线阵列方向图综合设计简单化。该文初步探索了将时间反演方法应用于微带天线阵列激励设计的可行性,并进行了数值模拟和实验验证。结果表明:对于不同的主波束指向,时间反演法均能准确地确定其对应的激励分布。相对于传统的激励分布确定方法,时间反演法无需互耦补偿计算,准确便捷,且不受阵列和阵元结构形式的限制,在结构复杂阵列的激励分布计算上优势明显。

关键词：天线微带阵列时间反演激励分布波束方向图

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基于遗传算法的平面麦克风阵列构型优化方法

电子科技 2023年第7期36卷 24-31页

作者：张大桂周志峰张怡上海工程技术大学机械与汽车工程学院上海201620 上海市松江区新桥职业技术学校上海201612

在有限平面范围内使用较少的麦克风数量设计阵列构型,使得阵列具有更好的性能是声源定位系统中需解决的首要问题。文中提出了一种基于遗传算法的阵列优化方法,该方法以阵列波束方向图的主瓣宽度和旁瓣级为基础,兼顾麦克风的数量设计了... 详细信息

在有限平面范围内使用较少的麦克风数量设计阵列构型,使得阵列具有更好的性能是声源定位系统中需解决的首要问题。文中提出了一种基于遗传算法的阵列优化方法,该方法以阵列波束方向图的主瓣宽度和旁瓣级为基础,兼顾麦克风的数量设计了遗传算法的适应度目标函数,通过改进遗传算法,使其在麦克风阵列优化的应用中得到实现。仿真结果表明,与传统的十字形和矩形平面均匀阵列相比,优化后的阵列构型在保证阵列性能的同时,可以减少麦克风的使用数量。相比于粒子群优化算法,改进遗传算法优化后的阵列具有更优异的性能。

关键词：麦克风阵列遗传算法波束方向图主瓣旁瓣主瓣宽度旁瓣级粒子群算法

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基于调零技术的相干干扰抑制方法

计算机应用研究 2013年第6期30卷 1779-1782页

作者：肖红侠项建弘哈尔滨工程大学信息与通信工程学院哈尔滨150001

在干扰信号相干的情况下,一般波束形成方法不能准确地对相干信号和期望信号进行到达角(DOA)估计,干扰抑制效果较差。通过对相干信号和加权矢量二次型性能函数的分析,提出了一种相干干扰抑制方法,即基于多约束最小均方(multiple constrai... 详细信息

在干扰信号相干的情况下,一般波束形成方法不能准确地对相干信号和期望信号进行到达角(DOA)估计,干扰抑制效果较差。通过对相干信号和加权矢量二次型性能函数的分析,提出了一种相干干扰抑制方法,即基于多约束最小均方(multiple constrained least mean square,MC-LMS)算法的空域调零抗干扰技术。该方法利用MC-LMS算法迭代计算权值,并对阵列信号自适应加权输出,通过频谱分析可以得到抑制干扰的效果。计算机仿真和工程实现表明该方法在复杂的电磁环境下能对相干干扰进行抑制,并通过抗干扰的数量和抗干扰性能验证了该方法的有效性。

关键词：均匀圆阵相干干扰多约束最小均方算法波束方向图