[發明專利]一種近場陣列波束控制方法

有效

• 申請號: 202110268752.6
• 申請日: 2021-03-12
• 公開（公告）號: CN113067615B
• 公開（公告）日: 2022-04-22
• 發明（設計）人: 潘延;廖紅舒;甘露
• 申請（專利權）人: 電子科技大學
• 主分類號: H04B7/06
• 分類號: H04B7/06;H04B7/08;G06F17/16
• 代理公司: 成都點睛專利代理事務所(普通合伙) 51232
• 代理人: 孫一峰

本發明屬于信號處理技術領域，涉及一種基于近場陣列波束控制方法。本發明首先會根據初始加權向量進行波束形成獲得初始波束圖，在此基礎上尋找最大增益值點進行迭代調整，每次迭代中將所控制的平面或區間內旁瓣最大增益值點調整至目標值，直至旁瓣區域滿足設計要求時，所獲得的加權向量為最后結果。該發明相對陣元激勵加權法和凸優化法，具有更高的精確性和靈活性，對于時間復雜度和算法的準確性都有很好的兼顧。本發明還能夠在單一平面的波束控制基礎上，進行區間的波束控制，實現近場場景下的區間低旁瓣波束形成。

技術領域

本發明屬于信號處理技術領域，涉及一種近場陣列波束控制方法。

背景技術

隨著陣列信號處理技術的發展，在遠場天線陣列研究日趨成熟的背景下，近場天線陣列成為了當下逐漸火熱的話題。近場天線陣列目前已經廣泛運用于麥克風陣列、無線充電技術、射頻識別技術、聲納、雷達等領域，涉及人們的日常生活甚至是國防用途。遠場陣列研究中的成果可以有限制地轉換為近場條件下的結論。近場陣列信號處理中的一個重要問題就是如何去設計陣列的加權向量，使得其滿足不同的需求。當前研究較多的方法有兩種：陣元激勵加權法、凸優化法。

在進行常規波束控制時，通常以陣列的導向矢量作為加權向量，此時該導向矢量對應的即是陣元激勵。陣元激勵加權法旨在設計一個滿足期望陣列響應的陣元激勵加權向量，其可以是導向矢量，也可以通過迭代傅里葉法、切比雪夫加權法等方式進行激勵設計，從而設計出滿足期望陣列相應的加權方式，但其缺乏精確性和靈活性，很難設計出一些賦形波束。

凸優化法則是基于凸優化理論，將陣列模型轉換為凸優化問題，利用CVX工具包等進行求解。當問題能夠映射為凸集時可以很好的利用相關理論和工具進行求解。對于期望形狀的賦形平面，只要問題能轉換為凸集通常都能求解出答案。但是該方法也存在弊端，凸優化設計通常是交由計算機進行一步求解，用戶送入輸入之后獲得輸出，幾乎不產生其他中間過程。該方法雖然有很高的精確性，能給對很多復雜問題進行求解，但是欠缺靈活性，且由于凸優化算法本身的特性，求解復雜問題的時間會比較長。

上述波束控制的方法雖然在一定程度上能夠解決波束形成中加權向量設計的問題，但是各自都有所欠缺，時間復雜度和精確性難以做到較好的平衡。當設計中需要提高精度時，產生的高額時間成本使得實際系統中的部署很難實現；而為了提高時間效率所采用的方法則會一定程度的降低精度，削弱波束形成的效果。并且上述波束控制方法通常只能針對單一平面進行近場波束控制，當需要對一段區間的波束進行控制和設計時，上述方法無法實現。因此需要一個可控時間復雜度且靈活性高的準確性波束形成算法。

發明內容

本發明提供了一種近場陣列波束控制方法，實現以迭代設計權向量的方式進行波束形成，能夠給出每一次迭代步驟中的權向量的顯式表達式，實現精確的區間波束設計。相較于上述陣元激勵加權法和凸優化法，本發明能夠在有限次矩陣乘法運算實現波束形成的權向量設計，有效的降低了時間復雜度，并提高精度和靈活性，且在單一平面控制的基礎上實現了區間的近場波束控制。

為了便于理解，對本發明采用的技術作如下說明：

本發明中所使用近場陣列天線為M×M維半波長均布面陣，此時導向矢量為一個矩陣形式。通常情況下將該矩陣按列展開得到一個一維向量，此時得到的導向矢量可以用向量描述，若以陣列中心處陣元為參考點，三維空間中任意一點r_*＝(x_*,y_*,z_*)的導向矢量描述為：

其中，λ為天線陣列工作波長，d_(m,*)為序號為m的陣元與目標點r_*＝(x_*,y_*,z_*)的距離。將波束聚焦于某目標點r₀＝(x₀,y₀,z₀)的常規波束形成權向量w₀為：