CN110441729A - 一种大规模天线阵列的测角方法 - Google Patents

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熊军
郭晓峰
景晓康
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XI'AN YUFEI ELECTRONIC TECHNOLOGY Co.,Ltd.
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Xi'an Yu Fei Electronic Technology Co Ltd
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    • G01S3/48—Systems for determining direction or deviation from predetermined direction using antennas spaced apart and measuring phase or time difference between signals therefrom, i.e. path-difference systems the waves arriving at the antennas being continuous or intermittent and the phase difference of signals derived therefrom being measured

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Abstract

本发明公开了一种大规模天线阵列的测角方法，将多个阵列天线按照一定的规则分成若干个子阵，每一个子阵组成一个接收通道，这样就能够显著降低通道个数和实现成本，同时也会给阵列雷达信号处理部分减轻负担。对于宽带数字雷达而言，在子阵级采用数字时延技术，一方面可以减少数字时延单元，另一方面，由于子阵之间的时延量较相邻阵元之间大得多，这样的分数时延实现起来更加容易。

Description

一种大规模天线阵列的测角方法
技术领域
本发明涉及无线通讯领域，具体是一种大规模天线阵列的测角方法。
背景技术
近些年来提出了各种波束形成方法，绝大部分都是基于阵元级的。另一方面，为了满足阵列波束图主瓣宽度、接收前端信噪比等技术指标，实际的阵列雷达系统往往具有成百上千甚至上万个阵列单元，这样就导致如果每个阵列天线都对应一个接收通道的话，不但会带来巨大的系统复杂性和实现成本，而且在进行后续自适应阵列处理时也会带来难度，无法实时处理。实际系统进行自适应处理也不需要那么多自由度。
规则不重叠划分子阵就是将整个阵列分成若干个结构形式相同、包含阵元个数相同、阵列单元互不重叠的子阵。子阵的划分会导致阵列接收数据模型不同于对于宽带数字阵，如果仅考虑主瓣波束指向控制，可以采用基于子阵的宽带波束形成结构，通过子阵内移相、子阵问时延的方式实现对阵列天线的波束指向和扫描，这种结构在降低系统实现成本和复杂性的同时，更为重要的是可以部分抵消孔径渡越时间，较好地解决阵列瞬时带宽受限问题，对于不划分子阵的普通相控阵系统，由于孔径效应的存在，当带宽较大时，会出现指向偏移现象。
发明内容
本发明的目的在于提供一种大规模天线阵列的测角方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种大规模天线阵列的测角方法，包括如下步骤：(1)建立M×N个天线阵元等间距的排列成一个正方形或者矩形的均匀平面天线阵列模型，天线位于XOY平面，阵元之间等间隔分布成矩形，阵列围绕着原点O排列，在Y轴上阵元个数为M，在X轴上阵元个数为N，阵元间距为d，阵元的坐标为(xn，ym)，信号入射方向与Z轴的夹角为入射方向在XOY平面的投影与X轴之间的夹角为θ，选取原点为参考点，信号到达各个阵元与原点的时延差为
式中：c为光速；
相位差为
式中：f0为入射信号频率，λ0为入射信号波长；
则阵列在t时刻M×N个阵元接收到的信号矢量为
则
式中，s0(t)为到达原点阵元的入射信号，为入射信号的导向矢量；(2)将均匀平面天线阵列模型分为4个子阵，将空间入射角度分解为左右方位方向角Α和上下俯仰方向角E，4个子阵列，每一个子阵列有4个阵子，4个子阵各天线的加权系数都相同，指向同一方向，首先每一个阵列中的这4个阵子的信号首先内部叠加，
sA＝sA1+sA2+sA3+sA4
sA＝sA1+sA2+sA3+sA4
设4个子阵加权后以及正交下变频与滤波处理后的基带复信号分别表示为sA、sB、sC和sD，
则方位方向由于波程差产生的相位差为
方位方向角Α的估计值为
d′为左右两半阵子中心之间的距离，d为相邻两个阵子之间的距离，
同样，俯仰方向由于波程差产生的相位差为
方位方向角Α的估计值为
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明方法将多个阵列天线按照一定的规则分成若干个子阵，每一个子阵组成一个接收通道，这样就能够显著降低通道个数和实现成本，同时也会给阵列雷达信号处理部分减轻负担。对于宽带数字雷达而言，在子阵级采用数字时延技术，一方面可以减少数字时延单元，另一方面，由于子阵之间的时延量较相邻阵元之间大得多，这样的分数时延实现起来更加容易。
附图说明
图1为大规模天线阵列的测角方法中均匀平面天线子阵划分模型图。
图2为大规模天线阵列的测角方法中方位角A测量结果图。
图3为大规模天线阵列的测角方法中俯仰角度E测量结果图。
图4为大规模天线阵列的测角方法中信号与Z轴夹角theta测量结果图。
图5为大规模天线阵列的测角方法中信号投影到XOY平面上与X轴夹角fai测量结果图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，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他实施例，都属于本发明保护的范围。
一种大规模天线阵列的测角方法，包括如下步骤：(1)建立M×N个天线阵元等间距的排列成一个正方形或者矩形的均匀平面天线阵列模型，天线位于XOY平面，阵元之间等间隔分布成矩形，阵列围绕着原点O排列，在Y轴上阵元个数为M，在X轴上阵元个数为N，阵元间距为d，阵元的坐标为(xn，ym)，图1中M＝4，N＝4，信号入射方向与Z轴的夹角为入射方向在XOY平面的投影与X轴之间的夹角为θ，选取原点为参考点，信号到达各个阵元与原点的时延差为
式中：c为光速；
相位差为
式中：f0为入射信号频率，λ0为入射信号波长；
则阵列在t时刻M×N个阵元接收到的信号矢量为
则
式中，s0(t)为到达原点阵元的入射信号，为入射信号的导向矢量；(2)平面相控阵天线，入射方向是空间三维的，此时需要将相控阵天线的均匀平面天线阵列模型分为4个子阵，将空间入射角度分解为左右方位方向角Α和上下俯仰方向角E，4个子阵列，每一个子阵列有4个阵子，4个子阵各天线的加权系数都相同，指向同一方向，首先每一个阵列中的这4个阵子的信号首先内部叠加，
sA＝sA1+sA2+sA3+sA4
sA＝sA1+sA2+sA3+sA4
设4个子阵加权后以及正交下变频与滤波处理后的基带复信号分别表示为sA、sB、sC和sD，
则方位方向由于波程差产生的相位差为
方位方向角Α的估计值为
d′为左右两半阵子中心之间的距离，d为相邻两个阵子之间的距离，
同样，俯仰方向由于波程差产生的相位差为
方位方向角Α的估计值为
图2-5给出在不同Es/N0下的测角仿真结果，采用PSK调制，天线阵列形式为16天线正方形阵列，只利用一个符号进行计算，入射方位方向角Α＝10°、俯仰方向角E＝0°。
综上所述，本发明方法将多个阵列天线按照一定的规则分成若干个子阵，每一个子阵组成一个接收通道，这样就能够显著降低通道个数和实现成本，同时也会给阵列雷达信号处理部分减轻负担。对于宽带数字雷达而言，在子阵级采用数字时延技术，一方面可以减少数字时延单元，另一方面，由于子阵之间的时延量较相邻阵元之间大得多，这样的分数时延实现起来更加容易。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (1)

1.一种大规模天线阵列的测角方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)建立M×N个天线阵元等间距的排列成一个正方形或者矩形的均匀平面天线阵列模型，天线位于XOY平面，阵元之间等间隔分布成矩形，阵列围绕着原点O排列，在Y轴上阵元个数为M，在X轴上阵元个数为N，阵元间距为d，阵元的坐标为(xn，ym)，信号入射方向与Z轴的夹角为入射方向在XOY平面的投影与X轴之间的夹角为θ，选取原点为参考点，信号到达各个阵元与原点的时延差为
式中：c为光速；
相位差为
式中：f0为入射信号频率，λ0为入射信号波长；
则阵列在t时刻M×N个阵元接收到的信号矢量为
则
式中，s0(t)为到达原点阵元的入射信号，为入射信号的导向矢量；(2)将均匀平面天线阵列模型分为4个子阵，将空间入射角度分解为左右方位方向角Α和上下俯仰方向角E，4个子阵列，每一个子阵列有4个阵子，4个子阵各天线的加权系数都相同，指向同一方向，首先每一个阵列中的这4个阵子的信号首先内部叠加，
sA＝sA1+sA2+sA3+sA4
sA＝sA1+sA2+sA3+sA4
设4个子阵加权后以及正交下变频与滤波处理后的基带复信号分别表示为sA、sB、sC和sD，
则方位方向由于波程差产生的相位差为
方位方向角Α的估计值为
d′为左右两半阵子中心之间的距离，d为相邻两个阵子之间的距离，
同样，俯仰方向由于波程差产生的相位差为
方位方向角Α的估计值为
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