CN103780294A - 一种最大信噪比输出相控阵天线加权方法 - Google Patents

Abstract

一种最大信噪比输出相控阵天线加权方法，其实现步骤为：1）把阵列接收射频信号转换为数字中频信号y(k)；2）根据传统相控阵天线理论计算第一组权矢量w；3）加权输出为h(k)；4）估计各个通道接收信号的期望信号功率和噪声功率计算第二组权矢量a，其中第i路对应权值为6）相控阵的最终输出为相对于传统相控阵天线，本发明的相控阵天线加权方法，不会增加硬件成本，无需通道校正，能够确保阵列输出具有最大信噪比，满足工程应用需求。

Description

一种最大信噪比输出相控阵天线加权方法

技术领域

本发明涉及到相控阵天线领域，具体涉及到一种相控阵天线的加权方法。

背景技术

相控阵天线通过对接收信号进行相位加权，使得天线主瓣指向期望信号方向，从而提高了天线G/T值，它可以用于雷达、声纳、通信系统中。传统相控阵天线假设各个阵元接收信号具有相同的信噪比（Signal to Noise Ratio,SNR），权矢量仅仅对信号的相位进行校正。但由于实际每个阵元对应的通道传输特性不一致，导致仅仅是相位加权的传统相控阵天线输出信号无法达到最大SNR。虽然通过各种误差校正方法可以克服通道一致性误差，但是，一方面，校正方法本身设计和实现非常复杂，另一方面，随着相控阵天线使用时间的增加，通道特性会发生变化，导致早期的校正权值失效。总之，相控阵天线通道的不一致性和校正方法的失效，会导致各个阵元接收信号具有不同的SNR输入，此时按照传统的相控阵天线进行相位加权，无法得到最大SNR输出。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：由于通道不一致性误差，各个阵元间接收信号的SNR并不相同，仅仅对接收信号进行传统相控阵天线的相位校正加权，导致阵列输出无法达到最大SNR。

解决上述问题的方法是一种最大信噪比输出相控阵天线加权方法，其实现步骤是：

第一步，相控阵天线接收到的射频信号为x(t)=[x₁(t)…x_N(t)]^T，N为天线阵元数，符号“T”表示求转置，x_i(t)表示第i个阵元接收的射频信号，i=1,...,N；通过正交下变频把x(t)转换到中频，并进行模数变换，得到数字中频复信号y(k)=[y₁(k)…y_N(k)]^T，y(k)表示第k个快拍，K是快拍数，k=1,...,K；

第二步，在已知期望信号角度情况下，根据相控阵天线基本原理，计算第一次加权采用的权矢量w=[w₁...w_N]^T，w_i表示第i个通道对应权值，i=1,...,N；

第三步，利用权矢量w分别对每个通道的中频复信号y_i(k)进行加权，得到第一次加权后的输出信号h(k)=[h₁(k)…h_N(k)]^T，其中

表示第i个通道第一次加权后的输出信号，符号“*”表示求共轭，i=1,...,N；

第四步，利用谱估计法，分别估计信号h_i(k)中期望信号功率

和噪声功率

对第i个通道，i=1,...,N，其估计步骤为：

1）计算长度为K的信号序列h_i(k)的离散傅里叶变换H_i(k)，即信号频谱H_i(k)，并计算其模的平方值|H_i(k)|²，从而求得接收信号总功率

2）将长度为K的频谱H_i(k)按序号平均分为M段，M为正整数，每段的序列长度

按照式计算第j段的功率，j=1,...,M；

3）对于M段的各个功率E_ij，取功率最小值

符号min{}表示取集合元素最小值，并认为其只包含了噪声分量，从而计算得到总的噪声功率 ${P_i}^n={\mathrm{ME}}_i^{\min };$

4）由接收信号总功率P_i与噪声功率可以求得期望信号功率

第五步，根据估计出的第i个通道信号功率

和噪声功率

计算相控阵天线第二次加权采用的权矢量a=[a₁...a_N]^T，其中

i=1,...,N；

第六步，计算相控阵天线的第二次加权输出，即相控阵天线最终的输出为 $z_{\mathrm{out}}\left(k\right)=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{a}_i{h}_i\left(k\right).$

本发明的有益效果是：相对传统相控阵天线，本发明的相控阵天线加权方法，无需通道校正，也不会增加硬件成本，能够确保阵列输出具有最大信噪比，满足工程应用需求。

本发明可以应用到相控阵天线领域。

附图说明

图1是均匀线阵布局和信号入射关系示意图；

图2是最大信噪比输出相控阵天线系统结构框图；

图3是最大信噪比输出相控阵天线加权方法流程图。

具体实施方法

如图1所示均匀线阵布局和信号入射示意图，对于一个均匀线阵，其阵元数为N，阵元间距为信号载波波长的一半。期望信号入射到阵列的角度θ为波达方向（Direction of Arrival，DOA），其范围

设第1个阵元位于原点，其余阵元在横轴正向，则阵列接收到的模拟射频信号可以用一个列矢量表示，即x(t)=[x₁(t)…x_N(t)]^T，符号“T”表示求转置。

图2所示为最大信噪比输出相控阵天线系统结构框图。阵列接收到的模拟射频信号x(t)，经过射频前端实现正交下变频变换，输出模拟中频信号，模拟中频信号经过ADC采样，输出中频数字复信号y(k)，y(k)表示第k个快拍，K是快拍数，k=1,...,K。数字中频复信号先后进行两次加权，得到最终输出z_out(k)，该输出具有最大信噪比。第一次加权的权矢量为w=[w₁...w_N]^T，输出信号为h(k)=[h₁(k)...h_N(k)]^T，第二次加权的权矢量为a=[a₁...a_N]^T，输出信号为z_out(k)。

图3为最大信噪比输出相控阵天线加权方法流程图，本发明方法分为以下几个步骤：

第一步，相控阵天线接收到的射频信号为x(t)=[x₁(t)…x_N(t)]^T，通过射频前端和ADC，得到数字中频复信号y(k)=[y₁(k)…y_N(k)]^T。射频前端通过正交下变频，产生两路中频信号，分别代表信号实部和虚部。而每个通道分别对实部和虚部模拟信号进行ADC，得到数字复中频信号y(k)。

第二步，在已知期望信号波达方向θ情况下，根据传统相控阵天线理论，计算均匀线阵的权矢量w=[1e^-jπsinθ...e^{-jπ(N-1)sinθ}]^T，用于第一次加权。

第三步，利用权矢量w分别对每个通道的中频信号y_i(k)进行第一次加权，得到加权后的输出信号h(k)=[h₁(k)…h_N(k)]^T，其中

表示第i个通道第一次加权后的输出信号，符号“*”表示求共轭，i=1,...,N。该权矢量仅仅是对接收信号的相位进行校正。在各个通道SNR相同情况下，相位加权输出也是具有最大SNR，但如果通道SNR不相等，则加权输出不具有最大SNR。

第四步，利用谱估计法，分别估计信号h_i(k)中，期望信号功率

和噪声功率

对第i个通道，其估计步骤为：

1）计算长度为K的信号序列h_i(k)的离散傅里叶变换H_i(k)，即信号频谱H_i(k)，H_i(k)长度也是K，k=1,...,K，然后，计算其模的平方值|H_i(k)|²，从而根据帕塞瓦尔定理求得接收信号总功率

2）将长度为K的频谱H_i(k)按序号平均分为M段，M为正整数，每段的序列长度M必须足够大，从而保证期望信号功率不能存在于所有段内，即保证有些段内仅仅存在噪声信号频谱而不存在期望信号频谱。计算每段频谱对应的功率，其中，第j段的功率计算方法为

j=1,...,M；

3）对于所有M段的功率，取功率最小值认为其只包含了噪声分量，并且认为每段内的噪声功率是相等的，从而计算得到总的噪声功率 ${P_i}^n={\mathrm{ME}}_i^{\min };$

4）由接收信号总功率P_i与噪声功率

可以求得期望信号功率

第五步，根据估计出的第i个通道信号功率

和噪声功率

计算相控阵天线第二次加权采用的权矢量a=[a₁...a_N]^T，其中i=1,...,N。该权矢量是通过建立信号模型，求解许瓦兹不等式，得出的理论结果，只要按照该参数加权，阵列输出就可以保证是最大SNR。

第六步，计算相控阵天线的第二次加权输出，即相控阵天线最终的输出为

而且输出z_out(k)具有最大SNR，该最大SNR理论上等于所有阵元接收信号SNR之和。

本发明不仅可以应用于均匀线阵，也可以用于其他平面阵列。

相对于传统相控阵天线，本发明的相控阵天线加权方法，在数字域实现，不会增加硬件成本，无需通道校正，能够确保阵列输出具有最大信噪比，满足工程应用需求。

Claims (1)

1.一种最大信噪比输出相控阵天线加权方法，其实现步骤是：

第一步，相控阵天线接收到的射频信号为x(t)=[x₁(t)…x_N(t)]^T，N为天线阵元数，符号“T”表示求转置，x_i(t)表示第i个阵元接收的射频信号，i=1,...,N；通过正交下变频把x(t)转换到中频，并进行模数变换，得到数字中频复信号y(k)=[y₁(k)…y_N(k)]^T，y(k)表示第k个快拍，K是快拍数，k=1,...,K；

第二步，在已知期望信号角度情况下，根据相控阵天线基本原理，计算第一次加权采用的权矢量w=[w₁...w_N]^T，w_i表示第i个通道对应权值，i=1,...,N；

第三步，利用权矢量w分别对每个通道的中频复信号y_i(k)进行加权，得到第一次加权后的输出信号h(k)=[h₁(k)…h_N(k)]^T，其中

表示第i个通道第一次加权后的输出信号，符号“*”表示求共轭，i=1,...,N；

第四步，利用谱估计法，分别估计信号h_i(k)中期望信号功率和噪声功率

对第i个通道，i=1,...,N，其估计步骤为：

1）计算长度为K的信号序列h_i(k)的离散傅里叶变换H_i(k)，即信号频谱H_i(k)，并计算其模的平方值|H_i(k)|²，从而求得接收信号总功率

2）将长度为K的频谱H_i(k)按序号平均分为M段，M为正整数，每段的序列长度

按照式

计算第j段的功率，j=1,...,M；

3）对于M段的各个功率E_ij，取功率最小值

符号min{}表示取集合元素最小值，并认为其只包含了噪声分量，从而计算得到总的噪声功率 ${P_i}^n={\mathrm{ME}}_i^{\min };$

4）由接收信号总功率P_i与噪声功率

可以求得期望信号功率

第五步，根据估计出的第i个通道信号功率和噪声功率

计算相控阵天线第二次加权采用的权矢量a=[a₁...a_N]^T，其中

i=1,...,N；

第六步，计算相控阵天线的第二次加权输出，即相控阵天线最终的输出为 $z_{\mathrm{out}}\left(k\right)=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{a}_i{h}_i\left(k\right).$

Images