CN111934737B - 一种宽带数字阵列的时延补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种宽带数字阵列的时延补偿方法，属于宽带数字阵列技术领域。该方法首先对多通道阵列中各收通道接收的波束信号进行大动态高速高精度同步采样，得到各收通道的采样信号；然后对各收通道的采样信号进行数字变频和滤波处理，完成各目标的波束合成；最后通过卷积运算实现对各目标的波束合成信号进行时延补偿。本发明具有体积小、功耗低、成本低、资源利用率高等优点，可广泛应用于雷达、通信、测控等宽带数字阵列接收机中。

Description

一种宽带数字阵列的时延补偿方法

技术领域

本发明涉及宽带数字阵列技术领域，特别是指一种宽带数字阵列的时延补偿方法。

背景技术

目前，由于日益严峻的目标环境和电磁环境的挑战，拥有大动态范围、低损耗、低副瓣，容易实现多独立可控波束、高精度低角测高和宽带宽角扫描等多种优势的数字阵列引起了越来越多人的关注。

在宽带数字阵列中，波束合成中不同频率的信号即使具有相同的相移量却有不同的时间延时，从而导致接收机性能恶化。针对这一问题，人们提出了在波束合成前采用实时延时线来校正补偿每一通道信号的时延，实时延时线通常由波导或同轴电缆组成。但是，这种方法存在体积大、功耗大、成本高和受环境影响大的缺点。此外，高倍过采样、数字时域内插、分数时延滤波器等方法也被采用来补偿通道时延，但当阵列规模庞大时，传统的这些方法会造成数据量、处理资源激增，导致系统功耗、成本、体积的大大增加。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于解决上述背景技术中的问题，提出一种宽带数字阵列的时延补偿方法，该方法具有收敛速度快、成本低、不增加处理数据量等特点，可用于宽带数字阵列接收机。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种宽带数字阵列的时延补偿方法，其包括以下步骤：

(1)对多通道阵列中各收通道接收的波束信号进行大动态高速高精度同步采样，得到各收通道的采样信号；

(2)对各收通道的采样信号进行数字变频和滤波处理，完成各目标的波束合成；

(3)对步骤(2)中各目标的波束合成信号进行时延补偿，具体方式为：

(301)根据接收波束信号的阵元数以及阵元之间的间距，计算各阵元上波束的阵面入射扇区角度；

(302)根据阵面入射扇区角度、阵面半径以及电磁波速度，计算各波束时延；

(303)根据波束时延，构建当前时刻波束合成信号的合成传递向量；

(304)根据合成传递向量求解当前时刻波束合成信号的时延补偿传递矩阵；

(305)根据时延补偿传递矩阵，完成对各目标波束合成信号的时延补偿。

进一步的，各阵元上波束的阵面入射扇区角度为：θ_q＝θ_q-1+360/Q，第一个阵元上波束的阵面入射扇区角度为：θ₁＝180/Q；q为阵元序号，Q为阵元数。

进一步的，所述波束时延的计算方式为：

Δt_q＝(1-cos(θ_q×π/180))×λ/3×10⁸，

其中，Δt_q为第q个阵元上波束的时延，λ为阵面半径，单位为米，θ_q为第q个阵元上波束的阵面入射扇区角度。

进一步的，所述合成传递向量为C＝(c₁,c₂,...,c_i,...,c_n)^T，i为脚标，1≤i≤n，n为取样点个数，T为矩阵的转置；

构建合成传递向量时，首先将c_i均初始化为0，然后计算各个Δt_q/T_sym，1≤q≤Q，T_sym为目标的传输符号速率；接着将得到的Q个结果均四舍五入为整数值，并以这些整数值为脚标，将对应的c_i均设为1，从而得到当前时刻的合成传递向量。

进一步的，所述时延补偿传递矩阵的求解方式为：

1)构造矩阵G：

G＝[C₁ C₂ ... C_p ... C_n]，

C_p＝[O_p-1 C^T O_n-p]^T，1≤p≤n，

其中，O_p-1表示p-1个0，O_n-p表示n-p个0，C^T为合成传递向量C的转置；G的行数为2×n-1，列数为n；

2)构造矩阵d：

d＝[1,0,…,0,…,0]^T，

d的行数为2×n-1，列数为1；

3)通过矩阵除法求解时延补偿传递矩阵h：

h的行数为n，列数为1。

进一步的，步骤(305)的具体方式为：

对于每个目标的波束合成信号，将该信号与时延补偿传递矩阵h进行卷积运算，得到时延补偿后的信号。

本发明与背景技术相比具有如下优点：

1.本发明相比于传统的实时延时线方法，可大大降低系统的成本、体积和功耗。

2.本发明相比于传统的高倍过采样、数字内插、分数时延滤波器的方法，可大大提高降低处理数据量，提高资源利用率，尤其适用于大型宽带数字阵列，对宽带数字阵列在雷达、通信、测控等领域的应用具有重要意义。

附图说明

图1是本发明实施例中时延补偿系统的原理框图，图中的输入信号为宽带数字阵列中各个阵元的接收信号。

图2是图1中时延补偿模块的原理框图。

图中：1、多通道同步采集模块，2、波束合成模块，3、时延补偿模块，301、扇区角度计算模块，302、波束时延计算模块，303、波束合成传递函数构建模块，304、时延补偿传递函数求解模块，305、卷积运算模块。

具体实施方式

下面，结合附图和具体实施例对本发明的技术方案做进一步说明。

一种宽带数字阵列的时延补偿方法，其包括以下步骤：

(1)对多通道阵列中各收通道接收的波束信号进行大动态高速高精度同步采样，得到各收通道的采样信号；

(2)对各收通道的采样信号进行数字变频和滤波处理，完成各目标的波束合成；

(3)对步骤(2)中各目标的波束合成信号进行时延补偿，具体方式为：

(301)根据接收波束信号的阵元数以及阵元之间的间距，计算各阵元上波束的阵面入射扇区角度；

(302)根据阵面入射扇区角度、阵面半径以及电磁波速度，计算各波束时延；

(303)根据波束时延，构建当前时刻波束合成信号的合成传递向量；

(304)根据合成传递向量求解当前时刻波束合成信号的时延补偿传递矩阵；

(305)根据时延补偿传递矩阵，完成对各目标波束合成信号的时延补偿。

上述方法可由图1和2所示的系统实现：

宽带数字阵列中各个阵元的接收信号首先输入多通道同步采集模块1，多通道同步采集模块1对多通道阵列中各收通道接收的波束信号进行大动态高速高精度同步采样，得到各收通道的采样信号。接着波束合成模块2对各收通道的采样信号进行数字变频和滤波处理，完成各目标的波束合成。最后，时延补偿模块3对各目标的波束合成信号进行时延补偿，具体方式为：

扇区角度计算模块301根据接收波束信号的阵元数以及阵元之间的间距，计算各阵元上波束的阵面入射扇区角度；

波束时延计算模块302根据阵面入射扇区角度、阵面半径以及电磁波速度，计算各波束时延；

波束合成传递向量构建模块303根据波束时延，构建当前时刻波束合成信号的合成传递向量；

时延补偿传递矩阵求解模块304根据合成传递向量求解当前时刻波束合成信号的时延补偿传递矩阵；

卷积运算模块305根据时延补偿传递矩阵，对各目标波束合成信号进行卷积运算，完成时延补偿。

上述方法中，各阵元上波束的阵面入射扇区角度为：θ_q＝θ_q-1+360/Q，第一个阵元上波束的阵面入射扇区角度为：θ₁＝180/Q；q为阵元序号，Q为阵元数。

所述波束时延的计算方式为：

Δt_q＝(1-cos(θ_q×π/180))×λ/3×10⁸，

其中，Δt_q为第q个阵元上波束的时延，λ为阵面半径，单位为米，θ_q为第q个阵元上波束的阵面入射扇区角度。

所述合成传递向量为C＝(c₁,c₂,...,c_i,...,c_n)^T，i为脚标，1≤i≤n，n为取样点个数，T为矩阵的转置；

构建合成传递向量时，首先将c_i均初始化为0，然后计算各个Δt_q/T_sym，1≤q≤Q，T_sym为目标的传输符号速率；接着将得到的Q个结果均四舍五入为整数值，并以这些整数值为脚标，将对应的c_i均设为1，从而得到当前时刻的合成传递向量。

所述时延补偿传递矩阵的求解方式为：

1)构造矩阵G：

G＝[C₁ C₂ ... C_p ... C_n]，

C_p＝[O_p-1 C^T O_n-p]^T，1≤p≤n，

其中，O_p-1表示p-1个0，O_n-p表示n-p个0，C^T为合成传递向量C的转置；G的行数为2×n-1，列数为n；

2)构造矩阵d：

d＝[1,0,…,0,…,0]^T，

d的行数为2×n-1，列数为1；

3)通过矩阵除法求解时延补偿传递矩阵h：

h的行数为n，列数为1。

最后，对于每个目标的波束合成信号x_k，时延补偿后的信号y_k为：

y_k＝x_k*h，

其中，*表示卷积运算。

总之，本发明方法是在多通道同步采集、波束合成等基础上进行的，其通过波束时延计算、抽头系数计算、时延补偿等步骤完成。本发明较传统的实时延时线、高倍过采样、数字时域内插等时延补偿方法，具有体积小、功耗低、成本低、资源利用率高等优点，可广泛应用于雷达、通信、测控等宽带数字阵列接收机中。

Claims (2)

1.一种宽带数字阵列的时延补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)对多通道阵列中各收通道接收的波束信号进行大动态高速高精度同步采样，得到各收通道的采样信号；

(2)对各收通道的采样信号进行数字变频和滤波处理，完成各目标的波束合成；

(3)对步骤(2)中各目标的波束合成信号进行时延补偿，具体方式为：

(301)根据接收波束信号的阵元数以及阵元之间的间距，计算各阵元上波束的阵面入射扇区角度：

θ_q＝θ_q-1+360/Q

第一个阵元上波束的阵面入射扇区角度为：

θ₁＝180/Q

其中，q为阵元序号，Q为阵元数；

(302)根据阵面入射扇区角度、阵面半径以及电磁波速度，计算各波束时延；波束时延的计算方式为：

Δt_q＝(1-cos(θ_q×π/180))×λ/3×10⁸，

其中，Δt_q为第q个阵元上波束的时延，λ为阵面半径，单位为米，θ_q为第q个阵元上波束的阵面入射扇区角度；

(303)根据波束时延，构建当前时刻波束合成信号的合成传递向量；合成传递向量为C＝(c₁,c₂,...,c_i,...,c_n)^T，i为脚标，1≤i≤n，n为取样点个数，T为矩阵的转置；

构建合成传递向量时，首先将c_i均初始化为0，然后计算各个Δt_q/T_sym，1≤q≤Q，T_sym为目标的传输符号速率；接着将得到的Q个结果均四舍五入为整数值，并以这些整数值为脚标，将对应的c_i均设为1，从而得到当前时刻的合成传递向量；

(304)根据合成传递向量求解当前时刻波束合成信号的时延补偿传递矩阵；时延补偿传递矩阵的求解方式为：

1)构造矩阵G：

G＝[C₁ C₂...C_p...C_n]，

C_p＝[O_p-1 C^T O_n-p]^T，1≤p≤n，

其中，O_p-1表示p-1个0，O_n-p表示n-p个0，C^T为合成传递向量C的转置；G的行数为2×n-1，列数为n；

2)构造矩阵d：

d＝[1,0,…,0,…,0]^T，

d的行数为2×n-1，列数为1；

3)通过矩阵除法求解时延补偿传递矩阵h：

h的行数为n，列数为1；

(305)根据时延补偿传递矩阵，完成对各目标波束合成信号的时延补偿。

2.根据权利要求1所述的一种宽带数字阵列的时延补偿方法，其特征在于，步骤(305)的具体方式为：

对于每个目标的波束合成信号，将该信号与时延补偿传递矩阵h进行卷积运算，得到时延补偿后的信号。

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