CN105206934A - 一种相控阵接收天线系统及其运行方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种相控阵接收天线系统及其运行方法，属于相控阵天线技术领域，相控阵接收天线系统包括接收信号的多个信号接收单元、连接多个信号接收单元的功率合路器、连接功率合路器计算功率合路器输出功率值的功率计算单元、连接功率计算单元的自适应波形成形模块，自适应波形成形模块计算得出的移相值输入到信号接收单元，使得天线波束指向来波方向。本发明提供的相控阵接收天线系统，通过自适应DOA估计与波束成形功能，解决了相控阵天线必须结合接收机工作的问题，具有可脱离接收机独立运行的，且低成本的优点。

Description

一种相控阵接收天线系统及其运行方法

技术领域

本发明涉及相控阵天线技术领域，具体为一种具有自适应波束成形功能、可脱离接收机独立运行低成本的相控阵接收天线系统及其运行方法。

背景技术

传统相控阵一般是一个阵元对应一个接收机，但随着阵元数的增加，接收机的数量也要增加，从而导致接收系统造价成本高昂。另外，接收机数量太多也会给系统结构和空间布局带来困难。MUSIC、ESPRIT等经典DOA估计或自适应波束成形算法都是基于协方差矩阵的，为获得协方差矩阵，要求对每个阵元接收到的信号进行下变频、滤波、AD采样操作，以获得每个通道的幅相信息。因此，传统的多通道相控阵的成本较高，一般只应用在军事领域，在对成本极为敏感的民用市场难以推广应用。为了降低相控阵天线的成本，后来有人提出了基于单接收机的相控阵方案，其基本思想是多个阵元与单接收机之间用多向微波开关连接，利用微波开关的切换，使各个阵元与接收机在不同时刻连接，从而获得每个阵元接收信号的幅相信息，构成协方差矩阵，在此基础上进行DOA估计和自适应波束成形。与多通道系统相比，单接收机系统在价格和复杂性方面具有明显的优势，并且避免了接收通道不一致带来的幅相误差，是一种高性价比的信号接收方案。然而，它通过开关切换，逐个测量各个阵元的幅相信息，处理时间过长，难以应用到实时性要求较高的快速响应场景。另外，无论是多通道系统还是上述的单接收机系统，相控阵天线总是与接收机一起工作，难以独立运行，应用上的灵活性受到一定影响。

发明内容

根据以上现有技术的不足，本发明提出一种相控阵接收天线系统及其运行方法，通过自适应DOA估计与波束成形功能，解决了相控阵天线必须结合接收机工作的问题，具有可脱离接收机独立运行的，且低成本的优点。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种相控阵接收天线系统，相控阵接收天线系统包括接收信号的多个信号接收单元、连接多个信号接收单元的功率合路器、连接功率合路器计算功率合路器输出功率值的功率计算单元、连接功率计算单元的自适应波形成形模块，自适应波形成形模块计算得出的移相值输入到信号接收单元，使得天线波束指向来波方向。

上述系统中，所述信号接收单元包括天线阵元和移相器，天线阵元连接对应的移相器，移相器将经过相位调整后的信号输入到功率合路器。所述功率合路器有一个输出端和多个输入端，输入端连接多个信号接收单元接收各路信号接收单元的信号，功率合路器将各路信号合成为一路从输出端输出。所述功率计算单元包括功率耦合器和功率探测器，功率耦合器的输入端连接功率合路器的输出端，经过功率耦合器耦合后的信号输入到功率探测器，功率探测器计算出功率合路器的输出功率值，功率探测器的输出端连接自适应波形成形模块，功率合路器的输出功率值被送入自适应波形成形模块。所述自适应波形成形模块采用并行随机梯度下降法进行DOA估计和波束成形，同时细微调整所有信号接收单元的移相值，并根据该调整所引起的功率合路器输出功率的变化来确定移相值的下一步调整方向，经过多次循环迭代，天线波束指向来波方向。所述相控阵接收天线系统应用于信号接收系统，信号接收系统包括接收机和相控阵接收天线系统，接收机连接相控阵接收天线系统的输出端。

一种相控阵接收天线系统的运行方法，所述方法包括：步骤一、天线阵元接收到的信号被送入到与天线阵元连接的移相器，经过相位调整，各路信号被送入同一个功率合路器；步骤二、各路信号合成为一路信号后经功率合路器输出口输出，位于功率合路器输出口的功率耦合器接收功率合路器的输出信号；步骤三、功率耦合器耦合接收到的信号输出至功率探测器，功率探测器将信号功率等比例地转换为电平输出，结合功率耦合器的耦合系数和功率探测器的输出电平，获得功率合路器输出功率值；步骤四、功率合路器输出功率值送入自适应波束成形模块，自适应波束成形模块采用并行随机梯度下降法进行DOA估计和波束成形，根据合路器输出功率值调整各个移相器的移相值；步骤五、各个移相器的移相值改变后，天线的波束发生变化，合路器输出功率值随之变化，算法根据合路器输出功率值的变化再次调整各移相器的移相值；步骤六、循环迭代步骤五，直至天线方向图增益最强方向指向来波方向，自适应地完成来波方向估计与跟踪。

上述方法中，所述步骤六迭代过程中，根据上一次的移相扰动值和合路器输出功率变化值，计算本次的移相值。所述并行随机梯度下降法步骤包括：(1)在第k次迭代中，对各移相器的移相值加载一个随机扰动值，各个移相器的扰动值是相对独立的；(2)测量功率合路器输出口的功率值，计算出输出功率的变化值；(3)根据第k次的移相扰动值和功率合路器输出功率变化值，计算第k+1次的移相值；(4)重复以上迭代，直至合路器输出功率值相对变化小于0.001时，天线完成波束成形步骤，天线方向图的最强方向指向来波方向。所述功率合路器输出口的功率值是自适应波束成形模块的唯一输入量，也是调整所有移相器移相值的唯一判据。

本发明有益效果是:本发明所公布的相控阵接收天线系统是一套独立的闭环系统，它可以脱离接收机单独运行，因此应用方式比较灵活，可与各类接收机配套使用，快速构建接收系统。本发明所公布的相控阵天线采用并行随机梯度下降算法作为自适应DOA估计和波束成形方法，将各阵元接收信号的合路输出功率值作为并行随机梯度下降算法的唯一判据，在降低系统复杂度和成本造价的同时，还具有较快的DOA估计与跟踪速度。

附图说明

下面对本说明书附图所表达的内容及图中的标记作简要说明：

图1为本发明具体实施方式的系统结构框图；

图2为本发明具体实施方式的例所用的阵列模型；

图3为本发明具体实施方式的仿真实验的相控阵天线方向图；

图4为本发明具体实施方式的仿真实验的相控阵天线方向图在来波方向的局部放大图；

图5为本发明具体实施方式的合路器输出功率随迭代次数的变化示意图；

图6为本发明具体实施方式的达到收敛状态所需的最少迭代次数直方图。

具体实施方式

下面对照附图，通过对实施例的描述，本发明的具体实施方式如所涉及的各构件的形状、构造、各部分之间的相互位置及连接关系、各部分的作用及工作原理、制造工艺及操作使用方法等，作进一步详细的说明，以帮助本领域技术人员对本发明的发明构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解。

一种相控阵接收天线系统，相控阵接收天线系统包括接收信号的多个信号接收单元、连接多个信号接收单元的功率合路器、连接功率合路器计算功率合路器输出功率值的功率计算单元、连接功率计算单元的自适应波形成形模块，自适应波形成形模块计算得出的移相值输入到信号接收单元，使得天线波束指向来波方向。其中信号接收单元包括天线阵元和移相器，天线阵元连接对应的移相器，移相器将经过相位调整后的信号输入到功率合路器，功率合路器有一个输出端和多个输入端，输入端连接多个信号接收单元接收各路信号接收单元的信号，功率合路器将各路信号合成为一路从输出端输出。功率计算单元包括功率耦合器和功率探测器，功率耦合器的输入端连接功率合路器的输出端，经过功率耦合器耦合后的信号输入到功率探测器，功率探测器计算出功率合路器的输出功率值，功率探测器的输出端连接自适应波形成形模块，功率合路器的输出功率值被送入自适应波形成形模块。

相控阵天线系统的具体结构框图如图1所示，相控阵天线系统包括多个阵元(为后续论述方便，将阵元数量由N表示)、与阵元数量相同的移相器，功率合路器、功率耦合器、功率探测器以及自适应波束成形模块，各个阵元对应连接每个移相器，移相器的输出端连接功率合路器，功率合路器的输出信号输入到功率耦合器，功率耦合器可选择性的连接到接收机，也可以直接连接功率探测器至自适应波束成形模块，自适应波束成形模块的输出端连接至移相器，调整移相器的移相值，从而找到天线方向图增益最强方向指向来波方向，本发明中可以不使用接收机，相控接收天线单独作为整体能够独立运行工作，也可以接入其他接收机进行配合工作，灵活性在一定程度上提高很大。

相控天线的具体工作如下：各个阵元接收到的信号被送入到与阵元连接的移相器，经过相位调整后，各路信号被送入同一个功率合路器，然后各路信号合成一路后经功率合路器输出口输出。位于功率合路器输出口的耦合器接收功率合路器的输出信号，功率耦合器耦合少部分功率合路器的输出信号(功率合路器输出信号的剩余大部分信号被送入后端的接收机)，然后将其送入功率探测器，功率探测器可将信号功率等比例地转换为电平输出。结合耦合器的耦合系数和功率探测器的输出电平，就可以获得功率合路器输出功率值。该功率值被送入自适应波束成形模块，自适应波束成形模块采用并行随机梯度下降法进行DOA估计和波束成形，该功率值是并行随机梯度下降算法的判据，算法根据合路器输出功率值调整各个移相器的移相值。各个移相器的移相值被改变后，天线的波束发生变化，合路器输出功率值也会随之变化，算法根据合路器输出功率值的变化再次调整各移相器的移相值，如此循环迭代，直至天线方向图增益最强方向指向来波方向。整个天线构成一个闭环系统，可以不依赖接收机，自适应地完成DOA估计与跟踪，当来波方向改变时，天线将自动调整波束指向，实现自适应波束成形。

一种相控阵接收天线系统的运行方法，方法包括：

步骤一、天线阵元接收到的信号被送入到与天线阵元连接的移相器，经过相位调整，各路信号被送入同一个功率合路器。

步骤二、各路信号合成为一路信号后经功率合路器输出口输出，位于功率合路器输出口的功率耦合器接收功率合路器的输出信号。

步骤三、功率耦合器耦合接收到的信号输出至功率探测器，功率探测器将信号功率等比例地转换为电平输出，结合功率耦合器的耦合系数和功率探测器的输出电平，获得功率合路器输出功率值。

步骤四、功率合路器输出功率值送入自适应波束成形模块，自适应波束成形模块采用并行随机梯度下降法进行DOA估计和波束成形，根据合路器输出功率值调整各个移相器的移相值。

步骤五、各个移相器的移相值改变后，天线的波束发生变化，合路器输出功率值随之变化，算法根据合路器输出功率值的变化再次调整各移相器的移相值。

步骤六、循环迭代步骤五，直至天线方向图增益最强方向指向来波方向，自适应地完成来波方向估计与跟踪。

本发明提供的天线系统只需单个接收机与之配合即构成完整的接收系统，实现信号接收，工作灵活性很大。除了硬件构成外，自适应DOA估计和波束成形算法是本发明的另一核心内容，本发明采用并行随机梯度下降法作为自适应DOA估计和波束成形算法。并行随机梯度下降法的基本原理简介如下：对于多元函数其中为多元变量。同时对多元变量中的每个变量加一微小随机扰动，该扰动值由矢量表示，观察多元函数的变化值δJ(也被称为评价函数)，推算下一次迭代多元变量的取值为

其中k表示当前迭代次数，γ为增益系数，δJ^k为当前迭代次数下的多元函数的变化值，δu^vk为当前迭代次数下的多元变量的扰动矢量。在实际应用中，如使评价函数向极大方向优化，γ取正值；反之，γ取负，在本发明中，γ取正值。多元函数的变化值δJ可由以下公式表示

$\begin{array}{c}\mathrm{\δ}J=J\left(u+\frac{\mathrm{\δ}u}{2}\right)-J\left(u-\frac{\mathrm{\δ}u}{2}\right)\\ =J(u_1+\frac{{\mathrm{\δu}}_1}{2},u_2+\frac{{\mathrm{\δu}}_2}{2},\mathrm{...},u_N+\frac{{\mathrm{\δu}}_N}{2})-J\left(u_1-\frac{{\mathrm{\δu}}_1}{2},u_2-\frac{{\mathrm{\δu}}_2}{2},\mathrm{...},u_N-\frac{{\mathrm{\δu}}_N}{2}\right)\end{array}---\left(2\right)$

本发明中，合路器输出功率值是各移相器移相值的多元函数，也是自适应DOA估计和波束成形算法的评价函数，用公式表示如下

其中I_n表示第n个阵元的幅度，φ_n表示第n个阵元的初始相位，表示第n个移相器的移相值。

对于均匀线阵，φ_n可表示为

${\mathrm{\φ}}_n=(n-1)\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}dsin\left({\mathrm{\θ}}_0\right)---\left(4\right)$

其中d表示阵元之间的间距，θ₀表示来波方向，I_n可以归一化为1，因此，合路器输出功率可表示为

作为自适应DOA估计和波束成形算法的评价函数，也是算法调整移相值的唯一判据。算法的迭代过程描述如下：

(1)在第k次迭代中，对各移相器的移相值加载一个随机扰动各个移相器的扰动值是相对独立的。

(2)测量合路器输出口的功率值，输出功率的变化值为

(3)根据第k次的移相扰动值和合路器输出功率变化值，计算第k+1次的移相值

(4)重复以上迭代，直至合路器输出功率值相对变化小于0.001，即此时，可以认为天线已完成波束成形步骤，天线方向图的最强方向指向来波方向。

下面详细描述本发明的实施例。

如图2所示，相控阵天线由等间距分布在X轴上的16个微带矩形贴片阵元构成，阵元之间的间距为半个波长，每个阵元后连接一个6位数控移相器，最小移相值为5.625°，来波方向为θ₀＝20°。考虑到各种误差和各阵元及移相器之间的非一致性，各阵元接收信号除了由式(4)表达的空间相位差外，还必然存在随机初始相位，假设该初始相位服从[0°,360°]区间上的均匀分布。通过50次蒙特卡罗仿真实验验证本发明的DOA估计精度和速度，图3和图4展示了DOA估计和波束成形完成后，相控阵的方向图，可见各次实验的方向图基本趋于一致，且天线波束的指向误差(方向图最大增益方向与来波方向的差别)小于0.5°。图5表示了迭代过程中，合路器输出功率值的变化，可见各次实验的输出功率在迭代次数大于60次后，基本趋于收敛状态。图6表示在50次蒙特卡罗实验中达到收敛状态(δP^k/P^k≤0.001)所需的最少迭代次数的分布直方图，可见，多数实验在迭代80次以内即可达到收敛状态，完成波束成形。

上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种相控阵接收天线系统，其特征在于,相控阵接收天线系统包括接收信号的多个信号接收单元、连接多个信号接收单元的功率合路器、连接功率合路器计算功率合路器输出功率值的功率计算单元、连接功率计算单元的自适应波形成形模块，自适应波形成形模块计算得出的移相值输入到信号接收单元，使得天线波束指向来波方向。

2.根据权利要求1所述的相控阵接收天线系统，其特征在于，所述信号接收单元包括天线阵元和移相器，天线阵元连接对应的移相器，移相器将经过相位调整后的信号输入到功率合路器。

3.根据权利要求1所述的相控阵接收天线系统，其特征在于，所述功率合路器有一个输出端和多个输入端，输入端连接多个信号接收单元接收各路信号接收单元的信号，功率合路器将各路信号合成为一路从输出端输出。

4.根据权利要求1所述的相控阵接收天线系统，其特征在于，所述功率计算单元包括功率耦合器和功率探测器，功率耦合器的输入端连接功率合路器的输出端，经过功率耦合器耦合后的信号输入到功率探测器，功率探测器计算出功率合路器的输出功率值，功率探测器的输出端连接自适应波形成形模块，功率合路器的输出功率值被送入自适应波形成形模块。

5.根据权利要求1所述的相控阵接收天线系统，其特征在于，所述自适应波形成形模块采用并行随机梯度下降法进行DOA估计和波束成形，同时细微调整所有信号接收单元的移相值，并根据该调整所引起的功率合路器输出功率的变化来确定移相值的下一步调整方向，经过多次循环迭代，天线波束指向来波方向。

6.根据权利要求1所述的相控阵接收天线系统，其特征在于，所述相控阵接收天线系统应用于信号接收系统，信号接收系统包括接收机和相控阵接收天线系统，接收机连接相控阵接收天线系统的输出端。

7.根据权利要求1-5任意一项所述的一种相控阵接收天线系统的运行方法，其特征在于，所述方法包括：

步骤一、天线阵元接收到的信号被送入到与天线阵元连接的移相器，经过相位调整，各路信号被送入同一个功率合路器；

步骤二、各路信号合成为一路信号后经功率合路器输出口输出，位于功率合路器输出口的功率耦合器接收功率合路器的输出信号；

步骤三、功率耦合器耦合接收到的信号输出至功率探测器，功率探测器将信号功率等比例地转换为电平输出，结合功率耦合器的耦合系数和功率探测器的输出电平，获得功率合路器输出功率值；

步骤四、功率合路器输出功率值送入自适应波束成形模块，自适应波束成形模块采用并行随机梯度下降法进行DOA估计和波束成形，根据合路器输出功率值调整各个移相器的移相值；

步骤五、各个移相器的移相值改变后，天线的波束发生变化，合路器输出功率值随之变化，算法根据合路器输出功率值的变化再次调整各移相器的移相值；

步骤六、循环迭代步骤五，直至天线方向图增益最强方向指向来波方向，自适应地完成来波方向估计与跟踪。

8.根据权利要求7所述的相控阵接收天线系统的运行方法，其特征在于，所述步骤六迭代过程中，根据上一次的移相扰动值和合路器输出功率变化值，计算本次的移相值。

9.根据权利要求7所述的相控阵接收天线系统的运行方法，其特征在于，所述并行随机梯度下降法步骤包括：

(1)在第k次迭代中，对各移相器的移相值加载一个随机扰动值，各个移相器的扰动值是相对独立的；

(2)测量功率合路器输出口的功率值，计算出输出功率的变化值；

(3)根据第k次的移相扰动值和功率合路器输出功率变化值，计算第k+1次的移相值；

(4)重复以上迭代，直至合路器输出功率值相对变化小于0.001时，天线完成波束成形步骤，天线方向图的最强方向指向来波方向。

10.根据权利要求7所述的相控阵接收天线系统的运行方法，其特征在于，所述功率合路器输出口的功率值是自适应波束成形模块的唯一输入量，也是调整所有移相器移相值的唯一判据。