CN108008388A - 一种星载相控阵sar载荷波束控制方法 - Google Patents

Abstract

一种星载相控阵SAR载荷波束控制方法，包括步骤：从天线阵列获取天线阵列的阵面角，并将阵面角坐标系转换至阵面球坐标系，得到相应的扫描方向角；根据天线阵列的种类获得阵面上各通道的二维坐标表，根据二维坐标表和扫描方向角计算各通道在指向角上的延时距离；根据电磁波在真空中的传播速度、延时距离和天线阵列的中心频率计算信号传播产生的传播延时量；获取阵面相位配平表，将阵面相位配平表结合天线上各通道的传播延时量计算各通道的延时补偿量；将延时补偿量按照移相器步进归一化，并二进制化得到移相码，从而得到移相码表。由于利用天线阵面先验知识能快速计算出天线阵面上每一个通道的波控码，进行实时、精确的波束控制，且计算量小。

Description

一种星载相控阵SAR载荷波束控制方法

技术领域

本发明涉及波束控制技术领域，具体涉及一种星载相控阵SAR载荷波束控制方法。

背景技术

星载相控阵SAR载荷波束控制系统相当于机械雷达的伺服控制系统，通常是由计算机或嵌入式设备计算产生特定波束指向所需要的波控码，然后控制各个天线阵元的移相器产生相移，合成指定的天线波束。从而在天线阵面不变的情况下完成天线波束的扫描，代替机械扫描。对于高速目标的跟踪捕获具有重要作用，因此相控阵SAR载荷常用于卫星对地观测和侦查。

随着有源相控阵雷达技术的发展，相控阵SAR载荷的T/R组件也越来越多，同时面向遥感观测和目标侦查的应用需求，对波束控制的实时性和精确度提出了越来越高的要求。针对卫星平台应用的需求，星载相控阵SAR载荷对波束控制系统的体积、重量和功耗都具有较为严格的约束。星载相控阵SAR载荷的波束控制系统，完成波控码快速计算，并向阵面各行子阵对应的T/R组件激励控制模块配送波控码，从而使天线波束指向驻留于预定方位。

据星载SAR载荷的扫描、聚束和成像等工作模式，本文结合天线阵面和先验排列阵面信息，提出一种快速计算出天线阵面上每一个通道的波控码的方法，该方法计算量小，适合卫星平台快速精确波束控制的应用。

发明内容

本申请提供一种星载相控阵SAR载荷波束控制方法，包括步骤：

从天线阵列获取天线阵列的阵面角，并通过坐标系转换将所述阵面角坐标系转换至阵面球坐标系，得到相应的扫描方向角；

根据所述天线阵列的种类获得阵面上各通道的二维坐标表，根据所述二维坐标表和扫描方向角计算各通道在指向角上的延时距离；

根据电磁波在真空中的传播速度、延时距离和天线阵列的中心频率计算信号传播产生的传播延时量；

对阵面进行内场校正后获取阵面相位配平表，将所述阵面相位配平表结合所述天线上各通道的传播延时量计算各通道的延时补偿量；

将所述延时补偿量按照移相器步进归一化，并二进制化得到移相码，从而得到移相码表，将所述移相码表发送给对应通道即可对波束进行控制。

一种实施例中，延时距离的计算公式为：其中，d_m,n为阵面上第n行第m列通道的延时距离，x_m、y_n为阵面上第n行第m列的通道在阵面二维坐标表中的坐标值，此二维坐标系坐标原点为阵面左下角，θ和为阵面球坐标系的扫描方位角。

一种实施例中，传播延时量的计算公式为：Ph_m,n＝2πfd_m,n/c，其中，Ph_m,n为阵面上第n行第m列通道的传播延时量，d_m,n为阵面上第n行第m列通道的延时距离，c为为电磁波在真空中传播速度，f为阵面的中心频点。

一种实施例中，各通道的延时补偿量的计算公式为：C_m,n＝[Ph_m,n+T_m,n]，其中，Ph_m,n为阵面上第n行第m列通道的传播延时量，T_m,n为阵面相位配平表，对阵面进行内场校正后获取，C_m,n为延时通道延时补偿量。

一种实施例中，天线阵列的种类包括发射阵、接收阵DBF模式和接收阵全阵模式。

一种实施例中，天线阵列为接收阵DBF模式时，计算一个子阵上所有通道的延时距离。

一种实施例中，计算信号传播产生的传播延时量时，将接收阵DBF模式的阵面上的子阵计算得到的传播延时量进行周期延拓，拓展到整个天线阵面上。

依据上述实施例的星载相控阵SAR载荷波束控制方法，由于利用天线阵面的类型、角度和中心频率等先验知识，可以快速计算出天线阵面上每一个通道的波控码，进行实时、精确的波束控制，且计算量较小，适于卫星平台应用。

附图说明

图1为星载相控阵SAR载荷波束控制方法流程图；

图2(a)为阵面坐标系示意图；

图2(b)为球面坐标系示意图；

图3(a)为发射阵阵面布局示意图；

图3(b)为接收阵DBF模式布局示意图；

图3(c)为接收阵全阵模式布局示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。

本例提供一种星载相控阵SAR载荷波束控制方法，其流程图如图1所示，具体包括如下步骤。

S1：从天线阵列获取天线阵列的阵面角，并通过坐标系转换将阵面角坐标系转换至阵面球坐标系，得到相应的扫描方向角。

该步骤具体是：从天线阵列获取天线阵列的阵面角A和B，如附图2(a)所示，其中P′为P在XOZ平面上的投影，P″为P在YOZ平面上的投影，角A为OP′与Z轴正向的夹角，角B为OP″与Z轴正向的夹角。通过坐标系转换将阵面角从阵面A-B角坐标系转换至阵面球坐标系，得到相应的扫描方向角θ和如附图2(b)所示，P′为P在YOZ平面上的投影，θ为OP和Z轴正向的夹角，为OP′和X轴正向的夹角。

具体转换公式如下：

A≠0,B≠0时

A＞0,B＞0

A＞0,B＜0

A＜0,B＞0

A＜0,B＜0

A＝0,B＞0时，θ＝B,

A＝0,B＜0时，θ＝-B,

A＝0,B＝0时，θ＝0,

其中，A和B的取值范围为(-180°,180°]。

S2：根据天线阵列的种类获得阵面上各通道的二维坐标表，根据二维坐标表和扫描方向角计算各通道在指向角上的延时距离。

其中，天线阵列的种类包括发射阵、接收阵DBF模式和接收阵全阵模式，天线阵列上各通道位置图如图3所示，采用直角坐标，阵面平面置于XOY平面内，阵面法向与Z轴平行。坐标原点推荐为阵面左下角(从天线后方向前方看)，形成各个通道的二维坐标表。

对于发射阵，如附图3(a)所示，阵面上第n行第m列通道坐标(x_m,y_n)由下式计算:

y_n＝d_{y_s}*(n-1)

其中，d_{x_s}为每一列通道之间的距离，d_{y_s}为每一行通道之间的距离，Δ为同一列上奇数行通道与偶数行通道在x向的距离。为向下取整运算，即不大于括号内数的最大整数。

对于接收阵DBF模式，如附图3(b)所示，其通道阵面由数个天线子阵组成，每一个天线子阵均由N_{y_sub}行1列的通道组成，在每一个子阵中，通道坐标(x_m,y_n)由下式计算：

x_m＝0

y_n＝d_{y_sub}*(n-1)

其中，d_{y_sub}为子阵中每行通道之间的距离。

对于接收阵全阵模式，如附图3(c)所示，阵面上第n行第m列通道坐标(x_m,y_n)由下式计算：

x_m＝d_{x_r}*(m-1)

y_n＝d_{y_r}*(n-1)

其中，d_{x_r}为每一列通道之间的距离，d_{y_r}为每一行通道之间的距离。

上述三种工作模式中的距离参数(d_{x_s}、d_{y_s}、d_{y_sub}、d_{x_r}、d_{y_r})和天线阵面维度(N_{x_s}、N_{y_s}、N_{y_sub}、N_{x_r}、N_{y_r})的取值由天线阵面本身的设计参数决定。

由坐标(x_m,y_n)和步骤S1得到的扫描方向角θ和计算各延时通道在指向角上的投影距离，即延时距离d_m,n，如下式所示：

其中，d_m,n为阵面上第n行第m列通道的延时距离，x_m、y_n为阵面上第n行第m列的通道在阵面二维坐标表中的坐标值，此二维坐标系坐标原点为阵面左下角，θ和为阵面球坐标系的扫描方位角。

对于接收阵DBF模式的阵面，由于所有子阵上的对应通道的延时距离均相同，故只计算其中一个子阵的延时距离。

S3：根据电磁波在真空中的传播速度、延时距离和天线阵列的中心频率计算信号传播产生的传播延时量。

对于接收阵DBF模式的阵面，需将子阵上计算得到的传播延时量进行周期延拓，拓展到整个天线阵面上，即每一个子阵中对应通道的延时距离均相同；传播延时量计算公式如下：

Ph_m,n＝2πfd_m,n/c；

其中，Ph_m,n为阵面上第n行第m列通道的传播延时量，d_m,n为阵面上第n行第m列通道的延时距离，c为电磁波在真空中传播速度，f为阵面的中心频点。

S4：对阵面进行内场校正后获取阵面相位配平表，将阵面相位配平表结合天线上各通道的传播延时量计算各通道的延时补偿量。

各延时通道延时补偿量通过下式得到：

C_m,n＝[Ph_m,n+T_m,n]；

其中，Ph_m,n为阵面上第n行第m列通道的传播延时量，T_m,n为阵面相位配平表，需对天线阵面进行内场校正后获取，C_m,n为延时通道延时补偿量，[]表示将相位向[0,360)折叠(即条件判断，小于0则加上360或其倍数，大于等于360则减去360或其倍数，直至相位落在0～360区间)。

S5：将延时补偿量按照移相器步进归一化，并二进制化得到移相码，从而得到移相码表，将移相码表发送给对应通道即可对波束进行控制。

延时补偿量的归一化通过下式得到：

C′_m,n＝C_m,n/64；

其中，C_m,n为延时通道延时补偿量，C′_m,n为归一化后的延时补偿量。

需要说明的是，本发明使用的波束控制方法既通过做成嵌入式芯片以硬件的形式来实现，也可以计算机以软件的形式安装并执行。

以上应用了具体个例对本发明进行阐述，只是用于帮助理解本发明，并不用以限制本发明。对于本发明所属技术领域的技术人员，依据本发明的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。

Claims (7)

1.一种星载相控阵SAR载荷波束控制方法，其特征在于，包括步骤：

从天线阵列获取天线阵列的阵面角，并通过坐标系转换将所述阵面角坐标系转换至阵面球坐标系，得到相应的扫描方向角；

根据所述天线阵列的种类获得阵面上各通道的二维坐标表，根据所述二维坐标表和扫描方向角计算各通道在指向角上的延时距离；

根据电磁波在真空中的传播速度、延时距离和天线阵列的中心频率计算信号传播产生的传播延时量；

对阵面进行内场校正后获取阵面相位配平表，将所述阵面相位配平表结合所述天线上各通道的传播延时量计算各通道的延时补偿量；

将所述延时补偿量按照移相器步进归一化，并二进制化得到移相码，从而得到移相码表，将所述移相码表发送给对应通道即可对波束进行控制。

2.如权利要求1所述的星载相控阵SAR载荷波束控制方法，其特征在于，所述延时距离的计算公式为：其中，d_m,n为阵面上第n行第m列通道的延时距离，x_m、y_n为阵面上第n行第m列的通道在阵面二维坐标表中的坐标值，此二维坐标系坐标原点为阵面左下角，θ和为阵面球坐标系的扫描方位角。

3.如权利要求1所述的星载相控阵SAR载荷波束控制方法，其特征在于，所述传播延时量的计算公式为：Ph_m,n＝2πfd_m,n/c，其中，Ph_m,n为阵面上第n行第m列通道的传播延时量，d_m,n为阵面上第n行第m列通道的延时距离，c为电磁波在真空中传播速度，f为阵面的中心频点。

4.如权利要求1所述的星载相控阵SAR载荷波束控制方法，其特征在于，所述各通道的延时补偿量的计算公式为：C_m,n＝[Ph_m,n+T_m,n]，其中，Ph_m,n为阵面上第n行第m列通道的传播延时量，T_m,n为阵面相位配平表，对阵面进行内场校正后获取，C_m,n为延时通道延时补偿量。

5.如权利要求1-4任一项所述的星载相控阵SAR载荷波束控制方法，其特征在于，所述天线阵列的种类包括发射阵、接收阵DBF模式和接收阵全阵模式。

6.如权利要求5所述的星载相控阵SAR载荷波束控制方法，其特征在于，所述天线阵列为接收阵DBF模式时，计算一个子阵上所有通道的延时距离。

7.如权利要求6所述的星载相控阵SAR载荷波束控制方法，其特征在于，计算信号传播产生的传播延时量时，将接收阵DBF模式的阵面上的子阵计算得到的传播延时量进行周期延拓，拓展到整个天线阵面上。