CN107402371A - 一种智能天线阵 - Google Patents

一种智能天线阵 Download PDF

Info

Publication number
CN107402371A
CN107402371A CN201610343621.9A CN201610343621A CN107402371A CN 107402371 A CN107402371 A CN 107402371A CN 201610343621 A CN201610343621 A CN 201610343621A CN 107402371 A CN107402371 A CN 107402371A
Authority
CN
China
Prior art keywords
antenna array
smart antenna
covariance matrix
unit
bay
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201610343621.9A
Other languages
English (en)
Inventor
胡楠
许强
赵雪
王平
徐晓丹
张志芳
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
National Ocean Technology Center
Tianjin Aerospace Zhongwei Date Systems Technology Co Ltd
Original Assignee
National Ocean Technology Center
Tianjin Aerospace Zhongwei Date Systems Technology Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by National Ocean Technology Center, Tianjin Aerospace Zhongwei Date Systems Technology Co Ltd filed Critical National Ocean Technology Center
Priority to CN201610343621.9A priority Critical patent/CN107402371A/zh
Publication of CN107402371A publication Critical patent/CN107402371A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S3/00—Direction-finders for determining the direction from which infrasonic, sonic, ultrasonic, or electromagnetic waves, or particle emission, not having a directional significance, are being received
    • G01S3/02—Direction-finders for determining the direction from which infrasonic, sonic, ultrasonic, or electromagnetic waves, or particle emission, not having a directional significance, are being received using radio waves
    • G01S3/04—Details
    • G01S3/12—Means for determining sense of direction, e.g. by combining signals from directional antenna or goniometer search coil with those from non-directional antenna
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q21/00—Antenna arrays or systems
    • H01Q21/29—Combinations of different interacting antenna units for giving a desired directional characteristic
    • H01Q21/293—Combinations of different interacting antenna units for giving a desired directional characteristic one unit or more being an array of identical aerial elements

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)

Abstract

本发明实施例公开了一种智能天线阵，应用于无人机测控通信系统中。本发明实施例中的智能天线阵包括：阵列天线单元、协方差矩阵生成单元、特征值分解单元、谱峰搜索单元、最优权值计算与波束成形单元；根据上述各个单元实现：对阵列天线单元获取到的采样数据进行处理，得到智能天线阵在不同方位角上的空间谱功率，进而得到目标方位角，最终通过目标方位角，确定出智能天线阵的波束权值，并将采样数据和波束权值的处理结果发送给收发信机。通过上述实现方式，本发明实施例中的智能天线阵相比于传统的伺服天线，具有设备质量轻、成本低、机动性灵活性强和跟踪速度快等优势，能够在保证高增益的同时正确完成波束指向。

Description

一种智能天线阵
技术领域
本发明涉及导航通信技术领域，尤其涉及一种智能天线阵。
背景技术
随着我国对于空天信息需求的不断增加，具有成本低、机动灵活、风险小和隐蔽性强等特点的无人机越来越多地应用到民用和军用领域。在小型化轻量化已成为当前无人机测控通信设备发展新方向的同时，功耗低、增益高、抗干扰能力强和支持一站多机等一系列需求使得智能天线技术在无人机测控通信领域具有广阔的应用前景和技术优势。
智能天线阵是N列取向相同的天线按照一定方式排列和激励，利用波的干涉原理形成预定波束的阵列结构天线。智能天线阵可以通过阵元信号的权值来改变阵列的方向图形，即自适应或以预制方式控制波束宽度、指向和零点位置，使波束指向期望的方向，实现波束跟踪。
综上，目前亟需一种智能天线阵，用于无人机地面测控通信系统中，实现在保证高增益的同时正确完成波束指向。
发明内容
本发明实施例提供一种智能天线阵，该智能天线阵应用于无人机测控通信系统中，实现在保证高增益的同时正确完成波束指向。
本发明实施例提供的一种智能天线阵，该智能天线阵应用于无人机测控通信系统中，该智能天线阵包括：阵列天线单元、与所述阵列天线单元连接的协方差矩阵生成单元、与所述协方差矩阵生成单元连接的特征值分解单元、与所述特征值分解单元连接的谱峰搜索单元、与所述谱峰搜索单元和所述阵列天线单元连接的最优权值计算与波束成形单元；
所述阵列天线单元，用于通过N个天线阵元接收射频信号，根据接收到的射频信号得到采样数据，并将所述采样数据发送给所述协方差矩阵生成单元和所述最优权值计算与波束成形单元；
所述协方差矩阵生成单元，用于根据接收到的N个天线阵元的采样数据，确定所述N个天线阵元的协方差矩阵，并将所述协方差矩阵发送给特征值分解单元；
所述特征值分解单元，用于对接收到的协方差矩阵进行特征值分解，根据特征值分解得到的特征值和特征向量以及信源个数，确定噪声子空间，并将所述噪声子空间发送给所述谱峰搜索单元；
所述谱峰搜索单元，用于根据接收到的所述噪声子空间，计算所述智能天线阵在不同方位角上的空间谱功率，将所述空间谱功率最大值所对应的方位角确定为目标方位角，并将所述目标方位角发送给所述最优权值计算与波束成形单元；
所述最优权值计算与波束成形单元，用于根据接收到的目标方位角，确定所述智能天线阵的波束权值，采用所述波束权值对接收到的所述采样数据进行加权处理后，得到目标数据，并将所述目标数据发送给收发信机。
较佳地，所述阵列天线单元包括N个天线阵元和与各个天线阵元对应的微波前端；
所述微波前端，用于对与该微波前端对应的天线阵元接收到的射频信号进行处理，以得到该天线阵元的采样数据。
较佳地，所述协方差矩阵生成单元，用于根据接收到的N个天线阵元的采样数据，确定所述N个天线阵元的协方差矩阵，包括：
所述协方差矩阵生成单元根据以下公式通过所述加/减法器、所述乘法器、所述累加器得到所述智能天线阵的协方差矩阵：
Y1＝[y1,y2,y3,yN/2]
Y2＝[y1+N/2,y2+N/2,…,yN]
其中，ym＝Im+jQm,m＝1,2L N；Im，Qm分别为第m天线阵元所对应的I路数据和Q路数据；所述第m天线阵元所对应的I路数据和Q路数据是根据所述第m天线阵元接收到的射频信号的采样数据得到的；
Rrr为所述智能天线阵的协方差矩阵。
较佳地，所述协方差矩阵生成单元包括FIFO缓存器、与所述FIFO缓存器连接的加/减法器、与所述加/减法器连接的第一寄存器、与所述第一寄存器连接的乘法器、与乘法器连接的累加器、与所述累加器连接的第二寄存器；
所述FIFO缓存器，用于在接收到所述N个天线阵元的I路数据和Q路数据后，将所述N个天线阵元的I路数据和Q路数据发送给所述加/减法器；所述N个天线阵元的I路数据和Q路数据是根据所述N个天线阵元的采样数据得到的；
所述加/减法器，用于对所述N个天线阵元的I路数据和Q路数据进行加减处理，并将加减操作的结果存入第一寄存器；
所述第一寄存器，用于将所述加减操作的结果发送给所述乘法器；
所述乘法器，用于对所述加减操作的结果进行相乘操作，并将相乘操作的结果发送给累加器；
所述累加器，用于对所述相乘操作的结果进行累加操作，并将累加操作的结果发送给第二寄存器；
所述第二寄存器将所述累加操作的结果发送给所述特征值分解单元。
较佳地，所述协方差矩阵生成单元还包括分别与所述加/减法器、所述乘法器和所述累加器连接的状态机；
所述状态机，用于控制所述加/减法器、所述乘法器和所述累加器操作的时序，以及按照设定周期向所述特征值分解单元发送握手信号，以通知所述特征值分解单元接收所述第二寄存器发送的所述累加操作的结果。
较佳地，所述特征值分解单元包括应答模块，数据重组模块和特征值分解模块；
所述特征值分解单元，用于对接收到的协方差矩阵进行特征值分解，根据特征值分解得到的特征值和特征向量以及信源个数，确定噪声子空间，包括：
所述应答模块，用于接收到所述状态机发送的握手信号后，通知所述数据重组模块准备接收数据，并向所述协方差矩阵生成单元返回应答信号，以使所述协方差矩阵中的第二寄存器输出所述累加操作的结果；
所述数据重组模块，用于接收所述第二寄存器输出的所述累加操作的结果，对所述累加操作的结果进行数据重组，得到实对称协方差矩阵的上三角元素，并根据对称性恢复出所述协方差矩阵；
所述特征值分解模块，用于对所述协方差矩阵进行特征值分解，得到所述N个天线阵元的特征值和特征向量，并将N-P个特征值对应的特征向量组成噪声子空间；所述N-P个特征值均小于P个特征值；P为信源个数。
较佳地，所述谱峰搜索单元，用于根据接收到的所述噪声子空间，计算所述智能天线阵在不同方位角上的空间谱功率，包括：
通过如下公式计算所述智能天线阵在不同方位角上的空间谱功率：
其中，θ为方位角，取值范围为[-π,+π]；
P(θ)为所述智能天线阵在方位角θ上的空间谱功率；a(θ)为预先存储的方向矢量；f为接收信号频率；d为阵元间距；c为光速；
UN-P为所述N-P个特征值对应的特征向量组成的噪声子空间，H表示共轭转置操作。
较佳地，所述最优权值计算与波束成形单元，用于根据接收到的目标方位角，确定所述智能天线阵的波束权值，包括：
通过如下公式确定所述智能天线阵的波束权值：
[w1 w2 L wN]＝[cos(πfd sinγ/c)cos(3πfd sinγ/c)cos(5πfd sinγ/c)cos(7πfd sinγ/c)
-sin(πfd sinγ/c)-sin(3πfd sinγ/c)-sin(5πfd sinγ/c)-sin(7πfd sinγ/c)]
其中，[w1 w2 L wN]为智能天线阵的波束权值；
γ为目标方位角；c为光速。
较佳地，所述最优权值计算与波束成形单元采用所述波束权值对接收到的所述采样数据进行加权处理后，得到目标数据，包括：
通过以下公式得到所述目标数据：
其中，Z为所述目标数据；wm为第m天线阵元的波束权值；rm为第m天线阵元的采样数据；m＝1,2L N。
较佳地，所述天线阵元为线极化全向天线。
本发明的上述实施例中的智能天线阵应用于无人机测控通信系统中，该智能天线阵包括：阵列天线单元、与阵列天线单元连接的协方差矩阵生成单元、与协方差矩阵生成单元连接的特征值分解单元、与特征值分解单元连接的谱峰搜索单元、与谱峰搜索单元和阵列天线单元连接的最优权值计算与波束成形单元；其中，阵列天线单元，用于通过N个天线阵元接收射频信号，根据接收到的射频信号得到采样数据，并将采样数据发送给协方差矩阵生成单元和最优权值计算与波束成形单元；协方差矩阵生成单元，用于根据接收到的N个天线阵元的采样数据，确定N个天线阵元的协方差矩阵，并将协方差矩阵发送给特征值分解单元；特征值分解单元，用于对接收到的协方差矩阵进行特征值分解，根据特征值分解得到的特征值和特征向量以及信源个数，确定噪声子空间，并将噪声子空间发送给谱峰搜索单元；谱峰搜索单元，用于根据接收到的噪声子空间，计算智能天线阵在不同方位角上的空间谱功率，将空间谱功率最大值所对应的方位角确定为目标方位角，并将目标方位角发送给最优权值计算与波束成形单元；最优权值计算与波束成形单元，用于根据接收到的目标方位角，确定智能天线阵的波束权值，采用波束权值对接收到的采样数据进行加权处理后，得到目标数据，并将目标数据发送给收发信机。本发明实施例中，根据上述各个单元实现：对阵列天线单元获取到的采样数据进行处理，得到智能天线阵在不同方位角上的空间谱功率，进而得到目标方位角，最终通过目标方位角，确定出智能天线阵的波束权值，随后将采样数据和波束权值的处理结果发送给收发信机，通过上述实现方式，本发明实施例中的智能天线阵相比于传统的伺服天线，具有设备质量轻、成本低、机动性灵活性强和跟踪速度快等优势，能够在保证高增益的同时正确完成波束指向。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简要介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种智能天线阵的架构示意图；
图2为本发明实施例提供的阵列天线单元的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的协方差矩阵生成单元的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的特征值分解单元的结构示意图；
图5为本发明实施例提供的谱峰搜索单元的结构示意图；
图6为本发明实施例提供的最优权值计算与波束成形单元的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
图1为本发明实施例提供的一种智能天线阵的架构示意图。如图1所示，本发明实施例中的智能天线阵100包括阵列天线单元101、与所述阵列天线单元101连接的协方差矩阵生成单元102、与所述协方差矩阵生成单元102连接的特征值分解单元103、与所述特征值分解单元103连接的谱峰搜索单元104、与所述谱峰搜索单元104和所述阵列天线单元101连接的最优权值计算与波束成形单元105，还包括收发信机200。
所述阵列天线单元101，用于通过N个天线阵元接收射频信号，根据接收到的射频信号得到采样数据，并将所述采样数据发送给所述协方差矩阵生成单元102和所述最优权值计算与波束成形单元105；
所述协方差矩阵生成单元102，用于根据接收到的N个天线阵元的采样数据，确定所述N个天线阵元的协方差矩阵，并将所述协方差矩阵发送给特征值分解单元103；
所述特征值分解单元103，用于对接收到的协方差矩阵进行特征值分解，根据特征值分解得到的特征值和特征向量以及信源个数，确定噪声子空间，并将所述噪声子空间发送给所述谱峰搜索单元104；
所述谱峰搜索单元104，用于根据接收到的所述噪声子空间，计算所述智能天线阵在不同方位角上的空间谱功率，将所述空间谱功率最大值所对应的方位角确定为目标方位角，并将所述目标方位角发送给所述最优权值计算与波束成形单元105；
所述最优权值计算与波束成形单元105，用于根据接收到的目标方位角，确定所述智能天线阵的波束权值，采用所述波束权值对接收到的所述采样数据进行加权处理后，得到目标数据，并将所述目标数据发送给收发信机200。
本发明实施例中，根据上述各个单元实现：对阵列天线单元获取到的采样数据进行处理，得到智能天线阵在不同方位角上的空间谱功率，进而得到目标方位角，最终通过目标方位角，确定出智能天线阵的波束权值，随后将采样数据和波束权值的处理结果发送给收发信机，通过上述实现方式，本发明实施例中的智能天线阵相比于传统的伺服天线，具有设备质量轻、成本低、机动性灵活性强和跟踪速度快等优势，能够在保证高增益的同时正确完成波束指向。
本发明实施例中，智能天线阵一般采用4～16天线阵元结构，天线阵元间距为1/2波长，若阵元间距过大，则接收信号彼此相关程度降低，太小则会在方向图形成不必要的栅瓣，故本发明实施例中优选取半波长。天线阵元的分布方式可以有直线型、圆环型和平面型，本发明实施例以直线型为例进行说明。
图2为本发明实施例提供的阵列天线单元的结构示意图，其中，天线阵元为杆状天线，该杆状天线为线极化全向天线。
如图2所示，所述阵列天线单元包括天线阵元a1、天线阵元a2、…、天线阵元aN和与各个天线阵元对应的微波前端b1、微波前端b2、…、微波前端bN。天线阵元a1与微波前端b1连接，天线阵元a2微波前端b2接，……，天线阵元aN与微波前端bN连接。阵列天线单元中的N根杆状天线水平并排等间距固定在天线支架201上，同时在各个杆状天线的中部和顶部利用连接器202固定。
微波前端主要由双工器、功率放大器和低噪声放大器组成，电磁波通过天线阵元接收变为射频信号，并通过低噪放进入接收系统，同时发射系统输出的射频信号经过功放到达天线，并发射出去。
图3为本发明实施例提供的协方差矩阵生成单元的结构示意图。如图3所示，协方差矩阵生成单元包括FIFO(First Input First Output，先进先出队列)缓存器、与所述FIFO缓存器连接的加/减法器、与所述加/减法器连接的第一寄存器、与所述第一寄存器连接的乘法器、与乘法器连接的累加器、与所述累加器连接的第二寄存器以及分别与所述加/减法器、所述乘法器和所述累加器连接的状态机。
所述FIFO缓存器，用于在接收到所述N个天线阵元的I路数据和Q路数据后，将所述N个天线阵元的I路数据和Q路数据发送给所述加/减法器；所述N个天线阵元的I路数据和Q路数据是根据所述N个天线阵元的采样数据得到的；所述加/减法器，用于对所述N个天线阵元的I路数据和Q路数据进行加减处理，并将加减操作的结果存入第一寄存器；所述第一寄存器，用于将所述加减操作的结果发送给所述乘法器；所述乘法器，用于对所述加减操作的结果进行相乘操作，并将相乘操作的结果发送给累加器；所述累加器，用于对所述相乘操作的结果进行累加操作，并将累加操作的结果发送给第二寄存器；所述第二寄存器将所述累加操作的结果发送给所述特征值分解单元；所述状态机，用于控制所述加/减法器、所述乘法器和所述累加器操作的时序，以及按照设定周期向所述特征值分解单元发送握手信号，以通知所述特征值分解单元接收所述第二寄存器发送的所述累加操作的结果。
本发明实施例中，状态机可以通过串口向特征值分解单元发送握手信号。
下面以阵列天线单元包括八个天线阵元的均匀直线阵(N＝8)为例，结合图3对本发明实施例中协方差矩阵的生成过程进行具体说明。
对于八个天线阵元的均匀直线阵，可将其划分成关于中心点对称的两个子阵，分别为子阵U1和子阵U2，因此，可以采用Y1和Y2来表示子阵U1和子阵U2所对应的接收数据：
Y1＝[y1,y2,y3,y4]，Y2＝[y5,y6,y7,y8]
其中，ym＝Im+jQm,m＝1,2L 8；Im，Qm分别为第m天线阵元所对应的I路数据和Q路数据；所述第m天线阵元所对应的I路数据和Q路数据是根据所述第m天线阵元接收到的射频信号的采样数据得到的。
随后，根据如下公式可得到智能天线阵的协方差矩阵：
其中，Rrr为所述智能天线阵的协方差矩阵。
具体实现过程中，由于Rrr为实对称矩阵，即只需要计算其上三角元素，且上三角各元素的计算只需用到I2±I3，I1±I4，Q3±Q2，Q4±Q1，I6±I7，I5±I8，Q7±Q6，Q8±Q5，因此，可先将根据采样数据得到的I路数据和Q路数据存入FIFO缓存器中，之后将I路数据和Q路数据送入加/减法器模块完成如下加减操作：
I2±I3，I1±I4，Q3±Q2，Q4±Q1，I6±I7，I5±I8，Q7±Q6，Q8±Q5
通过加/减法器进行加减操作后，将加减操作的结果存入第一寄存器，然后通过乘法器对加减操作的结果进行相乘操作，并通过累加器对相乘操作的结果进行累加操作，完成上三角所有元素的计算，最终将得到的36个上三角元素存入第二寄存器并输出，每个元素用3个字节表示，总共108个字节。同时利用状态机控制整个协方差矩阵生成单元的时序，并提供相应控制信号。
图4为本发明实施例提供的特征值分解单元的结构示意图。如图4所示，特征值分解单元包括应答模块401，数据重组模块402和特征值分解模块403。
所述应答模块401，用于接收到所述状态机发送的握手信号后，通知所述数据重组模块准备接收数据，并向所述协方差矩阵生成单元返回应答信号，以使所述协方差矩阵中的第二寄存器输出所述累加操作的结果；
所述数据重组模块402，用于接收所述第二寄存器输出的所述累加操作的结果，对所述累加操作的结果进行数据重组，得到实对称协方差矩阵的上三角元素，并根据对称性恢复出所述协方差矩阵；
所述特征值分解模块403，用于对所述协方差矩阵进行特征值分解，得到所述N个天线阵元的特征值和特征向量，并将N-P个特征值对应的特征向量组成噪声子空间；所述N-P个特征值均小于P个特征值；P为信源个数。
具体地，由于协方差矩阵生成单元中的第二寄存器每次输出的数据为108个字节，特征值分解单元接收到108个字节的数据后，通过数据重组模块402进行数据重组，以每3个字节为一组组成一个元素，总共36个元素，即为实对称协方差矩阵的上三角元素，并利用对称性恢复出实对称协方差矩阵Rrr。
通过特征值分解模块403对协方差矩阵Rrr进行特征值分解后，得到特征值和特征向量。将特征值按从大到小的顺序排列，特征向量与特征值一一对应，并根据信源个数P，取前P个最大特征值所对应特征向量组成信号子空间，剩下的N-P个特征向量组成噪声子空间。
本发明实施例中，取信源个数P等于1，若N＝8，则噪声子空间是由7个特征向量组成的。
图5为本发明实施例提供的谱峰搜索单元的结构示意图，如图5所示，该谱峰搜索单元包括空间谱功率计算模块501、比较模块502、确定方位角模块503、存储器504。
本发明实施例中，谱峰搜索单元与特征分解单元相连接，利用噪声子空间与信号方向矢量的正交性，在整个空间内进行谱峰搜索。
具体地，存储器504中预先存储有方向矢量。空间谱功率计算模块501将接收到的噪声子空间与存储器中预存的方向矢量通过如下计算公式进行计算：
其中，θ为方位角，取值范围为[-π,+π]；P(θ)为所述智能天线阵在方位角θ上的空间谱功率；a(θ)为预先存储的方向矢量；UN-P为所述N-P个特征值对应的特征向量组成的噪声子空间，H表示共轭转置操作；f为接收信号频率；d为阵元间距；c为光速。
由于最小值对应P(θ)最大值，本发明实施例中，为了降低计算量、减少处理负担，可以仅计算的值，通过比较模块502比较的值，得到最小值，并通过确定方位角模块503将最小值所对应的方位角确定为目标方位角。
图6为本发明实施例提供的最优权值计算与波束成形单元的结构示意图，如图6所示，该最优权值计算与波束成形单元包括权值生成模块601、计算模块602。其中，所述计算模块602主要由多个乘法器和累加器构成。
具体地，权值生成模块601通过如下公式确定所述智能天线阵的波束权值：
[w1 w2 L wN]＝[cos(πfd sinγ/c)cos(3πfd sinγ/c)cos(5πfd sinγ/c)cos(7πfd sinγ/c)
-sin(πfd sinγ/c)-sin(3πfd sinγ/c)-sin(5πfd sinγ/c)-sin(7πfd sinγ/c)]
其中，[w1 w2 L wN]为智能天线阵的波束权值；
γ为目标方位角；c为光速。
通过所述权值生成模块得到智能天线阵的波束权值后，计算模块602通过以下公式得到所述目标数据：
其中，Z为所述目标数据；wm为第m天线阵元的波束权值；rm为第m天线阵元的采样数据；m＝1,2L N。
从上述内容可以看出：本发明实施例中的智能天线阵应用于无人机测控通信系统中，该智能天线阵包括：阵列天线单元、与阵列天线单元连接的协方差矩阵生成单元、与协方差矩阵生成单元连接的特征值分解单元、与特征值分解单元连接的谱峰搜索单元、与谱峰搜索单元和阵列天线单元连接的最优权值计算与波束成形单元；其中，阵列天线单元，用于通过N个天线阵元接收射频信号，根据接收到的射频信号得到采样数据，并将采样数据发送给协方差矩阵生成单元和最优权值计算与波束成形单元；协方差矩阵生成单元，用于根据接收到的N个天线阵元的采样数据，确定N个天线阵元的协方差矩阵，并将协方差矩阵发送给特征值分解单元；特征值分解单元，用于对接收到的协方差矩阵进行特征值分解，根据特征值分解得到的特征值和特征向量以及信源个数，确定噪声子空间，并将噪声子空间发送给谱峰搜索单元；谱峰搜索单元，用于根据接收到的噪声子空间，计算智能天线阵在不同方位角上的空间谱功率，将空间谱功率最大值所对应的方位角确定为目标方位角，并将目标方位角发送给最优权值计算与波束成形单元；最优权值计算与波束成形单元，用于根据接收到的目标方位角，确定智能天线阵的波束权值，采用波束权值对接收到的采样数据进行加权处理后，得到目标数据，并将目标数据发送给收发信机。本发明实施例中，根据上述各个单元实现：对阵列天线单元获取到的采样数据进行处理，得到智能天线阵在不同方位角上的空间谱功率，进而得到目标方位角，最终通过目标方位角，确定出智能天线阵的波束权值，随后将采样数据和波束权值的处理结果发送给收发信机，通过上述实现方式，本发明实施例中的智能天线阵相比于传统的伺服天线，具有设备质量轻、成本低、机动性灵活性强和跟踪速度快等优势，能够在保证高增益的同时正确完成波束指向。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种智能天线阵，其特征在于，该智能天线阵应用于无人机测控通信系统中，该智能天线阵包括：阵列天线单元、与所述阵列天线单元连接的协方差矩阵生成单元、与所述协方差矩阵生成单元连接的特征值分解单元、与所述特征值分解单元连接的谱峰搜索单元、与所述谱峰搜索单元和所述阵列天线单元连接的最优权值计算与波束成形单元；
所述阵列天线单元，用于通过N个天线阵元接收射频信号，根据接收到的射频信号得到采样数据，并将所述采样数据发送给所述协方差矩阵生成单元和所述最优权值计算与波束成形单元；
所述协方差矩阵生成单元，用于根据接收到的N个天线阵元的采样数据，确定所述N个天线阵元的协方差矩阵，并将所述协方差矩阵发送给特征值分解单元；
所述特征值分解单元，用于对接收到的协方差矩阵进行特征值分解，根据特征值分解得到的特征值和特征向量以及信源个数，确定噪声子空间，并将所述噪声子空间发送给所述谱峰搜索单元；
所述谱峰搜索单元，用于根据接收到的所述噪声子空间，计算所述智能天线阵在不同方位角上的空间谱功率，将所述空间谱功率最大值所对应的方位角确定为目标方位角，并将所述目标方位角发送给所述最优权值计算与波束成形单元；
所述最优权值计算与波束成形单元，用于根据接收到的目标方位角，确定所述智能天线阵的波束权值，采用所述波束权值对接收到的所述采样数据进行加权处理后，得到目标数据，并将所述目标数据发送给收发信机。
2.如权利要求1所述的智能天线阵，其特征在于，所述阵列天线单元包括N个天线阵元和与各个天线阵元对应的微波前端；
所述微波前端，用于对与该微波前端对应的天线阵元接收到的射频信号进行处理，以得到该天线阵元的采样数据。
3.如权利要求1所述的智能天线阵，其特征在于，所述协方差矩阵生成单元，用于根据接收到的N个天线阵元的采样数据，确定所述N个天线阵元的协方差矩阵，包括：
所述协方差矩阵生成单元根据以下公式通过所述加/减法器、所述乘法器、所述累加器得到所述智能天线阵的协方差矩阵：
Y＝[y1，y2，y3，yN/2]
Y2＝[y1+N/2，y2+N/2，…，yN]
其中，ym＝Im+jQm,m＝1,2L N；Im，Qm分别为第m天线阵元所对应的I路数据和Q路数据；所述第m天线阵元所对应的I路数据和Q路数据是根据所述第m天线阵元接收到的射频信号的采样数据得到的；
Rrr为所述智能天线阵的协方差矩阵。
4.如权利要求1所述的智能天线阵，其特征在于，所述协方差矩阵生成单元包括FIFO缓存器、与所述FIFO缓存器连接的加/减法器、与所述加/减法器连接的第一寄存器、与所述第一寄存器连接的乘法器、与乘法器连接的累加器、与所述累加器连接的第二寄存器；
所述FIFO缓存器，用于在接收到所述N个天线阵元的I路数据和Q路数据后，将所述N个天线阵元的I路数据和Q路数据发送给所述加/减法器；所述N个天线阵元的I路数据和Q路数据是根据所述N个天线阵元的采样数据得到的；
所述加/减法器，用于对所述N个天线阵元的I路数据和Q路数据进行加减处理，并将加减操作的结果存入第一寄存器；
所述第一寄存器，用于将所述加减操作的结果发送给所述乘法器；
所述乘法器，用于对所述加减操作的结果进行相乘操作，并将相乘操作的结果发送给累加器；
所述累加器，用于对所述相乘操作的结果进行累加操作，并将累加操作的结果发送给第二寄存器；
所述第二寄存器将所述累加操作的结果发送给所述特征值分解单元。
5.如权利要求4所述的智能天线阵，其特征在于，所述协方差矩阵生成单元还包括分别与所述加/减法器、所述乘法器和所述累加器连接的状态机；
所述状态机，用于控制所述加/减法器、所述乘法器和所述累加器操作的时序，以及按照设定周期向所述特征值分解单元发送握手信号，以通知所述特征值分解单元接收所述第二寄存器发送的所述累加操作的结果。
6.如权利要求5所述的智能天线阵，其特征在于，所述特征值分解单元包括应答模块，数据重组模块和特征值分解模块；
所述特征值分解单元，用于对接收到的协方差矩阵进行特征值分解，根据特征值分解得到的特征值和特征向量以及信源个数，确定噪声子空间，包括：
所述应答模块，用于接收到所述状态机发送的握手信号后，通知所述数据重组模块准备接收数据，并向所述协方差矩阵生成单元返回应答信号，以使所述协方差矩阵中的第二寄存器输出所述累加操作的结果；
所述数据重组模块，用于接收所述第二寄存器输出的所述累加操作的结果，对所述累加操作的结果进行数据重组，得到实对称协方差矩阵的上三角元素，并根据对称性恢复出所述协方差矩阵；
所述特征值分解模块，用于对所述协方差矩阵进行特征值分解，得到所述N个天线阵元的特征值和特征向量，并将N-P个特征值对应的特征向量组成噪声子空间；所述N-P个特征值均小于P个特征值；P为信源个数。
7.如权利要求1所述的智能天线阵，其特征在于，所述谱峰搜索单元，用于根据接收到的所述噪声子空间，计算所述智能天线阵在不同方位角上的空间谱功率，包括：
通过如下公式计算所述智能天线阵在不同方位角上的空间谱功率：
<mrow> <mi>P</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>&amp;theta;</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <mrow> <msup> <mi>a</mi> <mi>H</mi> </msup> <mrow> <mo>(</mo> <mi>&amp;theta;</mi> <mo>)</mo> </mrow> <msub> <mi>U</mi> <mi>N</mi> </msub> <msubsup> <mi>U</mi> <mi>N</mi> <mi>H</mi> </msubsup> <mi>a</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>&amp;theta;</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mfrac> </mrow>
其中，θ为方位角，取值范围为[-π,+π]；
P(θ)为所述智能天线阵在方位角θ上的空间谱功率；a(θ)为预先存储的方向矢量；f为接收信号频率；d为阵元间距；c为光速；
UN-P为所述N-P个特征值对应的特征向量组成的噪声子空间，H表示共轭转置操作。
8.如权利要求1所述的智能天线阵，其特征在于，所述最优权值计算与波束成形单元，用于根据接收到的目标方位角，确定所述智能天线阵的波束权值，包括：
通过如下公式确定所述智能天线阵的波束权值：
[w1 w2 L wN]＝[cos(πfd sinγ/c)cos(3πfd sinγ/c)cos(5πfd sinγ/c)cos(7πfdsinγ/c)
-sin(πfd sinγ/c)-sin(3πfd sinγ/c)-sin(5πfd sinγ/c)-sin(7πfd sinγ/c)]
其中，[w1 w2 L wN]为智能天线阵的波束权值；
γ为目标方位角；c为光速。
9.如权利要求1所述的智能天线阵，其特征在于，所述最优权值计算与波束成形单元采用所述波束权值对接收到的所述采样数据进行加权处理后，得到目标数据，包括：
通过以下公式得到所述目标数据：
<mrow> <mi>Z</mi> <mo>=</mo> <munderover> <mo>&amp;Sigma;</mo> <mrow> <mi>m</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mi>N</mi> </munderover> <msub> <mi>w</mi> <mi>m</mi> </msub> <msub> <mi>r</mi> <mi>m</mi> </msub> </mrow>
其中，Z为所述目标数据；wm为第m天线阵元的波束权值；rm为第m天线阵元的采样数据；m＝1,2L N。
10.如权利要求1-9中任一项所述的智能天线阵，其特征在于，所述天线阵元为线极化全向天线。
CN201610343621.9A 2016-05-20 2016-05-20 一种智能天线阵 Pending CN107402371A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201610343621.9A CN107402371A (zh) 2016-05-20 2016-05-20 一种智能天线阵

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201610343621.9A CN107402371A (zh) 2016-05-20 2016-05-20 一种智能天线阵

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN107402371A true CN107402371A (zh) 2017-11-28

Family

ID=60389182

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201610343621.9A Pending CN107402371A (zh) 2016-05-20 2016-05-20 一种智能天线阵

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN107402371A (zh)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111710974B (zh) * 2020-06-29 2021-05-14 广州海格通信集团股份有限公司 一种适用于多阵元斜面阵天线的自适应阵元选择方法
CN112968303A (zh) * 2021-04-01 2021-06-15 珠海极海半导体有限公司 阵列天线、定位方法、定位系统、ble定位装置及ble设备
CN113629401A (zh) * 2021-08-04 2021-11-09 西南交通大学 一种适用于无人机通信组网的线性相控阵天线管理装置

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN100385249C (zh) * 2005-10-18 2008-04-30 电子科技大学 一种利用阵列天线进行波达方向估计的方法
CN101330304A (zh) * 2007-06-22 2008-12-24 中兴通讯股份有限公司 一种智能天线系统中计算到达方向的方法及装置
CN204243214U (zh) * 2014-10-28 2015-04-01 中兴通讯股份有限公司 一种智能天线装置
KR101555996B1 (ko) * 2014-08-14 2015-10-13 국방과학연구소 저피탐 표적 탐지를 위한 주파수 다이버시티를 이용한 공분산 행렬 합성 장치 및 방법
CN105182302A (zh) * 2015-10-15 2015-12-23 哈尔滨工程大学 一种抗快速运动干扰稳健零陷展宽波束形成方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN100385249C (zh) * 2005-10-18 2008-04-30 电子科技大学 一种利用阵列天线进行波达方向估计的方法
CN101330304A (zh) * 2007-06-22 2008-12-24 中兴通讯股份有限公司 一种智能天线系统中计算到达方向的方法及装置
KR101555996B1 (ko) * 2014-08-14 2015-10-13 국방과학연구소 저피탐 표적 탐지를 위한 주파수 다이버시티를 이용한 공분산 행렬 합성 장치 및 방법
CN204243214U (zh) * 2014-10-28 2015-04-01 中兴通讯股份有限公司 一种智能天线装置
CN105182302A (zh) * 2015-10-15 2015-12-23 哈尔滨工程大学 一种抗快速运动干扰稳健零陷展宽波束形成方法

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111710974B (zh) * 2020-06-29 2021-05-14 广州海格通信集团股份有限公司 一种适用于多阵元斜面阵天线的自适应阵元选择方法
CN112968303A (zh) * 2021-04-01 2021-06-15 珠海极海半导体有限公司 阵列天线、定位方法、定位系统、ble定位装置及ble设备
CN113629401A (zh) * 2021-08-04 2021-11-09 西南交通大学 一种适用于无人机通信组网的线性相控阵天线管理装置
CN113629401B (zh) * 2021-08-04 2022-12-06 西南交通大学 一种适用于无人机通信组网的线性相控阵天线管理装置

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN109143152B (zh) 基于张量建模的极化阵列波达方向和极化参数估计方法
CN103630910B (zh) 一种gnss接收机设备的抗干扰方法
CN108462521A (zh) 自适应阵列天线的抗干扰实现方法
CN106054123A (zh) 一种稀疏l阵及其二维doa估计方法
CN114172547B (zh) 基于智能反射面的无线携能通信混合预编码设计方法
CN107015191A (zh) 一种在多径干扰环境下单偶极子极化敏感阵列降维doa估计方法
CN101848021B (zh) 一种智能天线阵广播波束权值的生成方法和装置
CN107589399A (zh) 基于多采样虚拟信号奇异值分解的互质阵列波达方向估计方法
CN105717496A (zh) 一种基于矩阵填充的频控阵mimo雷达系统的实现方法
CN107092004A (zh) 基于信号子空间旋转不变性的互质阵列波达方向估计方法
CN106353738B (zh) 一种新的doa失配条件下稳健自适应波束形成方法
CN109143275A (zh) 一种基于粒子群的小型化阵列天线抗干扰实现方法
CN106872934B (zh) L型电磁矢量传感器阵列解相干esprit参数估计方法
CN107104720A (zh) 基于协方差矩阵虚拟域离散化重建的互质阵列自适应波束成形方法
CN107402371A (zh) 一种智能天线阵
Sun et al. A robust secure hybrid analog and digital receive beamforming scheme for efficient interference reduction
Lan et al. Tensor 2-D DOA estimation for a cylindrical conformal antenna array in a massive MIMO system under unknown mutual coupling
CN102064864B (zh) 三维传播环境中的极化多天线信道模型的构建方法
CN107728102A (zh) 一种阵列传感器的波达方向估计方法
CN104994041B (zh) 三维大规模天线系统基于导频的波达波离角联合估计方法
CN106680779A (zh) 脉冲噪声下的波束成形方法及装置
Kao et al. AI-aided 3-D beamforming for millimeter wave communications
CN104678350A (zh) 大规模mimo系统中基于tls-esprtt算法的2d doa估计
CN105510872B (zh) 一种适用于大规模mimo系统的二维波达角的测定方法
CN114499615B (zh) 一种太赫兹通信系统中近远场统一的发射波束成形方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
RJ01 Rejection of invention patent application after publication
RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20171128