復(fù)合制導(dǎo)體制下毫米波共形陣列的數(shù)字波束形成方法研究.pdf

1、共形天線陣列不僅具有良好的寬角掃描和空氣動力學(xué)特性,而且還可以減小雷達(dá)散射截面積(RCS)和減小天線/天線罩之間的相互作用,因而在彈載、機(jī)載、星載等武器系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用前景。毫米波雷達(dá)導(dǎo)引頭可以采用與其外形相匹配的共形天線陣列代替?zhèn)鹘y(tǒng)的精密萬向伺服跟蹤系統(tǒng),為多模導(dǎo)引頭的復(fù)合制導(dǎo)提供了實(shí)現(xiàn)條件,進(jìn)而可以改善整個制導(dǎo)系統(tǒng)的性能。將共形陣列技術(shù)應(yīng)用于光電復(fù)合制導(dǎo)體制的毫米波導(dǎo)引頭,是一種創(chuàng)新型應(yīng)用概念。本文研究的毫米波共形陣列數(shù)字波束形

2、成相關(guān)技術(shù),為復(fù)合制導(dǎo)體制下共形陣列在毫米波導(dǎo)引頭中的應(yīng)用提供理論和技術(shù)支持。
　　 本文首先分析了國內(nèi)外共形陣列最優(yōu)波束形成理論的研究進(jìn)展,圍繞國防預(yù)研項(xiàng)目及國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目的研究任務(wù),分兩部分針對毫米波導(dǎo)引頭共形陣列數(shù)字波束形成技術(shù)進(jìn)行研究:(1)研究了復(fù)合制導(dǎo)體制下的毫米波導(dǎo)引頭共形陣列,包括多?？讖綇?fù)合中的參數(shù)設(shè)計(jì)、共形陣列與平面陣列的性能分析比較、共形陣列對于不同氣動外形(幾何模型)的波束性能分析與陣列布陣方式、共

3、形陣列的優(yōu)化布陣方法以及低副瓣波束形成方法；(2)研究了毫米波導(dǎo)引頭共形陣列單脈沖和/差波束形成方法。
　　 論文內(nèi)容可概括為如下以下六章:
　　 第二章對光電復(fù)合制導(dǎo)體制下毫米波導(dǎo)引頭中的共形天線陣列技術(shù)的若干性能進(jìn)行了分析。首先,對多模導(dǎo)引頭的復(fù)合方式進(jìn)行了分析與討論:其次,對高速應(yīng)用場合下毫米波圓錐共形陣列的參數(shù)設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究；然后,推導(dǎo)了共形陣列與平面陣列的天線方向圖綜合模型,并對掃描時(shí)的波束特性進(jìn)行了分析與比較

4、；最后,對毫米波復(fù)合制導(dǎo)體制下圓錐共形陣列的波束掃描區(qū)域進(jìn)行了定量分析,針對毫米波導(dǎo)引頭與多模傳感器的孔徑復(fù)合問題,提出了一種基于線性優(yōu)化二分法的圓錐臺共形陣列孔徑規(guī)劃方法。仿真結(jié)果表明本文的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)在高速應(yīng)用場合下可以得到滿足需求的毫米波體制圓錐共形陣列的天線方向圖。
　　 第三章研究了光電復(fù)合制導(dǎo)體制下不同氣動外形導(dǎo)引頭共形陣列對波束掃描特性的影響,以及不同布陣方式對導(dǎo)引頭共形陣列方向圖的影響。在對目前世界上各國在役戰(zhàn)術(shù)

5、導(dǎo)彈進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上,構(gòu)建了幾種典型導(dǎo)引頭氣動外形的結(jié)構(gòu)模型,討論了適用于共形陣列的不同陣列布陣方式,并建立了任意氣動外形下的方向圖綜合模型。隨后針對矩形柵格陣列布陣方式分析比較了不同氣動外形導(dǎo)引頭共形陣列的波束性能,選擇波束掃描性能最優(yōu)時(shí)的氣動外形作為研究對象,討論了不同布陣方式對共形陣列波束特性的影響。仿真和分析表明,在復(fù)合制導(dǎo)體制下的矩形柵格陣列布陣方式下,圓錐型導(dǎo)引頭共形陣列的波束掃描特性最優(yōu)；在已知最優(yōu)氣動外形導(dǎo)引頭結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)

6、上,采用不同布陣方式對導(dǎo)引頭共形陣列進(jìn)行波束形成,矩形柵格陣列布陣方式最優(yōu)。
　　 第四章研究了復(fù)合制導(dǎo)體制下毫米波導(dǎo)引頭共形陣列的兩種優(yōu)化布陣方法:(1)采用三角柵格陣列布陣方式,提出了一種新的子陣劃分方法,開展了基于極化的子陣級自適應(yīng)處理的布陣方法研究,仿真結(jié)果說明利用本文提出的子陣劃分方法可以有效抑制由于子陣劃分和陣列稀布引起的柵瓣效應(yīng),提升導(dǎo)引頭共形陣列的子陣級自適應(yīng)處理性能,極大的減輕自適應(yīng)處理的運(yùn)算量；(2)提出了基

7、于最優(yōu)極化方式的導(dǎo)引頭共形陣列稀疏布陣優(yōu)化設(shè)計(jì),仿真結(jié)果表明該方法能有效抑制陣列單元稀布而引發(fā)的柵瓣效應(yīng),極大的降低了陣元分布的密度。
　　 第五章研究了復(fù)合制導(dǎo)體制下毫米波圓錐型導(dǎo)引頭共形陣列的低副瓣波束形成方法。首先,回顧了基于自適應(yīng)陣列理論的波束形成算法；其次,對極化方式下的交替投影優(yōu)化方法進(jìn)行了歸納；然后在實(shí)現(xiàn)共形陣列單元極化一致性的前提下,兼顧副瓣電平、陣列增益以及主波束寬度的影響,提出了修正的多目標(biāo)遺傳進(jìn)化算法；最后

8、根據(jù)三種優(yōu)化方法對毫米波圓錐型導(dǎo)引頭共形陣列進(jìn)行低副瓣波束形成的優(yōu)化。仿真結(jié)果表明在毫米波導(dǎo)引頭共形陣列單元實(shí)現(xiàn)極化方向一致性的基礎(chǔ)上,采用多目標(biāo)遺傳進(jìn)化算法進(jìn)行低副瓣波束形成優(yōu)化,在交叉極化電平、主波束寬度以及陣列增益等性能上其綜合性能是最優(yōu)的。
　　 第六章針對傳統(tǒng)陣列劃分形式的圓錐型導(dǎo)引頭共形陣列在偏離視軸方向時(shí)無法形成俯仰差波束的問題,研究了陣列結(jié)構(gòu)不滿足對稱條件的單脈沖測角接收波束(和,差波束)形成。首先從圓錐型導(dǎo)引頭

9、共形陣列的結(jié)構(gòu)特性入手,分析了波束指向偏離視軸方向時(shí)的圓錐共形陣列的陣元分布情況,構(gòu)建了入射坐標(biāo)系和入射參考平面,在此基礎(chǔ)上分別提出了基于平面投影方法的共形陣列單脈沖和/差波束形成方法和基于等效源理論的共形陣列單脈沖和/差波束形成方法。仿真結(jié)果表明,兩種方法均能有效解決在波束指向偏離視軸時(shí)的和/差波束形成問題,其中基于等效源理論的和/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靈活、波束形成快速等優(yōu)點(diǎn)