CN101237268A - 一种引信天线波束形成系统及其实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种新型引信天线波束形成系统，属于引信天线领域。该系统包括：天线阵、多路模数转换器、自适应数字信号处理子系统、波束形成网络。所述的自适应数字信号处理子系统包括：同步动态RAM、多通道缓冲串口、外部存储器接口、软件调试环境、硬件仿真器、硬件仿真接口、数字信号处理器。系统采用了阵列天线波束形成与零点技术，系统最佳权值向量在波束形成网络对各路模数转换器信号进行加权运算，得到引信天线波束形成的最优方向图。该发明在军事上有重要的应用价值，系统不仅能够对引信天线的主瓣角度实现可控，而且能够在干扰方向快速形成较深零陷，有效阻止了干扰信号从天线副瓣进入引信接收机。

Description

一种引信天线波束形成系统及其实现方法

技术领域

本发明涉及一种引信天线系统，特别地涉及一种基于自适应数字信号处理的引信天线波束形成系统以及自适应数字波束形成系统的实现方法。

背景技术

现代战争对引信提出了越来越严峻的挑战，其中最重要的挑战是各种机动目标、各种交会条件下引战配合效率和复杂电磁环境下的抗干扰能力。

由于引信所要对付的目标的种类很多，导弹与目标的交会条件变化范围也很宽，如果引信天线的波束倾角不变，即以固定倾角天线对全部交会条件都有最佳的引战配合效率是不可能的。美国的“爱国者”改进型PAC-2导弹引信天线，采用了双波束，可以适应不同相对速度的情况，但是，要达到最佳引战配合，就必须按不同的交会参数实现对引信天线波束的自适应控制。

随着电子对抗技术的发展，对无线电引信抗干扰性的要求也越来越高。意大利的“阿斯派德”引信采用了天线副瓣抑制技术、视频对消技术实现抗干扰。引信天线主瓣宽度一般较窄，干扰信号主要是从天线副瓣进入引信接收机，因此，引信天线波束的副瓣零点对准干扰源方向是一种有效的抗干扰措施。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有技术的不足，而提出一种基于自适应数字信号处理的新型引信天线波束形成系统，该系统能够按不同的交会参数实现对引信天线主波束的自适应控制，而且，主波束倾角的偏差很小。引信天线波束的副瓣零点能对准干扰信号的方向，零陷宽度相对较宽，从而抑制了干扰信号从天线副瓣进入引信接收机。

本发明的技术方案

一.本发明包括天线阵、多路模数转换器、自适应数字信号处理子系统、波束形成网络。所述的自适应数字信号处理子系统包括：同步动态RAM、多通道缓冲串口、外部存储器接口、软件调试环境、硬件仿真器、硬件仿真接口、数字信号处理器。所述的多路模数转换器(A/D)的输出端口和数字信号处理器的多通道缓冲串口(McBSPs)相连；同步动态RAM(SDRAM)通过外部存储器接口(EMIF)和数字信号处理器相连；自适应数字信号处理器通过硬件仿真接口(JTAG)和硬件仿真器(XDS510)相连；硬件仿真器的输出端口和软件调试机的USB口相连。系统采用了阵列天线波束形成与零点技术，最佳权值向量在波束形成网络对各路输入信号进行加权运算，得到引信天线波束形成的最优方向图。

二.引信天线波束形成的实现方法包括下列步骤：

1.通过天线阵接收信号；

2.求解天线阵接收输入信号的协方差矩阵；

3.根据波束形成的最佳权值求解公式得到最佳权值向量；

$\left\{\begin{array}{c}\min W^T{\mathrm{RW}}^{*}\\ W^T{A}_s=1\end{array}\right.$

其中：W为权重向量；

R为采样信号的协方差矩阵；

$A_S={\left[\begin{array}{ccccc}1& e^{-j{K}_{f0}}& e^{-j2K_{f0}}& \·\·\·& e^{-j(M-1)K_{f0}}\end{array}\right]}^T;$

$K_{f0}=\frac{\mathrm{\ωd}}{c}\sin \left({\mathrm{\θ}}_{f0}\right),$ ω为信号的频率，d为阵元间距，c为自由空间中的光速；θ_f0为主波束倾角。

利用拉格朗日法对上式求解即可得最佳波束形成的表达式：

$W_{\mathrm{opt}}={\left(R^{*}\right)}^{-1}{A}_s^{*}{\left[\begin{array}{cc}{A}_s^T{\left(R^{*}\right)}^{-1}& A_s^{*}\end{array}\right]}^{-1}{r}^T$

对上式求解即可实现最佳波束形成。

利用上述引信天线波束形成方法，可以实现主波束倾角的连续可控，可控范围为：对付飞机目标为50°～60°，对付导弹目标倾角为30°～40°。

本发明系统中自适应数字波束形成器部分和自适应加权网络部分为本发明的主要部分，详细说明如下：

1、主波束倾角的连续可控

本发明中对主波束倾角的控制与无线通信上有着截然的不同，通信上对阵列天线主波束倾角的控制是不断跟踪期望移动用户的信号，而本发明中对主波束倾角的控制是根据引信所要对付目标的种类，把主波束倾角控制在适当的角度范围，对付飞机目标(倾角约50°～60°)，对付导弹目标(倾角约30°～40°)。然后，在弹目交会过程中，引信天线主波束倾角保持不变。

2、对引信副瓣零陷的自适应控制

由于在弹目交会过程中，干扰信号方向连续变化，这就要求引信天线系统具有快速地估计干扰信号入射方向，并在干扰方向快速形成多个较深零陷的能力。本发明是从输入信号的协方差矩阵中提取干扰源的个数及方向信息，再利用波束形成的优化准则，自动调整波束形成的权矢量，使波束形成方向图中的零陷对准干扰源的方向。

3、基于最大信噪比准则的自适应波束形成算法

根据引信天线波束形成的特点，即在主波束倾角和副瓣电平约束条件下，给出最优的激励加权值。本发明采用最大信噪比准则来实现引信天线波束形成。

本发明的有益效果是：在引信天线自适应波束形成中，采用了最大信噪比准则来进行引信天线的波束形成。这决定了天线阵暂态响应的速率和实现电路的复杂度，它是引信天线阵列处理的核心部分。

附图说明

图1是引信天线波束形成系统原理图；

图2是自适应数字信号处理系统原理图；

图3是波束形成方法流程图；

图4是主波束倾角在55°，干扰源为1个，角度在40°时所得到的波束形成方向图；

图5是主波束倾角在55°，干扰源为2个，角度分别在40°和0°时所得到的波束形成方向图；

图6是主波束倾角在55°，干扰源为3个，其角度分别在40°、0°和-40°时所得到的波束形成方向图。

具体实施方式

实施例

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

本发明包括天线阵、多路模数转换器、自适应数字信号处理子系统、波束形成网络见图1。所述的自适应数字信号处理子系统包括：同步动态RAM、多通道缓冲串口、外部存储器接口、软件调试环境、硬件仿真器、硬件仿真接口、数字信号处理器。所述的多路模数转换器(A/D)的输出端口和数字信号处理器的多通道缓冲串口(McBSPs)相连；同步动态RAM(SDRAM)通过外部存储器接口(EMIF)和数字信号处理器相连；自适应数字信号处理器通过硬件仿真接口(JTAG)和硬件仿真器(XDS510)相连；硬件仿真器的输出端口和软件调试机的USB口相连。系统采用了阵列天线波束形成与零点技术，最佳权值向量在波束形成网络对各路输入信号进行加权运算，得到引信天线波束形成的最优方向图。

本发明实施例中的数字信号处理器型号为TMS320C6416。

本发明实施例中所采用的天线阵元是间距为λ/2的等间距直线阵(ULA)。

本实施例的自适应数字信号处理器子系统的硬件框图见图2。数字信号处理器的核心元件采用的是美国TI公司的TMS320C6416 TEB(Test and Evaluation Board)，其核心器件是型号为TMS320C6416的数字信号处理器(DSP)，其主时钟频率可以达到500MHz，指令周期可达2ns；每时钟周期执行8条指令(32bit数据)；处理速度可达400MIPS。

本发明实施例中的TMS320C6416处理器由三个主要部分组成：CPU、内核存储器、相应的外部设备。其中CPU内核包括：程序取指单元、指令分配单元、指令译码单元、32个32位寄存器、两个数据通路、每个数据通路由4个功能单元、控制寄存器、控制逻辑、测试、仿真和中断逻辑。存储器包括：内部存储器；外部存储器。DSP访问外部存储器需要通过外部存储器接口(External Memory Interface，EMIF)。本发明所用的TMS320C6416 TEB，片内采用2级存储结构，第1级存储器包括相互独立的程序cache(L1P)和数据cache(L1D)，只能作为高速缓存被CPU访问。第2级存储器(L2)作为2级cache是一个统一的程序/数据空间，可以整体作为SRAM映射到存储空间，也可以整体作为第2级cache，在本发明实施例中，片内的RAM容量不能满足系统的程序/数据空间要求，所以在片外利用外存储器接口(EMIF)进行了存储器扩展。系统中的多路模数转换器是通过多通道缓冲串口McBSP(Multi-channel Buffered Serial Port)完成标准串口的全双工串行通信的。TMS320C6416 TEB集成了两个32比特的通用定时器；C6416CPU内核的电压为1.2伏，I/O的电压为3.3伏。

本发明实施例中实现方法包括下列步骤如图3所示：

(1)通过天线阵接收信号；(2)求解天线阵接收输入信号的协方差矩阵；(3)根据波束形成的最佳权值求解公式得到最佳权值向量；

$\left\{\begin{array}{c}\min W^T{\mathrm{RW}}^{*}\\ W^T{A}_s=1\end{array}\right.$

其中：W为权重向量；

R为采样信号的协方差矩阵；

$A_S={\left[\begin{array}{ccccc}1& e^{-j{K}_{f0}}& e^{-j2K_{f0}}& \·\·\·& e^{-j(M-1)K_{f0}}\end{array}\right]}^T;$

$K_{f0}=\frac{\mathrm{\ωd}}{c}\sin \left({\mathrm{\θ}}_{f0}\right),$ ω为信号的频率，d为阵元间距，c为自由空间中的光速；θ_f0为主波束倾角。

利用拉格朗日法对上式求解即可得最佳波束形成的表达式：

$W_{\mathrm{opt}}={\left(R^{*}\right)}^{-1}{A}_s^{*}{\left[\begin{array}{cc}{A}_s^T{\left(R^{*}\right)}^{-1}& A_s^{*}\end{array}\right]}^{-1}{r}^T$

对上式求解即可实现最佳波束形成；

以数字信号处理器和自适应算法为核心的自适应数字信号处理器，用来产生自适应的最优权值系数W₁，W₂，…，W_M。通过这些最佳权矢量对各路的输入信号进行加权。得到引信天线波束形成的最优方向图。

波束形成系统采用8阵元均匀线阵，阵列间距为半波长，快拍数为200，信噪比为20dB，主波束倾角在55°，干扰源为1个，其角度在40°时所得到的波束形成方向图如图4所示。其它条件不变，干扰源为2个，其角度分别在40°和0°时所得到的波束形成方向图如图5所示。其它条件不变，干扰源为3个，其角度分别在40°、0°和-40°时所得到的波束形成方向图如图6所示。

对本领域一般技术人员而言，在不背离本发明精神的前提下对它所做的任何显而易见的改动，都视为对本发明专利的侵权。

Claims (3)

1、一种引信天线波束形成系统及其实现方法，包括天线阵、多路模数转换器、自适应数字信号处理子系统，波束形成网络；所述的自适应数字信号处理子系统包括：同步动态RAM、多通道缓冲串口、外部存储器接口、软件调试环境、硬件仿真器、硬件仿真接口、数字信号处理器，其特征在于：所述的多路模数转换器(A/D)的输出端口和数字信号处理器的多通道缓冲串口(McBSPs)相连；同步动态RAM(SDRAM)通过外部存储器接口(EMIF)和数字信号处理器相连；自适应数字信号处理器通过硬件仿真接口(JTAG)和硬件仿真器(XDS510)相连；硬件仿真器的输出端口和软件调试机的USB口相连；系统采用了阵列天线波束形成与零点技术，最佳权值向量在波束形成网络对各路输入信号进行加权运算，得到引信天线波束形成的最优方向图。

2、如权利要求1所述的一种引信天线波束形成系统及其实现方法，其特征在于引信天线波束形成的实现方法包括下列步骤：

i通过天线阵接收信号；

ii求解天线阵接收输入信号的协方差矩阵；

iii根据波束形成的最佳权值求解公式得到最佳权值向量；

$\left\{\begin{array}{c}\min W^T{\mathrm{RW}}^{*}\\ W^T{A}_s=1\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中：W为权重向量；

R为采样信号的协方差矩阵；

$A_S={\left[\begin{array}{ccccc}1& e^{-j{K}_{f0}}& e^{-j2K_{f0}}& \·\·\·& e^{-j(M-1)K_{f0}}\end{array}\right]}^T;$

$K_{f0}=\frac{\mathrm{\ωd}}{c}\sin \left({\mathrm{\θ}}_{f0}\right),$ ω为信号的频率，d为阵元间距，c为自由空间中的光速；θ_f0为主波束倾角(主波束与导弹弹轴之间的夹角)，由弹目交会条件决定。

利用拉格朗日法对上式求解即可得最佳波束形成的表达式：

$W_{\mathrm{opt}}={\left(R^{*}\right)}^{-1}{A}_s^{*}{\left[\begin{array}{cc}{A}_s^T{\left(R^{*}\right)}^{-1}& A_s^{*}\end{array}\right]}^{-1}{r}^T---\left(2\right)$

对(2)式求解即可实现最佳波束形成。

3、权利要求2所述的引信天线波束形成系统的实现方法，其特征在于：实现了主波束倾角的连续可控，可控范围为：对付飞机目标为50°～60°，对付导弹目标倾角为30°～40°。

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