CN105353356A - 基于阵列滑窗的保形数字波束形成系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提出的一种基于阵列滑窗的保形数字波束形成系统，提供一种在扫描范围内波束不变形、增益稳定的DBF系统，本发明通过以下技术方案予以实现：活动阵列重构模块根据天线波束指向形成活动阵列，加权矢量计算模块根据输入的波束指向计算得到活动阵列的加权矢量并输出到波束形成模块，波束形成模块对活动阵列信号进行加权形成波束，波束形成时，活动阵列的中心阵面的切向垂直于目标方向，波束指向随着目标移动始终保持指向目标，活动阵列的阵元也随之发生改变，活动阵列随着目标的移动而在天线的阵面上滑动，在滑动过程中，保持活动阵列中心阵元的法线与波束指向一致。

Description

基于阵列滑窗的保形数字波束形成系统
技术领域
本发明涉及一种对阵列天线输出信号进行复加权运算，形成所需的波束信号的数字波束形成系统，尤其是基于阵列滑窗的保形数字波束形成DBF系统。
背景技术
波束形成技术是阵列信号处理的一个重要分支，波束形成(BeamForming)这个术语来源于早期的相控阵雷达，被设计用于形成方向性波束，以便在接收某一特定方向发出的信号的同时，衰减其它方向到来的信号。随着数字信号处理技术的发展，在卫星测控、通信等领域，数字波束形成技术的应用越来越广泛，目前多采用固定阵元或者子阵切换的方式形成波束，在波束扫描时存在波束主瓣展宽，副瓣升高等问题。
发明内容
本发明的目的是针对当前波束形成技术存在的波束扫描时主瓣展宽、副瓣升高等问题，提供一种在扫描范围内波束不变形、增益稳定，利用滑动活动阵列形成波束，解决波束扫描时的主瓣展宽、副瓣升高问题的阵列滑窗保形数字波束形成DBF系统。
本发明解决现有技术问题所采用的方案是：一种基于阵列滑窗的保形数字波束形成系统，包括接收阵列天线信号的信号缓冲池、活动阵列重构模块、加权矢量计算模块和波束形成模块，其特征在于，活动阵列重构模块根据天线波束指向形成活动阵列，活动阵列信号通过波束形成模块输入到加权矢量计算模块，加权矢量计算模块根据输入的波束指向计算得到活动阵列的加权矢量并输出到波束形成模块，波束形成模块对活动阵列信号进行加权形成波束，波束形成时，活动阵列的中心阵面的切向垂直于目标方向，波束指向随着目标移动始终保持指向目标，活动阵列的阵元也随之发射改变，构成活动阵列的天线阵元阵面随着目标的移动而在天线的阵面上滑动，在滑动过程中，保持活动阵列中心阵元的法线与波束指向一致。
本发明相比于现有技术具有如下有益效果：
本发明采用阵列天线信号全部输出到信号缓冲池，通过活动阵列重构模块根据波束指向形成活动阵列，然后将活动阵列的信号传输到波束形成模块，加权矢量计算模块根据输入的波束指向计算得到活动阵列的加权矢量并输出到波束形成模块，波束形成模块对活动阵列信号进行加权形成波束阵列滑窗技术，在波束形成时，随着波束指向的变化，动态改变参与波束形成的阵元，阵列中心始终指向目标方向，避免了固定阵列波束扫描时的波束主瓣展宽，使得波束扫描时增益保持一致，副瓣不升高。
本发明利用阵列滑窗的活动阵列重构，在波束扫描时，由于活动阵列随着波束指向动态改变，主瓣不会展宽，副瓣不升高，使得增益稳定，可以满足天线阵系统在波束扫描时对波束保形的需求。
本发明采用的波束形成技术可以应用在球面阵、柱面共形阵等天线系统中。
附图说明
图1是本发明基于阵列滑窗的保形数字波束形成系统的实施例原理框图。
图2表示本发明用于球面阵天线的外观形状示意图。
具体实施方式
为了进一步说明而不是限制本发明的上述实现方式，下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，但并不因此将本发明限制在所述的实施范围之中。所有这些构思应视为本技术所公开的内容和本发明的保护范围。
在图1描述的一个最佳实施例中,基于阵列滑窗的保形数字波束形成系统，包括接收阵列天线信号的信号缓冲池、活动阵列重构模块、加权矢量计算模块和波束形成模块。该基于阵列滑窗的保形DBF系统由信号缓冲池、活动阵列重构模块、加权矢量计算模块和波束形成模块构成的环路组成，其中，活动阵列重构模块根据天线波束指向形成活动阵列，活动阵列信号通过波束形成模块输入到加权矢量计算模块，加权矢量计算模块根据输入的波束指向计算得到活动阵列的加权矢量并输出到波束形成模块，波束形成模块对活动阵列信号进行加权形成波束，波束形成时，活动阵列的中心阵面的切向垂直于目标方向。波束指向随着目标移动始终保持指向目标，构成活动阵列的阵元也随之发射改变，从几何的角度看，构成活动阵列的天线阵元阵面随着目标的移动而在天线的阵面上滑动，活动阵列的阵面随着目标的移动而在共形天线的阵面上滑动，在滑动过程中，保持活动阵列中心阵元的法线与波束指向一致。
上述阵列天线可以是共形阵列天线或阵面为半球形的球面阵列天线。共形阵列天线的输出信号全部输入到信号缓冲池，波束形成模块根据波束指向的需要，选取其中一部分阵元构成阵列进行波束形成，参与波束形成的阵元构成的阵列成为活动阵列。共形阵列天线的活动阵列的阵元数量是相对固定的，不随着波束指向的变化而变化。共形阵列天线的阵元数量大于活动阵列的阵元数量，波束扫描时，活动阵列的阵元数量不变，波束主瓣不展宽，副瓣不升高。共形天线的输出信号全部输入到信号缓冲池，活动阵列重构模块根据波束指向形成活动阵列，只将活动阵列的信号输出到波束形成模块进行处理。
共形阵列天线阵面随着目标的移动，活动阵列的阵元也会相应变化，波束移动方向的阵元逐渐进入活动阵列，反向的阵元逐渐移出活动阵列，相当于活动阵列在滑动。
以共形阵列天线为例，共形阵列上面排列有1000个阵元，活动阵列的阵元数目设定为300。信号缓冲池接收共形阵列天线输出的1000路信号，活动阵列重构模块根据波束指向形成活动阵列，然后将活动阵列的300路信号传输到波束形成模块，加权矢量计算模块根据输入的波束指向计算得到活动阵列的加权矢量并输出到波束形成模块，波束形成模块对活动阵列的300路信号进行加权形成波束。
参阅图2。活动阵列的确定方法：根据系统增益要求确定活动阵列的阵元数目，以法线与目标方向一致的阵元为中心确定一个圆形区域，该区域内的阵元数目等于活动阵列要求的阵元数目。以球形阵列天线为例说明活动阵列的重构方法，如图2所示球形阵列天线，图中上半部分为球形阵列天线，下面的柱体为如图2所示安装平台。从球心向外看，球形阵列天线在球面上以目标方向为中心，取30度锥角区域内的单元作为活动阵列的阵元，数目为300。随着目标的移动，锥角30度内的球面上的阵元也会相应变化，波束移动方向的阵元逐渐进入活动阵列，反向的阵元逐渐移出活动阵列，相当于活动阵列在滑动。

Claims (6)

1.一种基于阵列滑窗的保形数字波束形成系统，包括接收阵列天线信号的信号缓冲池、活动阵列重构模块、加权矢量计算模块和波束形成模块，其特征在于，活动阵列重构模块根据天线波束指向形成活动阵列，活动阵列信号通过波束形成模块输入到加权矢量计算模块，加权矢量计算模块根据输入的波束指向计算得到活动阵列的加权矢量并输出到波束形成模块，波束形成模块对活动阵列信号进行加权形成波束，波束形成时，活动阵列的中心阵面的切向垂直于目标方向，波束指向随着目标移动始终保持指向目标，活动阵列的阵元也随之发射改变，构成活动阵列的天线阵元阵面随着目标的移动而在天线的阵面上滑动，在滑动过程中，保持活动阵列中心阵元的法线与波束指向一致。
2.按权利要求1所述的基于阵列滑窗的保形数字波束形成系统，其特征在于：共形阵列天线的阵元数量大于活动阵列的阵元数量，波束扫描时，活动阵列的阵元数量不变，波束主瓣不展宽，副瓣不升高。
3.按权利要求1或2所述的基于阵列滑窗的保形数字波束形成系统，其特征在于：共形天线的输出信号全部输入到信号缓冲池，活动阵列重构模块根据波束指向形成活动阵列，只将活动阵列的信号输出到波束形成模块进行处理。
4.按权利要求1或2所述的基于阵列滑窗的保形数字波束形成系统，其特征在于：共形阵列天线的输出信号全部输入到信号缓冲池，波束形成模块根据波束指向的需要，选取其中一部分阵元构成阵列进行波束形成。
5.按权利要求1或2所述的基于阵列滑窗的保形数字波束形成系统，其特征在于：根据数字波束形成系统增益要求确定活动阵列的阵元数目，以法线与目标方向一致的阵元为中心确定一个圆形区域，该区域内的阵元数目等于活动阵列要求的阵元数目。
6.按权利要求1或2所述的基于阵列滑窗的保形数字波束形成系统，其特征在于：共形阵列天线阵面随着目标的移动，活动阵列的阵元也会相应变化，波束移动方向的阵元逐渐进入活动阵列，反向的阵元逐渐移出活动阵列，相当于活动阵列在滑动。
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