基于波束形成的相控阵雷达信号处理算法优化方法

基于波束形成的相控阵雷达信号处理算法优化方法

王乾龙

贵州航天电子科技有限公司

摘要：随着科技的不断进步，雷达技术在军事、航空航天、气象、地质勘探等领域发挥着重要作用。相控阵雷达作为现代雷达技术的重要分支，通过多个天线单元协同工作，实现了对目标的高精度探测和跟踪，具有广阔的应用前景和重大的战略意义。本文通过对波束形成、波束指向控制和信号处理等关键环节进行优化设计，提高相控阵雷达系统的探测性能、目标分辨率和抗干扰能力，以适应复杂多变的实际应用场景。

关键词：相控阵雷达；波束形成；信号处理

前言：传统的相控阵雷达信号处理算法在一定程度上存在着性能瓶颈，对于强干扰环境下的目标探测、跟踪精度不高等问题，需要进一步的研究和优化。优化波束形成技术可以提高雷达系统对目标的探测灵敏度和定位精度，同时抑制不同类型的干扰信号，如天气干扰、人工干扰等。优化波束指向控制策略可以实现对不同方向目标的快速跟踪和定位，适应目标快速运动和动态环境变化的需求。优化信号处理算法则可以提高雷达系统对复杂信号场景的处理能力，如对低信噪比情况下的目标探测、多目标跟踪等。

1 相控阵雷达的基本原理

相控阵雷达是一种利用多个天线单元协同工作的雷达系统，其核心原理涉及到波束形成、波束指向和信号处理等技术性内容，相控阵雷达的波束形成是指利用多个天线单元的合成效应来形成特定方向的波束。每个天线单元可以调节发射或接收信号的相位和幅度，通过这些调节可以实现波束的合成。波束形成的目的是为了在特定方向上增强或抑制信号，从而实现目标的探测与跟踪。波束形成技术涉及到波束的权值计算、天线阵列的布局设计等方面，需要考虑到波束宽度、主瓣宽度、副瓣水平等指标来优化波束性能。

一方面，波束指向是指将形成的波束指向目标或特定方向，涉及到相位控制器的设计和算法，通过调节每个天线单元的相位，可以实现波束的指向控制。常见的波束指向技术包括机械扫描、电子扫描和混合扫描等方式，每种方式都有其适用的场景和优缺点。另一方面，除了波束形成和波束指向，相控阵雷达的信号处理也是至关重要的环节，信号处理涉及到对接收到的雷达信号进行分析、滤波、目标检测等操作。

2 相控阵雷达信号处理算法

相控阵雷达信号处理算法是指对从多个天线单元接收到的雷达信号进行处理的一系列算法，旨在实现目标探测、跟踪以及抗干扰等功能，在波束形成方面，常见的算法包括线性波束形成和非线性波束形成。线性波束形成是基于波束权值的线性组合实现的，例如传统的泰勒级数展开法和巴特沃斯加窗法。而非线性波束形成则采用非线性优化方法来求解最佳波束权值，例如基于最小均方误差（MSE）准则的优化算法，如LMS（最小均方）和RLS（递归最小二乘）算法。这些算法可以根据雷达系统的性能需求和实际环境选择合适的波束形成方式。

波束指向控制算法用于调节相控阵雷达波束的指向，使其指向目标或感兴趣的方向。常见的波束指向控制方法包括机械扫描、电子扫描和混合扫描。机械扫描是通过机械装置旋转天线阵列实现波束指向变化，速度较慢但稳定可靠；电子扫描则是通过调节相位差实现波束指向变化，速度快但需要较复杂的电路控制；混合扫描则结合了两者的优点，既能快速调整波束指向又能保持稳定性。

3 基于波束形成的相控阵雷达信号处理算法优化策略

3.1 优化波束权值

采用优化算法是优化波束权值的一种有效策略。常见的优化算法包括遗传算法、粒子群算法、模拟退火算法等，相关算法可以针对不同的优化目标（如最大化信噪比、最小化误差等）进行波束权值的优化设计，从而使得波束形成在特定方向上具有更好的性能，考虑到实时性和动态性，在优化波束权值时需要结合实时环境信息和目标特性。例如，可以采用自适应波束形成算法，根据实时信号特征和干扰情况动态调整波束权值，以适应复杂多变的信号环境。

此外，优化波束权值还可以考虑多目标优化的问题，即在保证对目标信号增益最大化的同时，尽抑制各类干扰信号。这需要综合考虑目标信号与干扰信号的频谱特性、功率分布等因素，设计出更具针对性的优化策略。

3.2 非线性波束形成

非线性波束形成可以采用诸如最小均方误差（MSE）准则的优化算法，如最小均方（LMS）算法和递归最小二乘（RLS）算法等。这些算法可以自适应地调整波束权值，使得目标信号的接收增益最大化，同时抑制干扰信号的影响。非线性波束形成还可以结合实时环境信息和目标动态特性进行优化。例如，可以基于自适应滤波器的思想，根据目标运动轨迹和速度预测，调整波束权值，实现对动态目标的跟踪和探测。此外，非线性波束形成还可以考虑多输入多输出（MIMO）系统的优化问题。通过对多个输入信号和多个输出信号进行联合优化，可以进一步提高系统的探测性能和抗干扰性能，适应复杂多变的信号环境。

3.3 波束指向控制策略

波束指向控制策略是相控阵雷达信号处理算法优化中至关重要的环节，涉及到调整相控阵雷达波束的指向，使其准确地对准目标或感兴趣的方向，从而实现更精确的目标探测和跟踪。

首先，自适应波束指向是一种常用的优化策略，该策略基于实时信号处理和目标方向估计，动态地调整波束指向，以适应复杂多变的信号环境。例如，可以结合目标运动信息和干扰特性，实时调整波束指向，使得雷达系统能够更有效地跟踪目标并抑制干扰信号。其次，通过监测环境变化和目标运动情况，及时调整波束指向，保持对目标的持续跟踪和探测。这种策略要求雷达系统具备快速响应能力和智能控制算法，以应对复杂多变的实际场景需求。此外，结合了机械扫描和电子扫描的优点，既能保持稳定可靠的指向控制，又能实现较快的波束指向变化，适用于不同目标距离和速度下的探测和跟踪。

3.4 信号处理算法

快速信号处理算法是一种有效的优化策略。例如，采用快速傅里叶变换（FFT）等快速算法可以加速频谱分析和信号处理过程，提高系统的实时性和响应速度。这对于快速目标跟踪和抗干扰具有重要意义。另外，还可以通过根据实时环境信号特性动态调整滤波器参数，可以实现对不同类型干扰的抑制和目标信号的增强，提高系统的抗干扰能力和信号检测精度。为了提升信号处理效果，通过结合其他传感器（如红外、光学）的信息，实现多传感器融合，可以提高目标识别和跟踪的准确性和鲁棒性，适应复杂多变的环境需求。

3.5 天线阵列优化

针对天线阵列接收到的多通道信号，采用合适的信号处理算法进行优化处理，可以结合空间滤波技术对多通道信号进行合成处理，以提高目标信号的接收增益和抑制干扰信号。考虑到天线阵列的工作环境和应用场景，优化信号处理算法以适应不同的工作条件。例如，针对高动态场景下的信号处理需求，采用自适应滤波器和快速算法来实现实时性和准确性的平衡。此外，结合天线阵列的硬件特性和系统架构，还可以考虑在信号处理过程中引入预处理技术、多通道数据融合等手段，进一步提高系统的性能和灵活性。

结语：本文结合相控阵雷达的基本技术原理，提出了基于波束形成的相控阵雷达信号处理算法的优化策略，通过优化波束权值和采用非线性波束形成技术，实现了目标信号增益最大化和干扰抑制。在波束指向控制上，自适应和动态调整提高了系统的探测精度。同时，快速信号处理和自适应滤波器设计进一步提高了系统的实时性和抗干扰能力，上述优化策略为相控阵雷达系统的性能提升和应用发展奠定了重要基础。

参考文献：

[1] 曹运合,张焕颖,张守宏,等.宽带相控阵雷达数字波束形成及干扰置零方法[J].电子与信息学报, 2007, 29(2):5.DOI:CNKI:SUN:DZYX.0.2007-02-023.

[2] 夏萍萍.小型相控阵雷达数字波束形成和信号处理仿真研究[D].南京理工大学[2024-04-22].DOI:10.7666/d.Y2276683.