CN108037692A - 大规模共形数字相控阵的波束控制方法 - Google Patents

大规模共形数字相控阵的波束控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开的一种大规模共形数字相控阵的波束控制方法，旨在提供一种波束控制灵活，跟踪精度高的波束控制方法。通过下述技术方案予以实现：波控计算机根据逻辑波束号及轨道预报数据信息，计算任务目标位置信息的指向角度，利用得到的俯仰角、方位角滑窗选取激活阵元，通过光纤将激活阵元对应编号及指向角度传输至次级DBF模块；次级DBF模块利用激活阵元编号查找表获取激活阵元坐标，分布式计算激活阵元对应移相器的移相值和子阵时延参数，并完成子阵级时延滤波器时延线参数配置，将激活阵元编号及移相值的相关信息通过光纤传输至初级DBF模块，初级DBF模块完成激活阵元的移相参数配置，激活阵元装订移相器参数，实现对波束资源的控制。

Description

大规模共形数字相控阵的波束控制方法
技术领域
本发明涉及一种主要用于航天测控系统，可同时多波束的大规模(即阵元数量达上万个)共形数字相控阵的波束控制方法。
背景技术
数字波束形成(DBF)是阵列天线和信号处理等诸多领域的综合技术。DBF通过在基带上采用DSP或FPGA来完成对各阵元信号的加权求和运算，实现多波束形成。随着数字多波束及相控阵技术的快速发展，共形数字相控阵已实现了可同时多波束合成的功能。共形相控阵天线采用电控扫描的方式，扫描速度快、波束控制灵活、抗干扰能力强，且可以同时完成目标搜索、跟踪、引导等多项功能，并能工作在日益复杂和恶化的环境中。但是传统的数字多波束形成技术只是单波束形成的复制，随着波束形成数量的增加，系统硬件成倍增加，体积、功耗和重量上也成倍增加，硬件非常复杂，不利于工程应用。
相控阵系统阵面天线的波束指向由波束控制系统来执行，它主要通过对阵面各单元相位和增益的控制实现波束空间指向的变化。其中各单元相位变化对确定的阵列天线而言主要取决于天线波束指向角的变化。波束控制计算机根据波束指向要求对阵面各单元点的相位、幅度进行统一运算后将相位、幅度等数据分别传输至阵面各点，当相控阵面单元较多时，其计算量大，运算时间影响了波束扫描的速度。同时，随着相控阵面规模的增大，波束控制系统也越来越复杂，此时常规集中计算方法对数字信号处理器产生巨大压力，严重影响了波束控制的响应时间。由于现代相控阵电子系统对波束控制的速度要求越来越高，因此对系统的波束运算、数据传输等要求也相应提高。
发明内容
本发明的目的是针对现有数字相控阵的波束控制方法存在的不足之处，提供一种针对大规模共形数字相控阵，波束控制灵活，跟踪精度高的大规模共形数字相控阵的波束控制方法方法。
本发明的上述目的可以通过以下措施来达到，一种大规模共形数字相控阵的波束控制方法，其特征在于包括如下步骤：波控计算机根据逻辑波束号及轨道预报数据信息，计算任务目标位置信息的指向角度，利用得到的俯仰角、方位角滑窗选取激活阵元，通过光纤将激活阵元对应编号及指向角度传输至次级DBF模块；次级DBF模块利用激活阵元编号查找表获取激活阵元坐标，分布式计算激活阵元对应移相器的移相值和子阵时延参数，并完成子阵级时延滤波器时延线参数配置，将激活阵元编号及移相值的相关信息通过光纤传输至初级DBF模块，初级DBF模块利用激活阵元编号识别方法完成激活阵元的移相参数配置，激活阵元装订移相器参数，完成对波束资源的控制。
本发明相比于现有技术具有以下有益效果：
波束控制灵活。本发明采用波控计算机，波控计算机根据DBF资源分配计划、任务需求和先验数据的任务优先级，确定逻辑波束号及轨道预报数据信息，计算任务目标位置信息的指向角度，利用得到的俯仰角、方位角的指向角度滑窗选取激活区域的激活阵元，通过光纤将激活阵元对应编号及指向角度传输至次级DBF模块，次级DBF模块进一步分布式计算激活阵元加权系数(移相值及时延值)，波控计算机与初级DBF模块、次级DBF模块相配合，利用滑窗控制及分布式计算方式，共同完成对波束资源的控制实现波束控制，可使波束扫描时副瓣不升高，主瓣不展宽，提升了波束控制的响应时间，避免了现有技术集中计算方法对数字信号处理器产生的巨大压力。
跟踪精度高。本发明次级DBF模块利用激活阵元编号查找表获取激活阵元坐标，依据指向角计算激活阵元对应移相器的移相和子阵时延参数，完成子阵级时延滤波器时延线参数配置，利用滑窗控制方法选择激活阵元，激活角度可根据增益值灵活变化，且指向变化很小时，激活阵元也可能不发生变化，此时改变加权系数即可改变指向，保证了波束扫描时副瓣不升高，主瓣不展宽，提高了系统的跟踪精度。
本发明采用滑窗技术选取激活区域，提高了波束扫描时的增益一致性；针对大规模共形数字相控阵，分布式计算激活阵元对应加权系数，提升波束更新效率，实现了独立可控、灵活高效的波束控制方式。
附图说明
图1是大规模共形数字相控阵波束合成结构示意图。
图2是大规模共形数字相控阵的波束控制流程图。
图3是图2中滑窗控制下激活区域随俯仰角变化示意图。
图4是图2中滑窗控制下期望波束指向(仅指俯仰方向)与激活阵元变化曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对发明进一步说明。
参阅图1。大规模共形数字相控阵通过TR组件完成滤波、放大、D/C、AD等操作，通道均衡后，利用了移相器+延时线结构实现数字波束合成。该结构可同时产生多个发射波束或接收波束，且波束个数可根据系统资源灵活扩展。本发明基于该数字波束合成结构对波束控制方法进行详细说明。
参阅图2。根据本发明，大规模共形数字相控阵的波束控制方法如下：
波控计算机根据数字波束形成DBF资源分配计划、任务需求和先验数据的任务优先级，确定逻辑波束号及轨道预报数据信息，计算任务目标位置信息的指向角度，利用得到的俯仰角、方位角的指向角度，滑窗选取激活区域的激活阵元，通过光纤将激活阵元对应编号及指向角度传输至次级DBF模块，分布式计算激活阵元加权系数；次级DBF模块利用激活阵元编号查找表获取激活阵元坐标，依据指向角计算激活阵元对应移相器的移相和子阵时延参数，完成子阵级时延滤波器时延线参数配置，将激活阵元编号及移相值的相关信息通过光纤传输至初级DBF模块，初级DBF模块利用激活阵元编号识别方法完成激活阵元的移相参数配置，激活阵元装订移相器参数，完成对波束资源的控制。
参阅图3。波控计算机计算任务目标位置信息包括俯仰角、方位角指向角度。
波控计算机滑窗控制激活阵元，使激活角度的中心对准目标，根据计算的指向角度不断更新激活区域。滑窗控制如下
波控计算机在滑窗控制中，计算每个阵元的单位方向矢量与期望波束的单位方向矢量之间的夹角
若θm＜α，认为该阵元位于激活区域内，否则通常视为非激活阵元，
式中，m为阵元编号，(x,y,z)为直角坐标系坐标，为阵元对应在直角坐标系下的单位方向矢量，代表期望波束指向对应在直角坐标系下的单位方向矢量。
参阅图4。当期望波束指向变化很小时，激活阵元也可能不发生变化，此时改变加权系数(移相值及延时值)即可改变指向。
(1)次级DBF模块对激活子阵延时值计算
以大规模共形数字相控阵球心作为参考点，期望波束指向以极坐标(β,γ)表示，建立直角坐标系，则期望波束方向矢量R
式中，分别为直角坐标系坐标(x,y,z)的单位矢量。
子阵级宽带波束形成是在子阵级通过时间延迟来实现电子扫描，选取每一激活子阵的第一个阵元为子阵参考阵元。那么，第n个激活子阵第1个阵元Pn1在直角坐标系(x,y,z)下坐标表示为其中n代表激活子阵对应编号，1代表该子阵内的阵元编号，(x,y,z)为直角坐标系坐标。利用该阵元求取子阵对应的延时值，如下所示：
τn＝ΔRn/c
式中，n 1代表激活子阵n内的阵元编号1，τn为该激活子阵n所需加载的延时值，c为光速。
(2)次级DBF模块对激活阵元移相值计算
次级DBF模块以大规模共形数字相控阵球心作为参考点，在建立的直角坐标系中，选取每一激活子阵的第一个阵元作为子阵参考阵元，则第n个激活子阵内第i个激活阵元Pni在阵面上的位置：
激活阵元Pni相对该子阵参考阵元的矢量ΔRni为：
式中，为直角坐标系的单位矢量，分别代表第n个激活子阵第i个激活阵元在直角坐标系中的坐标值，n为激活子阵对应编号，i为该子阵内的阵元编号。
次级DBF模块利用激活阵元编号查找表获取激活阵元坐标，依据指向角计算激活阵元对应移相器的移相值
波长λ0满足，
式中，c代表光速，f0为大规模共形数字相控阵系统的工作中心频点。
以上对本发明实施例进行了详细介绍，本文中应用了具体实施方式对本发明进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及设备；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种大规模共形数字相控阵的波束控制方法，其特征在于包括如下步骤：波控计算机根据逻辑波束号及轨道预报数据信息，计算任务目标位置信息的指向角度，利用得到的俯仰角、方位角滑窗选取激活阵元，通过光纤将激活阵元对应编号及指向角度传输至次级DBF模块；次级DBF模块利用激活阵元编号查找表获取激活阵元坐标，分布式计算激活阵元对应移相器的移相值和子阵时延参数，并完成子阵级时延滤波器时延线参数配置，将激活阵元编号及移相值的相关信息通过光纤传输至初级DBF模块，初级DBF模块利用激活阵元编号识别方法完成激活阵元的移相参数配置，激活阵元装订移相器参数，完成对波束资源的控制。
2.如权利要求1所述的大规模共形数字相控阵的波束控制方法，其特征在于：波控计算机计算任务目标位置信息包括俯仰角、方位角指向角度。
3.如权利要求1所述的大规模共形数字相控阵的波束控制方法，其特征在于：波控计算机滑窗控制激活阵元，使激活角度的中心对准目标，根据计算的指向角度不断更新激活区域。
4.如权利要求1所述的大规模共形数字相控阵的波束控制方法，其特征在于：波控计算机在滑窗控制中，计算每个阵元的单位方向矢量与期望波束的单位方向矢量之间的夹角
<mrow> <msub> <mi>&amp;theta;</mi> <mi>m</mi> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mover> <msub> <mi>W</mi> <mi>m</mi> </msub> <mo>&amp;RightArrow;</mo> </mover> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <mover> <mi>E</mi> <mo>&amp;RightArrow;</mo> </mover> </mrow> <mrow> <mo>|</mo> <mover> <msub> <mi>W</mi> <mi>m</mi> </msub> <mo>&amp;RightArrow;</mo> </mover> <mo>|</mo> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <mo>|</mo> <mover> <mi>E</mi> <mo>&amp;RightArrow;</mo> </mover> <mo>|</mo> </mrow> </mfrac> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>w</mi> <mi>x</mi> </msub> <msub> <mi>e</mi> <mi>x</mi> </msub> <mo>+</mo> <msub> <mi>w</mi> <mi>y</mi> </msub> <msub> <mi>e</mi> <mi>y</mi> </msub> <mo>+</mo> <msub> <mi>w</mi> <mi>z</mi> </msub> <msub> <mi>e</mi> <mi>z</mi> </msub> </mrow> <mrow> <msqrt> <mrow> <msup> <msub> <mi>w</mi> <mi>x</mi> </msub> <mn>2</mn> </msup> <mo>+</mo> <msup> <msub> <mi>w</mi> <mi>y</mi> </msub> <mn>2</mn> </msup> <mo>+</mo> <msup> <msub> <mi>w</mi> <mi>z</mi> </msub> <mn>2</mn> </msup> </mrow> </msqrt> <msqrt> <mrow> <msup> <msub> <mi>e</mi> <mi>x</mi> </msub> <mn>2</mn> </msup> <mo>+</mo> <msup> <msub> <mi>e</mi> <mi>y</mi> </msub> <mn>2</mn> </msup> <mo>+</mo> <msup> <msub> <mi>e</mi> <mi>z</mi> </msub> <mn>2</mn> </msup> </mrow> </msqrt> </mrow> </mfrac> </mrow>
若θm＜α，认为该阵元位于激活区域内，否则通常视为非激活阵元，
式中，m为阵元编号，(x,y,z)为直角坐标系坐标，为阵元对应在直角坐标系下的单位方向矢量，代表期望波束指向对应在直角坐标系下的单位方向矢量。
5.如权利要求1所述的大规模共形数字相控阵的波束控制方法，其特征在于：次级DBF模块对激活子阵延时值计算，以大规模共形数字相控阵球心作为参考点，期望波束指向以极坐标(β,γ)表示，建立直角坐标系，则期望波束方向矢量R
<mrow> <mi>R</mi> <mo>=</mo> <mover> <mi>m</mi> <mo>&amp;RightArrow;</mo> </mover> <mi>cos</mi> <mi>&amp;beta;</mi> <mi>cos</mi> <mi>&amp;gamma;</mi> <mo>+</mo> <mover> <mi>j</mi> <mo>&amp;RightArrow;</mo> </mover> <mi>cos</mi> <mi>&amp;beta;</mi> <mi>sin</mi> <mi>&amp;gamma;</mi> <mo>+</mo> <mover> <mi>k</mi> <mo>&amp;RightArrow;</mo> </mover> <mi>sin</mi> <mi>&amp;beta;</mi> </mrow>
式中，分别为直角坐标系坐标(x,y,z)的单位矢量。
6.如权利要求1所述的大规模共形数字相控阵的波束控制方法，其特征在于：子阵级宽带波束形成是在子阵级通过时间延迟来实现电子扫描，选取每一激活子阵的第一个阵元为子阵参考阵元，则第n个激活子阵第1个阵元Pn1在直角坐标系(x,y,z)下坐标表示为(vxn1,vyn1,vzn1)，其中n代表激活子阵对应编号，1代表该子阵内的阵元编号，(x,y,z)为直角坐标系坐标；利用阵元Pn1求取第n个激活子阵对应的延时值，
<mrow> <msub> <mi>&amp;Delta;R</mi> <mi>n</mi> </msub> <mo>=</mo> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>v</mi> <msub> <mi>x</mi> <mrow> <mi>n</mi> <mn>1</mn> </mrow> </msub> </msub> <mi>cos</mi> <mi>&amp;beta;</mi> <mi>cos</mi> <mi>&amp;gamma;</mi> <mo>+</mo> <msub> <mi>v</mi> <msub> <mi>y</mi> <mrow> <mi>n</mi> <mn>1</mn> </mrow> </msub> </msub> <mi>cos</mi> <mi>&amp;beta;</mi> <mi>sin</mi> <mi>&amp;gamma;</mi> <mo>+</mo> <msub> <mi>v</mi> <msub> <mi>z</mi> <mrow> <mi>n</mi> <mn>1</mn> </mrow> </msub> </msub> <mi>sin</mi> <mi>&amp;beta;</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
τn＝ΔRn/c
式中，n 1代表激活子阵n内的阵元编号1，τn为激活子阵n所需加载的延时值，c为光速。
7.如权利要求5所述的大规模共形数字相控阵的波束控制方法，其特征在于：次级DBF模块以大规模共形数字相控阵球心作为参考点，在建立的直角坐标系中，选取每一激活子阵的第一个阵元作为子阵参考阵元，则第n个激活子阵内第i个激活阵元Pni在阵面上的位置：
<mrow> <msub> <mi>R</mi> <mrow> <mi>n</mi> <mi>i</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <mover> <mi>m</mi> <mo>&amp;RightArrow;</mo> </mover> <msub> <mi>v</mi> <msub> <mi>x</mi> <mrow> <mi>n</mi> <mi>i</mi> </mrow> </msub> </msub> <mo>+</mo> <mover> <mi>j</mi> <mo>&amp;RightArrow;</mo> </mover> <msub> <mi>v</mi> <msub> <mi>y</mi> <mrow> <mi>n</mi> <mi>i</mi> </mrow> </msub> </msub> <mo>+</mo> <mover> <mi>k</mi> <mo>&amp;RightArrow;</mo> </mover> <msub> <mi>v</mi> <msub> <mi>z</mi> <mrow> <mi>n</mi> <mi>i</mi> </mrow> </msub> </msub> </mrow>
分别代表第n个激活子阵第i个激活阵元在直角坐标系中的坐标值，n为激活子阵对应编号，i为子阵内的阵元编号，为直角坐标系的单位矢量。
8.如权利要求7所述的大规模共形数字相控阵的波束控制方法，其特征在于：激活阵元Pni相对该子阵参考阵元的矢量ΔRni为：
<mrow> <msub> <mi>&amp;Delta;R</mi> <mrow> <mi>n</mi> <mi>i</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <mover> <mi>m</mi> <mo>&amp;RightArrow;</mo> </mover> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>v</mi> <msub> <mi>x</mi> <mrow> <mi>n</mi> <mi>i</mi> </mrow> </msub> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>v</mi> <msub> <mi>x</mi> <mrow> <mi>n</mi> <mn>1</mn> </mrow> </msub> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mo>+</mo> <mover> <mi>j</mi> <mo>&amp;RightArrow;</mo> </mover> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>v</mi> <msub> <mi>y</mi> <mrow> <mi>n</mi> <mi>i</mi> </mrow> </msub> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>v</mi> <msub> <mi>y</mi> <mrow> <mi>n</mi> <mn>1</mn> </mrow> </msub> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mo>+</mo> <mover> <mi>k</mi> <mo>&amp;RightArrow;</mo> </mover> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>v</mi> <msub> <mi>z</mi> <mrow> <mi>n</mi> <mi>i</mi> </mrow> </msub> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>v</mi> <msub> <mi>z</mi> <mrow> <mi>n</mi> <mn>1</mn> </mrow> </msub> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mo>.</mo> </mrow>
9.如权利要求1所述的大规模共形数字相控阵的波束控制方法，其特征在于：次级DBF模块利用激活阵元编号查找表获取激活阵元坐标，依据指向角计算激活阵元Pni对应移相器的移相值
<mrow> <msub> <mi>&amp;Delta;&amp;phi;</mi> <msub> <mi>B</mi> <mrow> <mi>n</mi> <mi>i</mi> </mrow> </msub> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mn>2</mn> <mi>&amp;pi;</mi> </mrow> <msub> <mi>&amp;lambda;</mi> <mn>0</mn> </msub> </mfrac> <mo>&amp;lsqb;</mo> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>v</mi> <msub> <mi>x</mi> <mrow> <mi>n</mi> <mi>i</mi> </mrow> </msub> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>v</mi> <msub> <mi>x</mi> <mrow> <mi>n</mi> <mn>1</mn> </mrow> </msub> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mi>cos</mi> <mi>&amp;beta;</mi> <mi>cos</mi> <mi>&amp;gamma;</mi> <mo>+</mo> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>v</mi> <msub> <mi>y</mi> <mrow> <mi>n</mi> <mi>i</mi> </mrow> </msub> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>v</mi> <msub> <mi>y</mi> <mrow> <mi>n</mi> <mn>1</mn> </mrow> </msub> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mi>cos</mi> <mi>&amp;beta;</mi> <mi>sin</mi> <mi>&amp;gamma;</mi> <mo>+</mo> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>v</mi> <msub> <mi>z</mi> <mrow> <mi>n</mi> <mi>i</mi> </mrow> </msub> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>v</mi> <msub> <mi>z</mi> <mrow> <mi>n</mi> <mn>1</mn> </mrow> </msub> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mi>sin</mi> <mi>&amp;gamma;</mi> <mo>&amp;rsqb;</mo> </mrow>
波长λ0满足
式中，c代表光速，f0为大规模共形数字相控阵系统的工作中心频点。
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