CN102082591A - 一种圆阵列天线数字波束形成方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种圆阵列天线数字波束形成方法，采用有多个阵子组成的圆阵中部分相邻阵子构成一个小的圆弧阵，在该圆弧阵中心阵子的法线方向上形成沿圆心向外的主波束，这样以每一个阵子为中心都可以构造一个圆弧阵，形成沿圆心向外的波束，整个圆阵就能形成覆盖360°空间的多个等间距的波束，这样就构成了圆阵列天线数字波束。本发明可克服现有技术所存在的问题，解决平面阵列天线不能同时覆盖360°、天线波束宽度随扫描角增加而增加和天线增益和测角精度随扫描角增加而降低的问题。

Description

一种圆阵列天线数字波束形成方法 

技术领域

本发明涉及数字信号处理方法及其电路，尤其涉及一种圆阵列天线数字波束形成方法。 

背景技术

目前相控阵天线基本上还是平面阵列天线，平面阵列天线存在一些缺点，波束覆盖范围窄，局限在120°以内，天线波束宽度随扫描角增加而增加，相应地天线增益和测角精度随扫描角增加而降低。天线单元之间的互耦效应是扫描角的函数，天线单元驻波随扫描角增大而变化，难以实现宽角扫描匹配，天线副瓣电平也往往随扫描角增大而提高。 

因此，有必要设计一种能够克服上述缺点的圆阵列天线数字波束形成方法，以满足工业应用需要。 

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：本发明提供一种圆阵列天线数字波束形成方法，目的在于克服现有技术所存在的问题，解决平面阵列天线不能同时覆盖360、天线波束宽度随扫描角增加而增加和天线增益和测角精度随扫描角增加而降低的问题。 

本发明所采用的技术方案是：一种圆阵列天线数字波束形成方法，其特征在于，包括：(1)圆阵列天线；(2)接收处理，圆阵列天线接收到的射频信号经过多次变频后，输出中频信号；(3)A/D变换，对接收处理后的中频信号进行模数变换和数字正交鉴相，得到复数数字信号：x_nT(i)＝S(i)·f(nT)其中x_nT(i)为模数变换后的数字信号，x_nT(i)为圆阵列接收到的模拟信号，x_nT(i)为采样信号，T为采样周期；(4)数字正交下变频：X_nT(i)＝fclk(i)·x_nT(i)其中x_nT(i)为模数变换后的数字信号，fclk(i)为直接数字频率合成器输出的正交相干信号；(5)抽取，降低数据率；(6)幅度、相位的校正，校正通道之间特性的不一致；(7) 复数乘法，数字正交下变频并经过抽取的后的数字正交基带信号进行乘法加权处理：r_nT(i)＝C·W^k(i)·x_nT(i)  其中为r_nT(i)复数乘法结果，W^k(i)为复数乘法系数，x_nT为第n点复数数字信号，C为校正系数；(8)复数累加，完成复数数字信号的复数乘法后，对M个复数乘法结果进行求和： 

其中R^k _nT(i)为第K波束，M个单第n个采样信号加权结果之和；采用有多个阵子组成的圆阵中部分相邻阵子构成一个小的圆弧阵，在该圆弧阵中心阵子的法线方向上形成沿圆心向外的主波束，这样以每一个阵子为中心都可以构造一个圆弧阵，形成沿圆心向外的波束，整个圆阵就能形成覆盖360°空间的M个等间距的波束，这样就构成了圆阵列天线数字波束。 

如上所述的圆阵列天线数字波束形成方法，其特征在于，波束即阵元方向增益因子可用g(θ)来表示： 

$g\left(\mathrm{\θ}\right)=\left\{\begin{array}{cc}\cos \left(\mathrm{\θ}\right)& \left|\mathrm{\θ}\right|\≤\frac{\mathrm{\π}}{2}\\ 0& \left|\mathrm{\θ}\right|>\frac{\mathrm{\π}}{2}\end{array}\right.,$

其中，θ表示信号来波与阵元法向之间的角度。 

如上所述的圆阵列天线数字波束形成方法，其特征在于，数字波束形成子阵阵元个数为N，定义N_H＝(N-1)/2，阵元角度间隔θ_d＝2π/M；将所有阵元编号为-N_H，L，2，-1，0，1，2，L，N_H，第0号阵元为中心阵元，取其法线方向为方位角θ＝0°，则第i号阵元方位位置为iθ_d；对于θ方向来的回波，第i号阵元收到的复信号为： 

$g(\mathrm{\θ}-i{\mathrm{\θ}}_d)\exp (-j\frac{2\mathrm{\πR}}{\mathrm{\λ}}\cos (\mathrm{\θ}-i{\mathrm{\θ}}_d)),$

N个阵元收到的复信号构成的导向矢量为： 

$\stackrel{V}{a}\left(\mathrm{\θ}\right)=\left[\begin{array}{c}g(\mathrm{\θ}-(-N_H){\mathrm{\θ}}_d)\exp (-j\frac{2\mathrm{\πR}}{\mathrm{\λ}}\cos (\mathrm{\θ}-(-N_H){\mathrm{\θ}}_d))\\ M\\ g(\mathrm{\θ}-i{\mathrm{\θ}}_d)\exp (-j\frac{2\mathrm{\πR}}{\mathrm{\λ}}\cos (\mathrm{\θ}-i{\mathrm{\θ}}_d))\\ M\\ g(\mathrm{\θ}-N_H{\mathrm{\θ}}_d)\exp (-j\frac{2\mathrm{\πR}}{\mathrm{\λ}}\cos (\mathrm{\θ}-N_H{\mathrm{\θ}}_d))\end{array}\right],$

为了使波束主瓣指向沿圆心向外，即θ＝0°，则取加权因子： 

$\stackrel{V}{w}=\left[\begin{array}{c}\exp (-j\frac{2\mathrm{\πR}}{\mathrm{\λ}}\cos \left(N_H{\mathrm{\θ}}_d\right))\\ M\\ \exp (-j\frac{2\mathrm{\πR}}{\mathrm{\λ}}\cos (-i{\mathrm{\θ}}_d))\\ M\\ \exp (-j\frac{2\mathrm{\πR}}{\mathrm{\λ}}\cos (-N_H{\mathrm{\θ}}_d))\end{array}\right],$

则合成波束即静态天线方向图为： 

$F\left(\mathrm{\θ}\right)=\left|{\stackrel{V}{w}}^H\stackrel{V}{a}\left(\mathrm{\θ}\right)\right|=\left|\underset{i-N_H}{\overset{i=N_H}{\mathrm{\Σ}}}g(\mathrm{\θ}-i{\mathrm{\θ}}_d)\exp \left(j\frac{2\mathrm{\πR}}{\mathrm{\λ}}(\cos \left(i{\mathrm{\θ}}_d\right)-\cos (\mathrm{\θ}-i{\mathrm{\θ}}_d))\right)\right|.$

本发明的有益效果是：本发明可克服现有技术所存在的问题，解决平面阵列天线不能同时覆盖360°、天线波束宽度随扫描角增加而增加和天线增益和测角精度随扫描角增加而降低的问题。 

附图说明

图1是本发明的圆阵列天线数字波束形成方法的原理框图。 

图2是本发明的圆阵列天线数字波束形成方法的电路结构框图。 

图3是本发明方法的波束形成原理图。 

图4是本发明方法的接收通道电路结构框图。 

图5是本发明方法的A/D变换电路电路图。 

图6是本发明方法的数字正交电路电路图。 

图7是本发明方法的波束形成电路结构图。 

图8是本发明方法的波束形成电路加权累加电路图。 

图9是本发明方法的16阵元圆阵列天线示意图。 

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。 

本发明实施例提供的一种圆阵列天线数字波束形成方法，包括： 

(1)圆阵列天线； 

(2)接收处理，圆阵列天线接收到的射频信号经过多次变频后，输出中频信号； 

(3)A/D变换，对接收处理后的中频信号进行模数变换得到数字信号： 

x_nT(i)＝S(i)·f(nT)， 

其中x_nT(i)为模数变换后的数字信号，x_nT(i)为圆阵列接收到的模拟信号，x_nT(i)为采样信号，T为采样周期； 

(4)数字正交下变频，将A/D变换后的数字信号变为复数基带信号； 

X_nT(i)＝fclk(i)·x_nT(i)， 

其中x_nT(i)为A/D变换后后的数字信号，fclk(i)为直接数字频率合成器输出的正交相干信号； 

(5)抽取，降低数据率； 

(6)幅度、相位的校正，校正通道之间特性的不一致； 

(7)复数乘法，数字正交下变频并经过抽取的后的数字正交基带信号进行乘法加权处理； 

r_nT(i)＝C·W^k(i)·x_nT(i)， 

其中为r_nT(i)复数乘法结果，W^k(i)为复数乘法系数，x_nT为第n点复数数字信号，C为校正系数； 

(8)复数累加，完成复数数字信号的复数乘法后，对M个复数乘法结果进行求和： 

${R^k}_{\mathrm{nT}}\left(i\right)=\underset{i=0}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{r}_{\mathrm{nT}}\left(i\right)\·,$

其中R^k _nT(i)为第K波束，M个单第n个采样信号加权结果之和；采用有多个阵子组成的圆阵中部分相邻阵子构成一个小的圆弧阵，在该圆弧阵中心阵子的法线方向上形成沿圆心向外的主波束，这样以每一个阵子为中心都可以构造一个圆弧阵，形成沿圆心向外的波束，整个圆阵就能形成覆盖360°空间的M个等间距的波束，这样就构成了圆阵列天线数字波束。 

波束即阵元方向增益因子可用g(θ)来表示： 

$g\left(\mathrm{\θ}\right)=\left\{\begin{array}{cc}\cos \left(\mathrm{\θ}\right)& \left|\mathrm{\θ}\right|\≤\frac{\mathrm{\π}}{2}\\ 0& \left|\mathrm{\θ}\right|>\frac{\mathrm{\π}}{2}\end{array}\right.$

其中，θ表示信号来波与阵元法向之间的角度。 

数字波束形成子阵阵元个数为N，定义N_H＝(N-1)/2，阵元角度间隔θ_d＝2π/M；将所有阵元编号为-N_H，L，2，-1，0，1，2，L，N_H，第0号阵元为中心阵元，取其法线方向为方位角θ＝0°，则第i号阵元方位位置为iθ_d；对于θ方向来的回波，第i号阵元收到的复信号为： 

$g(\mathrm{\θ}-i{\mathrm{\θ}}_d)\exp (-j\frac{2\mathrm{\πR}}{\mathrm{\λ}}\cos (\mathrm{\θ}-i{\mathrm{\θ}}_d)),$

N个阵元收到的复信号构成的导向矢量为： 

$\stackrel{V}{a}\left(\mathrm{\θ}\right)=\left[\begin{array}{c}g(\mathrm{\θ}-(-N_H){\mathrm{\θ}}_d)\exp (-j\frac{2\mathrm{\πR}}{\mathrm{\λ}}\cos (\mathrm{\θ}-(-N_H){\mathrm{\θ}}_d))\\ M\\ g(\mathrm{\θ}-i{\mathrm{\θ}}_d)\exp (-j\frac{2\mathrm{\πR}}{\mathrm{\λ}}\cos (\mathrm{\θ}-i{\mathrm{\θ}}_d))\\ M\\ g(\mathrm{\θ}-N_H{\mathrm{\θ}}_d)\exp (-j\frac{2\mathrm{\πR}}{\mathrm{\λ}}\cos (\mathrm{\θ}-N_H{\mathrm{\θ}}_d))\end{array}\right],$

为了使波束主瓣指向沿圆心向外，即θ＝0°，则取加权因子： 

$\stackrel{V}{w}=\left[\begin{array}{c}\exp (-j\frac{2\mathrm{\πR}}{\mathrm{\λ}}\cos \left(N_H{\mathrm{\θ}}_d\right))\\ M\\ \exp (-j\frac{2\mathrm{\πR}}{\mathrm{\λ}}\cos (-i{\mathrm{\θ}}_d))\\ M\\ \exp (-j\frac{2\mathrm{\πR}}{\mathrm{\λ}}\cos (-N_H{\mathrm{\θ}}_d))\end{array}\right],$

则合成波束即静态天线方向图为： 

$F\left(\mathrm{\θ}\right)=\left|{\stackrel{V}{w}}^H\stackrel{V}{a}\left(\mathrm{\θ}\right)\right|=\left|\underset{i-N_H}{\overset{i=N_H}{\mathrm{\Σ}}}g(\mathrm{\θ}-i{\mathrm{\θ}}_d)\exp \left(j\frac{2\mathrm{\πR}}{\mathrm{\λ}}(\cos \left(i{\mathrm{\θ}}_d\right)-\cos (\mathrm{\θ}-i{\mathrm{\θ}}_d))\right)\right|.$

如图1及图2所示，N路接收圆阵列，形成K个接收波束。圆阵列天线接收到的N路回波信号，N路回波信号经过N路数字信号同时被已设定好的K组加权系数进行加权求和，输出的K路数字信号既为K个接收波束信号。 

处于校正模式时，校正波形产生器产生校正波形通过耦合器耦合进接收通道，经过接收通道下变频、放大后输出N路中频模拟信号，N路中频模拟信号经过A/D变换、数字正交下变频、抽取后成为N路数字信号，数据进入幅度、相位校正和多波束形成电路计算出幅度、相位校正值，幅度、相位校正和多波束形成电路根据幅度、相位校正值修正加权系数。 

如图3及图4所示，通过预选、放大、混频、滤波和解调等方法，使目标反射回的微弱射频回波信号变成有足够幅度的视频回波信号。 

如图5所示，将接收通道输出的视频回波信号变成二进制数字信号。 

用数字的方式进行正交鉴相，同时提取出信号的幅度和相位信息；数字正交下变频电路包括直接数字频率合成器、数字混频器、低通滤波器、抽取等电路。原始模拟中频信号经A/D转换器带通采样后得到数字中频信号，输入数字正交电路后先与直接数字频率合成器产生的两路正交本振信号相乘(数字混频)，将数字中频信号变成数字基带信号。数字基带信号通过低通滤波器进行整形滤波，经过高低通滤波器后数字基带信号进入抽取电路降低数据速率，得到数字正交下变频后的信号。 

如图6所示，数字正交下变频电路工作时，每一个时钟脉冲fclk，加法器2将频率控制数据与累加寄存器输出的累加相位数据相加，把加法器2运算的结果送至累加寄存器的输入端。累加寄存器一方面将在上一时钟周期作用后所产生的 新的相位数据反馈到加法器1的输入端，以使加法器在下一时钟的作用下继续与频率控制数据X相加；另一方面将这个值作为取样地址值送入波形存储器，波形存储器根据这个地址输出相应的波形数据I(n)、Q(n)。波形数据I(n)、Q(n)送入低通滤波器，经过低通滤波后波形数据I(n)、Q(n)被送入抽取器中，抽取器将系统fclk Hz时钟经Q分频变成fclk/Q Hz.再利用分频后时钟控制D触发器.将经混频后速率为fclkHz，两路I、Q正交信号分别作为这D触发器的输入信号，即可完成Q倍抽取。经抽取器抽取后，输出速率为fclk/QHz的数字正交基带信号。 

如图7所示，电路主要由FPGA和DSP构成，FPGA由双口RAM存储器电路、数据整理电路、复数乘法累加电路、地址和控制信号产生电路以等几个电路实现。多路数字正交下变频后I，Q信号进入FPGA器件后首先进入双口RAM暂存，工作在接收校正模式时数据整理电路将多路数字正交下变频后I，Q信号发送到DSP器件计算接收校正系数，计算出校正系数后DSP根据校正系数修正加权系数，DSP完成加权系数修正后将修正后的加权系数送入复数乘法累加电路；工作在正常模式，FPGA会自己产生地址和控制信号，将此双口RAM中的数据读出，并送入复数乘法累加电路，复数乘法累加运算将数字正交下变频后I，Q信号与加权系数进行乘法运算，并将M路乘法运算结果求和输出。 

DSP程序上电初始化以后就等待同步中断，进入同步中断服务子程序里取工作模式控制字并对各种寄存器和标志位进行相应赋值。在同步中断到来后判断当前的工作模式，如果当前工作在接收校正模式则开始从FPGA中的RAM取数，取数完成后进行接收校正的相应运算，在运算完成后将加权系数以DMA方式输出给FPGA中的存储器；如果当前不是校正模式，则根据频率点和工作模式代码开始实时计算波束形成系数并将此系数通过DMA传输方式输出给FPGA参与乘法累加的运算。 

Claims (3)

1.一种圆阵列天线数字波束形成方法，其特征在于，包括：

(1)圆阵列天线；

(2)接收处理，圆阵列天线接收到的射频信号经过多次变频后，输出中频信号；

(3)A/D变换，对接收处理后的中频信号进行模数变换和数字正交鉴相，得到复数数字信号：

x_nT(i)＝S(i)·f(nT)，

其中x_nT(i)为A/D变换后的数字信号，x_nT(i)为圆阵列接收到的模拟信号，x_nT(i)为采样信号，T为采样周期；

(4)数字正交下变频，将A/D变换后的数字信号变为复数基带信号；

X_nT(i)＝fclk(i)·x_nT(i)，

其中x_nT(i)为A/D变换后的数字信号，fclk(i)为直接数字频率合成器输出的正交相干信号；

(5)抽取，降低数据率；

(6)幅度、相位的校正，校正通道之间特性的不一致；

(7)复数乘法，数字正交下变频并经过抽取的后的数字正交基带信号进行乘法加权处理；

r_nT(i)＝C·W^k(i)·x_nT(i)，

其中为r_nT(i)复数乘法结果，W^k(i)为复数乘法系数，x_nT为第n点复数数字信号，C为校正系数；

(8)复数累加，完成复数数字信号的复数乘法后，对M个复数乘法结果进行求和：

${R^k}_{\mathrm{nT}}\left(i\right)=\underset{i=0}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{r}_{\mathrm{nT}}\left(i\right)\·,$

其中R^k _nT(i)为第K波束，M个单第n个采样信号加权结果之和；

采用有多个阵子组成的圆阵中部分相邻阵子构成一个小的圆弧阵，在该圆弧阵中心阵子的法线方向上形成沿圆心向外的主波束，这样以每一个阵子为中心都可以构造一个圆弧阵，形成沿圆心向外的波束，整个圆阵就能形成覆盖360°空间的M个等间距的波束，这样就构成了圆阵列天线数字波束。

2.根据权利要求1所述的圆阵列天线数字波束形成方法，其特征在于，波束即阵元方向增益因子可用g(θ)来表示：

$g\left(\mathrm{\θ}\right)=\left\{\begin{array}{cc}\cos \left(\mathrm{\θ}\right)& \left|\mathrm{\θ}\right|\≤\frac{\mathrm{\π}}{2}\\ 0& \left|\mathrm{\θ}\right|>\frac{\mathrm{\π}}{2}\end{array}\right.$

其中，θ表示信号来波与阵元法向之间的角度。

3.根据权利要求1所述的圆阵列天线数字波束形成方法，其特征在于，数字波束形成子阵阵元个数为N，定义N_H＝(N-1)/2，阵元角度间隔θ_d＝2π/M；将所有阵元编号为-N_H，L，2，-1，0，1，2，L，N_H，第0号阵元为中心阵元，取其法线方向为方位角θ＝0°，则第i号阵元方位位置为iθ_d；对于θ方向来的回波，第i号阵元收到的复信号为：

$g(\mathrm{\θ}-i{\mathrm{\θ}}_d)\exp (-j\frac{2\mathrm{\πR}}{\mathrm{\λ}}\cos (\mathrm{\θ}-i{\mathrm{\θ}}_d)),$

N个阵元收到的复信号构成的导向矢量为：

$\stackrel{V}{a}\left(\mathrm{\θ}\right)=\left[\begin{array}{c}g(\mathrm{\θ}-(-N_H){\mathrm{\θ}}_d)\exp (-j\frac{2\mathrm{\πR}}{\mathrm{\λ}}\cos (\mathrm{\θ}-(-N_H){\mathrm{\θ}}_d))\\ M\\ g(\mathrm{\θ}-i{\mathrm{\θ}}_d)\exp (-j\frac{2\mathrm{\πR}}{\mathrm{\λ}}\cos (\mathrm{\θ}-i{\mathrm{\θ}}_d))\\ M\\ g(\mathrm{\θ}-N_H{\mathrm{\θ}}_d)\exp (-j\frac{2\mathrm{\πR}}{\mathrm{\λ}}\cos (\mathrm{\θ}-N_H{\mathrm{\θ}}_d))\end{array}\right],$

为了使波束主瓣指向沿圆心向外，即θ＝0°，则取加权因子：

$\stackrel{V}{w}=\left[\begin{array}{c}\exp (-j\frac{2\mathrm{\πR}}{\mathrm{\λ}}\cos \left(N_H{\mathrm{\θ}}_d\right))\\ M\\ \exp (-j\frac{2\mathrm{\πR}}{\mathrm{\λ}}\cos (-i{\mathrm{\θ}}_d))\\ M\\ \exp (-j\frac{2\mathrm{\πR}}{\mathrm{\λ}}\cos (-N_H{\mathrm{\θ}}_d))\end{array}\right],$

则合成波束即静态天线方向图为：

$F\left(\mathrm{\θ}\right)=\left|{\stackrel{V}{w}}^H\stackrel{V}{a}\left(\mathrm{\θ}\right)\right|=\left|\underset{i=-N_H}{\overset{i=N_H}{\mathrm{\Σ}}}g(\mathrm{\θ}-i{\mathrm{\θ}}_d)\exp \left(j\frac{2\mathrm{\πR}}{\mathrm{\λ}}(\cos \left(i{\mathrm{\θ}}_d\right)-\cos (\mathrm{\θ}-i{\mathrm{\θ}}_d))\right)\right|.$

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