CN103558594B - 基于机载设备的相控阵波束合成方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及相控阵天线技术领域，本发明公开了一种基于机载设备的相控阵波束合成方法，其具体包括以下的步骤：将相控阵天线阵列单元分为左、右天线阵列单元；将左、右天线阵列单元同相馈电，左、右天线阵列单元形成的方向图函数相加得到和波束；将左、右天线阵列单元反相馈电，左、右天线阵列单元形成的方向图函数相减得到差波束。本发明实现了相控阵波束合成方法在机载设备中的应用。使得容易产生和、差波束，并可进行波束扫描。相控阵天线的应用使扫描更灵活，抗干扰能力强，可靠性高，同时通过旁瓣抑制技术，提高系统的抗干扰能力。

Description

基于机载设备的相控阵波束合成方法

技术领域

本发明涉及相控阵天线技术领域，尤其涉及一种基于机载设备的相控阵波束合成方法。

背景技术

二次雷达（SecondarySurveillanceRadar,SRR）在航空交通管制、敌我识别等方面得到了广泛的应用，二次雷达是一种通过发射信号并接收应答信号以获得合作目标信息的电子设备。传统二次雷达通常采用机械扫描的工作方式。

传统的二次雷达天线采用固定波束或机械扫描的方式，机械扫描速度慢，很难保证跟踪性能，其相应的机械惯量大，耐冲击、震动性能差。相控阵雷达天线和机械扫描雷达天线不同，通过改变雷达阵列中各天线单元的信号相位关系来改变波束指向，实现波束扫描。采用相控阵天线体质的二次雷达，天线的波束控制具有很大的灵活性，波束在空间的扫描几乎是无惯性的。这种特性克服了机械扫描天线波束指向转换的惯性以及由此给雷达性能带来的限制，可以更加快速准确的完成对目标的测量定位。

波束形成技术是阵列信号处理领域中的关键技术，其实质是通过对接收或发射信号的加权，达到方向图主瓣对准期望，零陷对准干扰的效果，从而提高系统性能。现有技术中的波束合成方法使得测角精度不高，测角技术应用关键是产生满足要求的和差波束，所以要取得高的测角精度就得提高合成波束的性能。例如相位量化误差的存在使相控阵天线各天线单元的实际馈电相位和理论值出现偏差，造成天线波束指向精度降低；同时相位量化使主瓣的波束展宽，增益降低，损失的能量分散到旁瓣中去又造成旁瓣电平增加，使相控阵的指向精度进一步下降。

在二次雷达的各项技术性能指标中,测角精度是一个较为关键的性能指标，它不仅影响二次雷达自身的使用,而且直接关系到和一次雷达进行数据关联的准确性，进而影响一、二次雷达的数据融合及整个系统的性能。

雷达的应用是通过波束来实现的，它也是理解相控阵技术的关键。波束，实际上是一种比较形象的说法。天线发射或接收信号时所形成的诸如“笔形波束”、“扇形波束”等等并不是在空间中真实地存在，事实上是在不同的方向随着信号放大倍数的不同（倍数大时，我们称其为增益），形成了一个信号增益与方向的关系曲线。而相控阵技术就是一种通过控制阵列天线各个单元的相位和幅度以便形成在空间满足一定分布特性的波束，并且能够改变其扫描指向的技术。相控阵技术通过计算机控制波束的形成和扫描，达到单元相位的改变，从而使波束的指向、形状和个数等很快地改变，实现了传统天线并不具备的优势。

精确确定目标位置是许多雷达系统的一项重要功能。在二次雷达中，目标位置信息十分重要。基于和差波束形成技术的测向方法采用了不同的测角原理，具有更高的测角精度，因而在航空领域中具有相当广泛的应用。和差波束形成技术在不提高旁瓣的前提下，实现波瓣压缩，进一步利用这两个波束进行处理可以提高来波方位上区分目标的能力。和差测角由于其精度高和工程中容易实现得到了广泛的重视。把和差测角用在相控阵中更能提高测角的精度。

和差波束是通过对和差通道的控制来实现的。在雷达系统中，每一个天线单元都有一个TR组件与之对应，相应的TR组件构成和差通道。

通过精确控制移相器的相移，可以实现和差波束在空间上的扫描。相控阵雷达虽然不能像其它雷达那样依靠旋转天线来使雷达波束转动，但它自有自己的“绝招”，那就是使用“移相器”来实现雷达波束转动。相控阵雷达天线是由大量的辐射器（小天线）组成的阵列（正方形、三角形等），每个辐射器的后面都接有一个可控移相器，每个移相器都由电子计算机控制。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中的波束合成方法测角精度不高，本发明公开了一种基于机载设备的相控阵波束合成方法。

本发明的目的通过下述技术方案来实现：

本发明公开了一种基于机载设备的相控阵波束合成方法，其具体包括以下的步骤：将相控阵天线阵列单元分为左、右天线阵列单元；将左、右天线阵列单元同相馈电，左、右天线阵列单元形成的方向图函数相加得到和波束；将左、右天线阵列单元反相馈电，左、右天线阵列单元形成的方向图函数相减得到差波束。本发明的技术方案使得相控阵天线具备快速扫描能力：能在微秒级时间内完成雷达波束形成和波束扫描位置转换，移相器精度高，在飞行环境中能对需要探测的区域实行快速高密度扫描，获取目标信息。抗干扰能力：通过询问和接收旁瓣抑制技术，消除杂波干扰。省去了伺服机械结构，四路收发集成一体化设计，体积小，重量轻，便于安装，适合机载环境。

更进一步地，上述左、右天线阵列单元分别包括多个天线阵列子单元，当要合成和波束时，每个子单元采用非等幅馈电。

更进一步地，上述方向图函数获取的具体过程为：；其中：N为天线阵元个数；指第个天线单元；为虚数单位，；为相邻天线单元之间的间距；为目标所在角度；为天线工作时的波长；，为天线波束的最大值指向，为使天线波束最大值在方向所需的各单元之间的相位差；为激励系数，是第个天线单元的激励幅度。

更进一步地，上述方法还包括询问旁瓣抑制方法。

更进一步地，上述询问旁瓣抑制方法的具体过程为：询问机发出询问信号和控制脉冲，询问信号通过和通道发射，控制脉冲通过差通道发射；应答机同时接收到询问信号和控制信号，比较询问信号和控制信号的幅度，判定该询问信号是来自主瓣还是旁瓣，若来自主瓣，则进行应答，若来自旁瓣，则拒绝应答。

更进一步地，上述方法还包括接收旁瓣抑制方法。

更进一步地，上述接收旁瓣抑制方法具体为：询问机使用两个独立的接收通道，一个接收通道通过定向天线接收应答信号，另一个接收通道通过全向天线接收应答信号，询问机对两个接收通道接收到的应答信号进行幅度比较，以确定收到的应答是来自的主瓣方向的有效应答，还是来自旁瓣的无效应答。

通过采用以上的技术方案，本发明具有以下的有益效果：本发明实现了相控阵波束合成方法在机载设备中的应用。通过波束形成器的控制，容易产生和差波束，并可进行波束扫描。相控阵天线的应用使扫描更灵活，抗干扰能力强，可靠性高。通过旁瓣抑制技术，提高系统的抗干扰能力。通过对和差波束的处理进行和差单脉冲测角，通过两组不同的加权，在阵列输出端形成和波束和差波束，和波束在波束指向方向形成主瓣，而差波束在波束指向方向形成零陷，通过和差波束输出的比值得到某一确定的比值，然后通过公式计算出目标的偏角，从而得到目标的角度。

附图说明

图1为相控阵天线原理图。

图2为整个机载设备系统组成框图。

图3波束形成器原理图。

图4为波控器原理图。

具体实施方式

下面结合说明书附图，详细说明本发明的具体实施方式。

本发明中相控阵天线用于向空间发出询问信号，同时接收来自空间的应答信号。如图1所示的相控阵原理图。

本发明公开了一种基于机载设备的相控阵波束合成方法，其具体为：将相控阵天线阵列单元分为左、右天线阵列单元；将左、右天线阵列单元同相馈电，左、右天线阵列单元形成的方向图函数相加得到和波束；将左、右天线阵列单元反相馈电，左、右天线阵列单元形成的方向图函数相减得到差波束。通过采用以上的方法，在相控阵中得到了和波束和差波束，通过对和差波束的处理进行和差单脉冲测角，通过两组不同的加权，在阵列输出端形成和波束和差波束，和波束在波束指向方向形成主瓣，而差波束在波束指向方向形成零陷，（通过和差波束输出的比值得到某一确定的比值，然后通过公式计算出目标的偏角，从而得到目标的角度）只要合成了有效的和差波束，后续得到目标角度的过程本领域技术人员一般都能实现，此不属于本发明保护的重点，在此不再进行赘述。本发明中，和波束即通常所说的在目标方向形成主瓣，差波束是在目标方向形成零陷。

和波束由左、右天线阵列单元同相馈电而成，左、右天线阵列单元又包括多个天线阵列子单元，若每个子单元等幅馈电，则波束副瓣电平较高，故一般不采用等幅馈电。道尔夫–切比雪夫综合法是一种可控制副瓣电平的阵列天线综合方法，其综合方向图的所有副瓣电平最大值相等，能在副瓣电平和主瓣宽度间做一个最好的折中，在给定副瓣电平下，主瓣宽度最窄，能满足系统要求。

上述方向图函数的获取具体为：；其中：N为天线阵元个数；为虚数单位，；为相邻天线单元之间的间距；为目标所在角度；为天线工作时的波长；，为来自目标的回波在相邻单元之间的相位差，也可称为相邻单元之间的“空间相位差”；，为天线波束的最大值指向，为使天线波束最大值在方向所需的各单元之间的相位差，它由各单元的移相器提供，简称为相邻单元之间的“阵内相位差”；亦称作“激励系数”或复加权系数，可以以表示，是第个天线单元的激励幅度。

更进一步地，上述方法还包括询问旁瓣抑制方法。询问机的天线具有方向性，方向性天线将不可避免的产生一些不希望出现的旁瓣辐射，采用询问旁瓣抑制方法能够抑制处于旁瓣方向的应答机的应答，以减少来自旁瓣的干扰信号。

其询问旁瓣抑制方法的具体过程为：询问机发出询问信号和控制脉冲，询问信号通过和通道发射，控制脉冲通过差通道发射；应答机同时接收到询问信号和控制信号，比较询问信号和控制信号的幅度，判定该询问信号是来自主瓣还是旁瓣，若来自主瓣，则进行应答，若来自旁瓣，则拒绝应答。从而达到旁瓣抑制的目的。在询问波束的主瓣方向，控制波束的幅度远远低于询问波束的幅度，而在除主瓣的其他方向（询问波束旁瓣方向），控制波束的幅度远远高于询问波束（旁瓣）的幅度。

更进一步地，上述方法还包括接收旁瓣抑制方法，其具体为：询问机使用两个独立的接收通道，一个接收通道通过定向天线接收应答信号，另一个接收通道通过全向天线接收应答信号，询问机对两个接收通道接收到的应答信号进行幅度比较，以确定收到的应答是来自的主瓣方向的有效应答，还是来自旁瓣的无效应答。通过上述方式进一步达到了旁瓣抑制的目的。

更进一步地，上述波束合成方法可以采用波束形成器来实现。波束形成器包括移相器、波控器、和差器等。波束形成器考虑到机载设备的使用要求，结构设计时考虑了其体积小的特性，其外形尺寸可以为192mm×170mm×68mm，便于使用。波束形成装置有移相、加权功能，根据不同功能，其结构不一样。本发明中的波束合成器是大功率，四路收发集成一体化设计，采用大规模集成电路，如FPGA现场可编程门阵列器件等完成各种数字处理任务，充分发挥软件灵活可变的优势，减少器件种类和数量，易于小型化和集成，提高可靠性。可更换的功能单元采用模块化、插件化设计，各功能单元采用统一的标准模块结构，使模块的安装拆卸更方便快捷。

波束形成器可以根据前面介绍的和差波束合成方法计算得到的激励权值，去控制收发通道的衰减值和移相器的相位偏移值，使其满足产生和差波束的条件，从而从天线阵列端得到和差波束。

如图2所示的整个机载设备系统组成框图。整个机载设备系统由相控阵天线阵列、波束形成器、询问应答主机构成。

图3为波束形成器原理图。波束形成器的主要功能是，接收来自询问应答主机编码接口模块的波束形成控制信号和来自发射机模块的射频发射信号，根据所收到的信息控制各个通道的幅度和相位形成相应波束。波束形成器有4个RF通道和4个天线振子连接，2个RF通道和主机的和差通道连接，1个低频插座和主机编码接口模块连接。波束形成器接收主机的控制信息，形成指定方向的询问波束，通过主机不断地改变控制信息来完成波束扫描的功能。

在发射状态时，从发射机传来的高频信号由波束形成器馈入天线，通过和差器后均分成两路信号，分别进入对应功率分配器后，将信号按照各自的功率比例分成4路馈入移相器，通过SPDT开关进入发射通道，通过衰减、均衡以及脉冲功放，再通过天线开关接通天线辐射单元辐射出去。

图4为波控器原理图。波控器是波束形成器的一个组成部分，其具有如下功能：波控器自检；控制有源波束形成网络自检；与存储器或FPGA内部RAM进行数据存取和交换；与ICNI分系统进行通信，并对有源波束形成网络进行控制；波控码的计算和修正。波控器工作时，信号处理单元将需要识别的目标方位和距离发送到波控器，波控器根据距离设置有源波束形成网络发射通道的衰减值，以控制发射功率因目标距离不同而作相应调整。同时将各通道移相单元设置到天线波束指向该目标方位所需的的相位上。波控器从主机接收到波束指向要求后去控制移相器，使其偏移到要求的相位，从而可达到波束改变的目的。

在接收状态时，不同方向上来的高频信号在每个辐射单元上可激励起不同的电流，此电流通过接收通道的限幅器、低躁放和衰减器后，再经过各自通道的移相器和左右两个功率分配器后合成两路高频信号，此高频信号通过和差器后形成和信号和差信号，传到接收机进行信号处理。通过改变移相器的控制码可接收任意方向上传来的射频信号。

上述的实施例中所给出的系数和参数，是提供给本领域的技术人员来实现或使用本发明的，本发明并不限定仅取前述公开的数值，在不脱离本发明的发明思想的情况下，本领域的技术人员可以对上述实施例做出种种修改或调整，因而本发明的保护范围并不被上述实施例所限，而应该是符合权利要求书提到的创新性特征的最大范围。

Claims (7)

1.一种基于机载设备的相控阵波束合成方法，其具体包括以下的步骤：将相控阵天线阵列单元分为左、右天线阵列单元；将左、右天线阵列单元同相馈电，左、右天线阵列单元形成的方向图函数相加得到和波束；将左、右天线阵列单元反相馈电，左、右天线阵列单元形成的方向图函数相减得到差波束；所述波束合成方法采用波束形成器实现，所述波束形成器包括波控器，所述波控器工作时，信号处理单元将需要识别的目标方位和距离发送到波控器，波控器根据距离设置有源波束形成网络发射通道的衰减值，以控制发射功率因目标距离不同而作相应调整，同时将各通道移相单元设置到天线波束指向该目标方位所需的的相位上，波控器从主机接收到波束指向要求后去控制移相器，使其偏移到要求的相位，从而可达到波束改变的目的。

2.如权利要求1所述的基于机载设备的相控阵波束合成方法，其特征在于左、右天线阵列单元分别包括多个天线阵列子单元，当要合成和波束时，每个子单元采用非等幅馈电。

3.如权利要求1所述的基于机载设备的相控阵波束合成方法，其特征在于所述方向图函数获取的具体过程为：

其中：N为天线阵元个数；指第个天线单元；为虚数单位，；为相邻天线单元之间的间距；为目标所在角度；为天线工作时的波长；，为天线波束的最大值指向，为使天线波束最大值在方向所需的各单元之间的相位差；为激励系数，是第个天线单元的激励幅度。

4.如权利要求1所述的基于机载设备的相控阵波束合成方法，其特征在于所述方法还包括询问旁瓣抑制方法。

5.如权利要求4所述的基于机载设备的相控阵波束合成方法，其特征在于所述询问旁瓣抑制方法的具体过程为：询问机发出询问信号和控制脉冲，询问信号通过和通道发射，控制脉冲通过差通道发射；应答机同时接收到询问信号和控制信号，比较询问信号和控制信号的幅度，判定该询问信号是来自主瓣还是旁瓣，若来自主瓣，则进行应答，若来自旁瓣，则拒绝应答。

6.如权利要求1-5任意一个权利要求所述的基于机载设备的相控阵波束合成方法，其特征在于所述方法还包括接收旁瓣抑制方法。

7.如权利要求6所述的基于机载设备的相控阵波束合成方法，其特征在于所述接收旁瓣抑制方法具体为：询问机使用两个独立的接收通道，一个接收通道通过定向天线接收应答信号，另一个接收通道通过全向天线接收应答信号，询问机对两个接收通道接收到的应答信号进行幅度比较，以确定收到的应答是来自的主瓣方向的有效应答，还是来自旁瓣的无效应答。