CN108880647B - 一种基于频率分集阵列天线的波束控制方法 - Google Patents

一种基于频率分集阵列天线的波束控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于频率分集阵列天线的波束控制方法，通过将天线阵列中各个天线阵元发射信号的发射频率偏移量设置为均匀分布，建立随机频率偏移天线阵列发射信号模型；根据期望目标的空间位置信息，计算所述期望目标空间位置处的接收信号模型；根据所述接收信号模型，计算得到天线阵列中各个天线阵元的权值系数；根据各个天线阵元的权值系数，控制各个天线阵元发射信号发射，形成波束。本发明所提供的方法在传统频率分集天线的基础上，将频率偏移量设置成均匀分布，能够有效消除天线阵元波束传输过程中在距离维度上的周期性，从而增强目标处的信号接收功率。

Description

一种基于频率分集阵列天线的波束控制方法
技术领域
本发明为一种基于频率分集阵列天线的波束控制方法，涉及天线阵列技术领域。
背景技术
在传统的卫星导航载波相位实时动态差分(RTK,Real Time Kinematic)技术中，基准站发射电台通常采用普通的全向天线。因此，基准站发射天线的抗干扰能力比较弱，而且没有定向增益功能。如果采用相控阵天线，可以在设定的空域内，快速灵活地改变天线波束和指向形状，使得在期望目标方向的增益最大，同时能够在干扰处形成零陷，从而降低干扰处的增益。
然而，随着干扰技术的快速发展，相控阵天线也逐渐收到了挑战。当主瓣干扰出现时，即干扰信号角度与发射信号角度相同或接近时，相控阵天线将不能区分期望信号和干扰信号，从而会抑制期望信号的接收。随着阵列信号处理理论和技术的发展，频率分集阵列天线的出现给解决主瓣干扰带了新的思路。文献“P.Antonik,M.C.Wicks,H.D.Griffiths,and C.J.Baker,“Frequency diverse array radars,”Proc.IEEE Radar Conf.,pp.215-217,Apr.2006”在2016年国际雷达会议上首先提出了频率分集阵列天线的概念，之后受到了雷达领域众多学者的关注。
频率分集阵列天线(FDA,Frequency Diverse Array)通过在各阵元发射信号中，依次引入一个远小于载频的线性频率增量，从而使得天线各阵元的发射频率存在差异。与传统相控阵不同，频率分集阵列天线利用阵元间微小的频率偏移量，能够产生与角度和距离二维相关的导向矢量，从而能够形成空域-距离域两个维度的波束方向图。如主瓣干扰出现时，可以利用期望信号和干扰信号到达目标处距离差异性，从而利用频率分集阵列天线发射方向图的距离维零点可以有效实现主瓣干扰抑制。但是这种传统的频率分集阵列天线方向图在距离维度上存在周期特性，从而降低了目标处接收信号功率。2015年，学者W.Khan,I.M.Qureshi,和S.Saeed Frequency在文献(Diverse array radar withlogarithmically increasing frequency offset,IEEE Antennas WirelessPropag.Lett.,vol.14,pp.499–502,Feb,2015)中提出了一种对数频率偏移方式FDA天线。这种方法将频率偏移量设计成符合对数分布的形式，来消除FDA方向图距离维度上的周期性。但是这种方法所形成方向图主瓣比较宽，会放大噪声功率，从而降低FDA天线输出的信干噪比。
因此，现有技术有待于进一步的改进。
发明内容
鉴于上述现有技术中的不足之处，本发明的目的在于为用户提供基于频率分集阵列天线的波束控制方法，克服现有技术中波束发射距离维度上的呈周期性的缺陷，增强目标处的信号接收功率。
本发明提供一种基于频率分集阵列天线的波束控制方法，其中，包括：
步骤A、将天线阵列中各个天线阵元发射信号的发射频率偏移量设置为均匀分布，建立随机频率偏移天线阵列发射信号模型；
步骤B、根据期望目标的空间位置信息，计算所述期望目标空间位置处的接收信号模型；
步骤C、根据所述接收信号模型，得到天线阵列发射信号到达所述期望目标空间位置处的导向矢量，并根据所述导向矢量计算得到天线阵列中各个天线阵元的权值系数；
步骤D、根据各个天线阵元的权值系数，控制各个天线阵元发射信号发射，形成波束。
步骤A中所述随机频率偏移天线阵列发射信号模型为；
Figure BDA0001633641810000031
其中，xm(t)表示第m个天线阵元上在t时刻的发射信号，wm表示第m个天线阵元上的权值系数，(·)H表示共轭转置，t表示信号发射时刻，T表示信号发射间隔；fm表示第m个天线阵元上的发射信号载波频率。
所述发射信号载波频率表示为：
fm＝f0+δm·Δf,m＝0,1,…,M-1；
其中，f0为参考载波频率，Δf为一固定的载波频率偏移，Δf远小于f0，δm～U(0,1)表示为在0到1之间的均匀分布。
步骤B中所述期望目标空间位置处的接收信号模型为：
Figure BDA0001633641810000032
其中，c代表光速，R0和θ0分别表示为期望目标空间位置到天线阵列参考阵元处的距离和到达角，Rm表示该期望目标空间位置到达第m个天线阵元处的距离。
步骤C中根据所述导向矢量计算得到的所述各个天线阵元的权值系数为：
Figure BDA0001633641810000033
其中，wm为第m个天线阵元上的权值系数，d为相邻两个天线阵元间的间距，λ0为参考信号的波长。
有益效果，本发明所提供的方法基于频率分集阵列天线为传统FDA天线的基础上，将频率偏移量设置成均匀分布，能够有效消除天线阵元波束传输过程中在距离维度上的周期性，从而增强目标处的信号接收功率。
附图说明
图1是本发明所提供的基于频率分集阵列天线的波束控制方法的步骤流程图；
图2是现有技术中频率分集阵列波束方向图；
图3是本发明提供的波束控制方法中所得到的波束方向图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
由于传统的FDA天线频率偏移采用均匀增加的形式，FDA阵列方向图在距离维度上将出现周期性，从而产生多个主瓣，影响实际目标处的信号接收功率。为解决此问题，此发明采用随机频率偏移方法。
本发明提供的实施例为一种基于频率分集阵列天线的波束控制方法，如图1所示，所述波束控制方法的步骤包括：
步骤S1：将天线阵列中各个天线阵元发射信号的发射频率偏移量设置为均匀分布，建立随机频率偏移天线阵列发射信号模型。
对于传统FDA天线电台，假设有M个天线阵元，采用均匀线阵方式，则第m个天线阵元上的发射信号载波频率为：
fm＝f0+(m-1)·Δf,m＝1,2,…,M (1)
上式中，f0为参考载波频率，Δf为一固定的载波频率偏移，Δf相比于f0可忽略不计。需要指出的是，Δf将影响频率分集天线在距离维度上的方向图分布。
由于传统的FDA天线频率偏移采用均匀增加的形式，FDA阵列方向图在距离维度上将出现周期性，从而产生多个主瓣，影响实际目标处的信号接收功率。为解决此问题，此发明采用随机频率偏移方法。
在本发明中，同样采用M个阵元的均匀线阵方式，第m个天线阵元上的发射信号载波频率表示为：
fm＝f0+δm·Δf,m＝0,1,…,M-1 (2)
上式中，δm～U(0,1)表示为在0到1之间的均匀分布。
第m个天线阵元在t时刻的发射信号可以表示为：
Figure BDA0001633641810000051
上式中，wm表示第m个天线阵元上的权值系数，(·)H表示共轭转置操作，t表示信号发射时刻，T表示信号发射间隔。
步骤S2：根据期望目标的空间位置信息，计算所述期望目标空间位置处的接收信号模型。
若远处一个目标到达该阵列天线参考阵元(m＝0)处的距离为R0，到达角为θ0，则该目标到达第m个天线处的距离表示为：
Rm＝R0+mdsinθ0 m＝1,2,…,M-1 (4)
上式中，d为相邻两阵元间的间距，表示为：
Figure BDA0001633641810000052
上式中，c代表光速。
因此，该目标接收信号模型可以表示为：
Figure BDA0001633641810000053
将公式(4)带入公式(6)中，得到
Figure BDA0001633641810000054
上式中，λ0为参考信号的波长，
Figure BDA0001633641810000055
观察公式(7)中最后一项，分子δm mΔfdsinθ0远远小于分母c，因此，忽略该项，可以得到该目标接收信号模型为：
Figure BDA0001633641810000061
步骤S3：根据期望目标的空间位置信息，计算所述期望目标空间位置处的接收信号模型。
为了能够在期望目标(距离为R0，到达角为θ0)处形成主瓣，需要设计阵列天线阵元上的权值系数。首先，根据式(8)，我们可以得到该阵列天线发射信号到达该目标处的导向矢量为
Figure BDA0001633641810000062
然后依据空间匹配滤波准则，即
wHa(R0,θ0)＝M (10)
上式中，向量w＝[w0,w1,…,wM-1]H为阵列天线权值系数。由此，可以得到第m个天线阵元上的权值系数为
Figure BDA0001633641810000063
步骤S4：根据各个天线阵元的权值系数，控制各个天线阵元发射信号发射，形成波束。
根据步骤S3中所求天线阵元的阵列权值，进行天线阵元发射信号的发射控制，可以在期望目标的空间位置得到波束。
本步骤中通过对上述方法所述的计算方法进行模拟仿真计算，获得频率分集阵列的方向图响应：
Figure BDA0001633641810000064
上式中，R和θ分别为阵列天线可以探测到的任意距离和空间角度。
将式(11)带入式(12)中，得到
Figure BDA0001633641810000071
上述公式(13)也即波束方向图与距离和空间角度函数，对其进行仿真模拟，可以得到如图3所示的波束方向图示意图。
本发明在传统频率分集阵列天线技术的基础上，引入随机频率偏移方法，提出一种基于频率偏移阵列的方向图设计方法。该发明将随机频率偏移天线阵列引入到卫星导航RTK基准站发射电台中，灵活控制RTK基准站发射天线的方向图，同时消除FDA方向图中距离维度上的周期性，增强目标处的信号接收功率。
为证明本发明的有效性，进行了对上述方法进行仿真验证。
假设阵列天线采用均匀线阵，阵元数目为10，入射信号到达角和距离分别为0°和100km，参考载波频率为f0＝1.5GHz，信号发射间隔为T＝1ms。图2和图3分别是传统频率分集阵列波束方向图和基于频率分集阵列天线的波束控制方法所得到的方向图。
从图2和图3中可以明显看出，两种方法都可以在目标处形成主波束。但是，图2中波束方向图的主瓣在距离维度上有明显的周期特性，而图3中则没有这种情况，从而增强了目标处的接收信号功率。

Claims (3)

1.一种基于频率分集阵列天线的波束控制方法，其特征在于，包括：
步骤A、将天线阵列中各个天线阵元发射信号的发射频率偏移量设置为均匀分布，建立随机频率偏移天线阵列发射信号模型；
步骤B、根据期望目标的空间位置信息，计算所述期望目标空间位置处的接收信号模型；
步骤C、根据所述接收信号模型，得到天线阵列发射信号到达所述期望目标空间位置处的导向矢量，并根据所述导向矢量计算得到天线阵列中各个天线阵元的权值系数；
步骤D、根据各个天线阵元的权值系数，控制各个天线阵元发射信号发射，形成波束；
所述发射信号载波频率表示为：
fm＝f0+δm·Δf，m＝0，1，…，M-1；
其中，f0为参考载波频率，Δf为一固定的载波频率偏移，Δf远小于f0，δm～U(0,1)表示为在0到1之间的均匀分布，M为天线阵元的个数；
所述阵列天线发射信号到达期望目标处的导向矢量为：
Figure FDA0002997082300000011
其中，d为相邻两个天线阵元间的间距；c代表光速；R0和θ0分别表示为期望目标空间位置到天线阵列参考阵元处的距离和到达角；
依据空间匹配滤波准则，即
wHa(R0,θ0)＝M；
上式中，向量w＝[w0,w1,…,wM-1]H为阵列天线权值系数；
由此，得到第m个天线阵元上的权值系数为：
Figure FDA0002997082300000021
其中，λ0为参考信号的波长。
2.根据权利要求1所述的基于频率分集阵列天线的波束控制方法，其特征在于，步骤A中所述随机频率偏移天线阵列发射信号模型为；
Figure FDA0002997082300000022
其中，xm(t)表示第m个天线阵元上在t时刻的发射信号，wm表示第m个天线阵元上的权值系数，(·)H表示共轭转置，t表示信号发射时刻，T表示信号发射间隔；fm表示第m个天线阵元上的发射信号载波频率。
3.根据权利要求2所述的基于频率分集阵列天线的波束控制方法，其特征在于，步骤B中所述期望目标空间位置处的接收信号模型为：
Figure FDA0002997082300000023
其中，wm表示第m个天线阵元上的权值系数，(·)H表示共轭转置，t表示信号发射时刻，Rm表示该期望目标空间位置到达第m个天线阵元处的距离。
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