CN106125050A - 一种基于cordic核的正弦空间内波控码计算方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于CORDIC核的正弦空间内波控码计算方法，采用CORDIC IP核完成三角函数计算，将三角函数转换到正弦空间域，在正弦空间域下计算波控码，结合多通道并行计算实现对多通道同时配相，从而实现快速波束控制，增强了可移植性，提高了波束指向精度，节省了硬件资源。

Description

一种基于CORDIC核的正弦空间内波控码计算方法
技术领域
本发明涉及一种基于CORDIC核的正弦空间内波控码计算方法。
背景技术
波束控制是相控阵雷达的重要组成部分，随着FPGA等集成电路的发展，波束控制系统开始向响应速度快、工作效率高、可移植性好等方向发展。目前，相控阵雷达波束控制的实现一般通过查表法和实时计算来完成，查表法常用于波位少、存储容量占用较小的情况，实时计算常用于波位多、存储容量需求较大的场合。另外，由于正弦空间内相控阵雷达的波束形状不随扫描角度的变化而展宽，该方法已经越来越多地被应用于波束控制的实现中。
目前，可查询到的与波束控制实现方法相关的专利主要有“二维数字阵列雷达数字波束形成系统及方法”(申请号CN201010509676)，专利“相控阵雷达电控波束稳定方法”(申请号CN201210488000)，这两项专利指出通过数值积分解算天线相对姿态，从坐标变化反推得到保持天线波束稳定所需的波束补偿角，计算得到的波束补偿角、目标方位误差角和俯仰误差角共同实现波束控制的方法，不涉及对波束控制的具体实现，与本专利不相关。在T/R波位信息计算方面，查询到的相关专利主要有“一种相控阵天线多波束自动校准装置及其自动校准方法”(申请号CN201510051961)，专利“用于实现相控阵天线全口径宽角收发波束的系统和方法”(申请号CN201410328640)，这两项专利均提出了通过存储T/R组件幅度、相位参数数据库信息，波束控制器调用该数据库的方式，实现T/R配相，属于查表法。另外，查询到的采用查表法实现波束控制的公开文献有《FPGA在相控阵波束控制器中的应用》，查询到的采用实时计算法实现波束控制的公开文献有《波束控制算法在FPGA中的实现》、《基于FPGA的波控系统设计与实现》、《一种基于FPGA的雷达波束控制系统设计》等，其实时计算过程中涉及到的三角函数计算部分均是通过查表或者上位机计算完成。
发明内容
本发明提供一种基于CORDIC核的正弦空间内波控码计算方法，采用CORDIC IP核完成三角函数计算，结合多通道并行计算实现对多通道同时配相，从而实现快速波束控制，增强了可移植性，提高了波束指向精度，节省了硬件资源。
为了达到上述目的，本发明提供一种基于CORDIC核的正弦空间内波控码计算方法，包含：
步骤S1、波控机调用CORDIC IP核，根据接收到的方位角和俯仰角分别计算出方位角的正余弦信息以及俯仰角的正余弦信息；
步骤S2、将方位角的余弦与俯仰角的正弦相乘，得到正弦空间下的U维信息，将方位角的正弦与俯仰角的正弦相乘，得到正弦空间下的V维信息；
步骤S3、将U维信息与波数、行间距、行坐标相乘后的结果与V维信息与波数、列间距、列坐标相乘后的结果相加，得到最初的波控码，将最初的波控码除以移相间隔得到量化后的波控码；
步骤S4、将TR组件的初相移相补偿码与量化后的波控码相加，得到能对TR组件进行控制的波控码。
波控机并行计算多个通道的波控码，实现对多个通道的同时配相。
所述的CORDIC IP核位于FPGA内部。
所述的TR组件的初相移相补偿码存储在ROM中。
本发明具有如下优点：
1、波束控制灵活，给出任意角度的波束指向，可以实时计算出相应的波控码。
2、正弦空间下天线方向图形状不随扫描角变化，只相当于在坐标轴上的平移，该平移量正比于相邻天线单元之间的相位差，增强了可移植性。
3、占用硬件资源少，不需要将波位信息存储在ROM中，大大节省了硬件资源。
4、将TR组件的初始相位信息存储在ROM中，提高了波束指向精度。
5、模块化设计，易于移植，以往的设计中将正弦空间下三角函数变换运算通过DSP实现，波束控制受制于前端数据处理，不利于模块化移植，从而影响研制周期。
附图说明
图1是本发明提供的一种基于CORDIC核的正弦空间内波控码计算方法的流程图。
图2是CORDIC IP核的示意图。
图3是正弦空间坐标系示意图。
图4是波控码计算结果仿真图。
具体实施方式
以下根据图1～图4，具体说明本发明的较佳实施例。
本发明提供一种基于CORDIC核的正弦空间内波控码计算方法，包含：
步骤S1、波控机调用FPGA内部的CORDIC IP核，根据接收到的角度信息计算出方位角的正余弦信息以及俯仰角的正余弦信息；
步骤S2、将方位角的余弦与俯仰角的正弦相乘，得到正弦空间下的U维信息，将方位角的正弦与俯仰角的正弦相乘，得到正弦空间下的V维信息；
步骤S3、将U维信息与波数、行间距、行坐标相乘后的结果与V维信息与波数、列间距、列坐标相乘后的结果相加，得到最初的波控码，将最初的波控码除以移相间隔得到量化后的波控码；
步骤S4、将ROM中存储的TR组件的初相移相补偿码与量化后的波控码相加，得到能对TR组件进行控制的波控码。
所述的步骤S1中，角度信息包含相控阵天线波束的方位角和俯仰角，角度信息是通过对来自上位机或者信处机的通信码进行解码得到的。
如图1所示，在本发明的一个具体实施例中，以模块易移植和实时性高为出发点，将包括三角函数计算在内的步骤均搬到FPGA平台中，实现基于CORDIC IP核的正弦空间内波控码计算，具体包含以下步骤：
步骤1、波控机将接收到的方位角和俯仰角θ分别送入CORDIC IP核，计算得到方位角的正弦值和余弦值以及俯仰角的正弦值sin(θ)和余弦值cos(θ)；
图2是CORDIC IP核模块图，图中，PHASE_IN[N-1:0]为输入的角度信息，可选角度模式或者弧度模式，该变量为浮点数，具体定义为PHASE_IN[N-1]为符号位，PHASE_IN[N-2:N-3]为整数部分，PHASE_IN[N-4:0]为小数部分扩大2N-3后的结果；CE为使能信号，高电平有效；CLK为时钟信号；COS_OUT[N-1:0]为计算得到的余弦结果，SIN_OUT[N-1:0]为计算得到的正弦结果，余弦结果和正弦结果都是浮点数，以余弦为例，具体定义为COS_OUT[N-1]为符号位，COS_OUT[N-2]为整数部分，COS_OUT[N-3:0]为小数部分扩大2N-2后的结果；RDY为计算完成标志，高电平有效。
步骤2、俯仰角的正弦值sin(θ)与方位角的余弦值经过乘法器得到正弦空间域的U维信息，俯仰角的正弦值sin(θ)与方位角的正弦值经过乘法器得到正弦空间域的V维信息；
图3是正弦空间坐标系示意图，正弦空间是经天线波束扫描角的“sin”为坐标建立的坐标系，即采用方位角、俯仰角的正余弦来描述的坐标系统，是单位球在阵列平面上的投影，从图3中可以看出，正弦空间域下的波束为角度域的波束在正弦空间坐标系上的投影，其波束形状不随扫描角度的变化而变化。
步骤3、将正弦空间域中U维信息与波数(f为雷达发射信号的载频，c为光速)、行间距d1、行坐标m(以N×N的二维阵为例，m的取值范围为0至N-1)相乘后的结果与V维信息与波数列间距d2、列坐标n(以N×N的二维阵为例，n的取值范围为0至N-1)相乘后的结果相加，得到初步计算的第m行n列TR通道对应的波控码，根据移相器位数决定的最小移相间隔，将最初的波控码除以最小移相间隔得到量化后的理论波控码；
步骤4、将理论波控码与ROM中提取的TR组件的初相移相补偿码相加，即可得到最终可以控制TR组件的波控码。
图4为波控码计算结果仿真图，从图中可以看出，波控机可以并行计算出多个通道的波控码，进而可以实现对多个TR组件同时配相。
本发明具有如下优点：
1、波束控制灵活，给出任意角度的波束指向，可以实时计算出相应的波控码。
2、正弦空间下天线方向图形状不随扫描角变化，只相当于在坐标轴上的平移，该平移量正比于相邻天线单元之间的相位差，增强了可移植性。
3、占用硬件资源少，不需要将波位信息存储在ROM中，大大节省了硬件资源。
4、将TR组件的初始相位信息存储在ROM中，提高了波束指向精度。
5、模块化设计，易于移植，以往的设计中将正弦空间下三角函数变换运算通过DSP实现，波束控制受制于前端数据处理，不利于模块化移植，从而影响研制周期。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (4)

1.一种基于CORDIC核的正弦空间内波控码计算方法，其特征在于，包含：
步骤S1、波控机调用CORDIC IP核，根据接收到的方位角和俯仰角分别计算出方位角的正余弦信息以及俯仰角的正余弦信息；
步骤S2、将方位角的余弦与俯仰角的正弦相乘，得到正弦空间下的U 维信息，将方位角的正弦与俯仰角的正弦相乘，得到正弦空间下的V 维信息；
步骤S3、将U 维信息与波数、行间距、行坐标相乘后的结果与V 维信息与波数、列间距、列坐标相乘后的结果相加，得到最初的波控码，将最初的波控码除以移相间隔得到量化后的波控码；
步骤S4、将TR组件的初相移相补偿码与量化后的波控码相加，得到能对TR组件进行控制的波控码。
2.如权利要求1所述的基于CORDIC核的正弦空间内波控码计算方法，其特征在于，波控机并行计算多个通道的波控码，实现对多个通道的同时配相。
3.如权利要求2所述的基于CORDIC核的正弦空间内波控码计算方法，其特征在于，所述的CORDIC IP核位于FPGA内部。
4.如权利要求2所述的基于CORDIC核的正弦空间内波控码计算方法，其特征在于，所述的TR组件的初相移相补偿码存储在ROM中。
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