CN112134604A - 使用相控阵天线搜索信号的方法和相控阵天线系统 - Google Patents

使用相控阵天线搜索信号的方法和相控阵天线系统 Download PDF

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Abstract

本申请涉及使用相控阵天线搜索信号的方法和相控阵天线系统。用于在相控阵天线的视场内快速找到能检测的信号的系统和方法。通过使用基于树的信号检测方法生成从粗到精的角度波束图案，随时间修改发射波束图案，从而通过典型的时延操纵提高信号空间搜索性能。采用基于树的波束搜索来选择具有较窄波束宽度的波束，以便以与视轴成一定角度的角度发射，该角度位于先前已检测到信号的角度空间中。

Description

使用相控阵天线搜索信号的方法和相控阵天线系统
技术领域
本文公开的技术通常涉及相控阵天线。具体而言，本文公开的技术涉及用于使用相控阵天线搜索信号的方法。
背景技术
现代相控阵天线是一种技术支持，可支持经由卫星、飞机、轮船和陆地车辆进行的移动宽带通信。具体而言，需要先进的数字波束成形，以通过改进的旁瓣性能和光栅波瓣抑制、更快的陷波速度、更快的扫描速度和更快的波束切换来提供动态、高通量的鲁棒通信和与更大的相控阵天线的联网，以增强网络性能。因此，波束搜索有许多不同的应用，无论是用于连接移动网络、寻找新雷达、在切换卫星或蜂窝塔时提供可靠的切换等。如本文所用，术语“波束搜索”是指使用波束搜索信号(不搜索波束)。
波束搜索的核心是波束成形的过程。波束成形是一种在天线阵列中用于定向信号发射或接收的信号处理技术。这是通过组合天线阵列中的信号元素以使特定角度的信号遭受相长干扰而其他角度遭受相消干扰的方式实现的。这些通常称为相控阵天线。与全向接收和/或发射相比的改进被称为阵列的方向性，并且是天线性能的重要度量。波束成形可用于射频(RF)或声波，并在雷达、声纳、地震、无线通信、射电天文学、声学和生物医学中有许多应用。传统的时延波束操纵采用指向方向(在本文中交替称为“视轴角度”或“指向角度”)并在天线阵列上产生设置，从而使朝向指向方向的信号发射或接收最大化，并且窄波束形成。用于实现波束成形的机制是分别调整每个元素的相位(或时间延迟)和幅度(或权重)，以强制相长或相消信号求和以生成所需的波束。
现有的使用相控阵进行波束搜索的解决方案在其搜索信号的方法中都模仿了机械碟形天线。因此，这些解决方案在阵列的视场F上扫过单个窄波束。这意味着扫掠时间会随着阵列的大小(元素总数)线性增加，因为波束最终必须指向视场中的每个角度区域。要看到这一点，请注意具有N个元素的线性阵列的第一个零波束宽度，其波长为λ，d＝λ/2元素间距，以弧度为单位约为4/N。类似的近似结果表明，对于大小为N1×N2的平面阵列，角度区域约是线性阵列波束宽度的乘积，例如以弧度为单位的16/(N1N2)。因此，对于线性阵列，完全搜索F的时间约为span(F)*N/4，对于平面阵列，约为area(F)*N1N2/16。在此，span()表示以弧度为单位的角度范围，area()表示以弧度为单位的二维立体角度范围。
解决如何在相控阵天线的视场内快速找到所有能检测的信号的问题的解决方案将是有益的。
发明内容
以下详细公开的主题涉及用于在相控阵天线的视场内快速找到能检测的信号的系统和方法。通过使用基于树的信号检测方法生成从粗到精的角度波束图案，可随时间修改发射波束图案，从而通过典型的时延操纵提高信号空间搜索性能。采用基于树的波束搜索来选择具有较窄波束宽度的波束，以便以与视轴成一定角度的角度发射，该角度位于先前已检测到信号的角度空间中。
根据一个实施方式，设计了具有多个级别的互补波束集。组成每个级别的子集中的波束数量随着级别的增加而增加。然后将互补波束的级别加载到波束操纵控制器中，该控制器控制相控阵天线产生的波束。当检测到的信号的参数值超过阈值时发生信号检测。例如，检测到的参数可以是信号中能量的总和。许多其他检测方案也是可能的。随着级别增加，每个波束滤波器的增益增加，波束宽度减小。因此，信号将通过更多的空间滤波器，从而缩小可能的信号方向，同时增加接收信号的功率。这具有在(2)较窄的角度区域中(1)找到更多信号的双重效应。
如上所述，典型的相控天线阵列在其搜索信号的方法中模仿了机械天线。因此，使用相控阵天线为每个指令角度产生相应的窄波束。相反，本文公开的波束搜索方法允许随着时间修改波束图案，以通过典型的时延操纵增加信号空间搜索性能。与通常用于波束搜索的方法相比，此方法使用相控阵的功能更多。维度论据清楚地表明了这一点。如果使用单个波束的简单角度搜索扫过具有N个元素的相控阵天线的视场，则相位和幅度控制仅在线性(平面)阵列的一维(二维)空间内变化，对波束具有方位角(和仰角)角度控制。因此，在搜索过程中将仅使用N-1(N-2)维来创建窄波束。相反，由于波束的宽度以及指向角度增加，因此本文提出的系统使用更多尺寸进行搜索。因此，本文提出的系统使用多达两倍的阵列尺寸进行搜索。这允许以有效的方式在方向性和搜索时间之间进行权衡。
本文提出的波束搜索方法(以下称为“树波束搜索”)具有以下值得注意的特征：(1)使用相控阵天线执行树波束搜索可在与Dlog2(N)/2成比例的时间内发现视场(平均)内的所有信号，其中D是检测单个信号的时间。这比传统方法要快得多，在传统方法中，时间平均与DN/2成正比。(2)通过更快地搜索信号空间，增加了瞬态信号检测的可能性。具体而言，该系统能够更可靠地检测持续时间较短的信号。例如，尽管标准搜索技术检测到具有持续时间DN的所有信号，但是本文提出的方法能够检测出具有持续时间Dlog2(N)的大多数信号。
前一段所述的功能通过提高搜索性能而不增加天线尺寸或数量以及不提高RF接收器性能，从而为相控阵天线系统带来了好处，这种选择非常昂贵且存在很多问题。与典型的相控天线阵列采用的相比，本文采用的方法采用了更鲁棒的波束成形和波束操纵，并且可使用市售的现场可编程门阵列(FPGA)和电子设备来实现。
尽管下面将详细描述用于在相控阵天线的视场内快速查找能检测的信号的系统和方法的各种实施方式，但是这些实施方式中的一个或多个可通过以下一个或多个方面来表征。
下面更详细公开的主题的一个方面是一种使用相控阵天线搜索信号的方法，该方法包括：(a)发射第一波束，该第一波束具有第一波束宽度和与视轴的第一角度；(b)在发射所述第一波束之后接收第一信号；(c)检测所述第一信号的参数值超过第一阈值；(d)发射第二波束，该第二波束具有小于所述第一波束宽度的第二波束宽度，以及设置在所述第一波束的角度范围内的与视轴的第二角度；和(e)发射第三波束，该第三波束具有第二波束宽度和与视轴的第三角度，该第三角度设置在所述第一波束的角度范围内，其中，与视轴的第一角度设置在与视轴的第二角度和第三角度之间。根据一些实施方式，所述第二波束宽度等于所述第一波束宽度的一半，并且所述第二和第三波束的总角度范围与所述第一波束的角度范围有同等范围。
紧接前一段描述的方法还可包括：(f)在发射所述第二波束之后接收第二信号；(g)检测所述第二信号的参数值超过第二阈值；(h)发射第四波束，该第四波束具有小于所述第二波束宽度的第三波束宽度和设置在所述第二波束的角度范围内的与视轴的第四角度；和(i)发射第五波束，该第五波束具有所述第三波束宽度和设置在所述第二波束的角度范围内的与视轴的第五角度，其中，与视轴的第二角度设置在与视轴的第四角度和第五角度之间。所述第一至第五波束选自互补波束集，该互补波束集具有L个级别，所述L个级别包括：具有M个波束并包括第一波束的第一级别，具有2M个波束并包括第二和第三波束的第二级别，具有4M个波束并包括第四和第五波束的第三级别和具有2L-1M个波束的第L个级别，其中M和L是整数。
下面更详细公开的主题的另一个方面是一种使用相控阵天线搜索信号的方法，所述方法包括：设计具有L个级别的互补波束集；将互补波束集的L个级别加载到波束操纵控制器中，该控制器控制相控阵天线产生的波束；在互补波束集中标记波束(b，l)以进行传输；设置相控阵天线的天线元件的相位和幅度，以发射具有波束宽度和指向角的标记波束；发射标记的波束；发射标记的波束之后，在相控阵天线处接收信号；检测何时接收到的信号的参数值指示接收到信号；确定当前级别l是否小于级别总数L；如果当前级别l不小于所述级别总数L，则声明已经检测到信号的到达方向与当前波束的指向角相对应；如果所述当前级别l小于级别总数L，则在对应于用于传输的所述互补波束集的级别l处的当前波束的下一个级别(l+1)中标记两个波束(2b-1)和2b；设置相控阵天线的天线元件的相位和幅度以发射两个波束；并连续发射两个波束。根据一个提出的实施方式，互补波束集具有L个级别，包括具有M个波束的第一级别，具有2M个波束的第二级别，具有4M个波束的第三级别和具有2L-1M个波束的第L个级别，其中M和L是整数。该方法可进一步包括：标记来自第L个级别的附加波束的子集，以便填充当前搜索帧的搜索间隙；以及设置相控阵天线的天线元件的相位和幅度以发射附加波束。
下面公开的主题的另一个方面是一种系统，包括：相控阵天线；发射器；接收器；发射模块，在发射模式中将所述发射器连接到所述相控阵天线，并在接收模式中将所述接收器连接到所述相控阵天线；波束操纵控制器，被配置为控制所述相控阵天线以发射具有通过基于树的波束搜索确定的波束宽度和与视轴的角度的波束；波束搜索控制器，被配置为向所述发射器和波束操纵控制器发送命令，该命令使由基于树的波束搜索选择的波束由所述相控阵天线发射；和互补波束集数据存储介质，其存储表示以L个级别组织的互补波束集的波束规格的数据，其中，所述波束搜索控制器和所述波束操纵控制器均可访问所述互补波束集数据存储介质，所述波束搜索控制器还被配置为标记在所述互补波束集数据存储介质中指定的所选波束，并且所述波束操纵控制器还被配置为根据从所述互补波束集数据存储介质读取的波束信息来控制由相控阵天线产生的波束。所述波束搜索控制器包括被配置用于检测由所述接收器输出的信号的特定参数的模块。
根据紧接前一段描述的系统的一些实施方式，所述互补波束集具有L个级别，所述L个级别包括具有M个波束的第一级别，具有2M个波束的第二级别，具有4M个波束的第三级别和具有2L-1M个波束的第L个级别，其中M和L是整数。所述第一级别包括具有第一波束宽度的波束，所述第二级别包括具有小于所述第一波束宽度的第二波束宽度的波束，所述第三级别包括具有小于所述第二波束宽度的第三波束宽度的波束，并且第L个级别包括具有小于所述第三波束宽度并且小于所述第三级别与所述第L个级别之间的任何级别的波束宽度的第L波束宽度的波束。
根据一个提出的实现，所述波束搜索控制器还被配置为执行包括以下操作：在所述互补波束集(20)中标记波束(b，l)以进行传输；检测何时接收到的信号的参数值指示在所述波束传输之后接收到信号；确定发射波束所属的当前级别l是否小于级别总数L；如果当前级别l不小于所述级别总数L，则声明已经检测到信号的到达方向与发射波束的指向角相对应；和如果所述当前级别l小于所述级别总数L，则在下一个级别(l+1)中标记两个波束(2b-1)和2b，该下一个级别对应于用于传输的所述互补波束集(20)的级别l处的传输的波束。
下面公开了用于在相控阵天线的视场内快速找到能检测的信号的系统和方法的其他方面。
附图说明
在前面的部分中讨论的特征、功能和优点可在各种实施方式中独立实现，或者可在其他实施方式中组合。为了示出上述和其他方面，以下将参考附图描述各种实施方式。
图1是标识典型相控阵天线系统的一些组件的框图。
图2是根据一个实施方式的标识使用相控阵天线执行树形波束搜索的方法的步骤的流程图。
图3是示出如何将数字波束形成器连接到相控阵天线的多个元件的图。
图4A和4B是分别示出单通道有限脉冲响应(FIR)滤波器(见图4A)和等距全向窄带线阵列(见图4B)之间的类比的图。
图5A-图5C是相对波束增益对指向角的曲线图。
图6A-图6C是绝对波束增益对指向角的曲线图。
图7是示出用于使用波束搜索方法的相控阵天线系统中的信号检测的树的图。
图8是根据一个实施方式的标识相控阵天线系统的一些组件的框图。
在下文中将参考附图，其中不同附图中的相似元件具有相同的附图标记。
具体实施方式
下面更详细地描述用于在相控阵天线的视场内快速找到能检测的信号的系统和方法的说明性实施方式。然而，在本说明书中没有描述实际实施方式的所有特征。本领域技术人员将理解，在任何这样的实际实施方式的开发中，必须做出许多特定于实现的决定来实现开发者的特定目标，例如遵守与系统有关的约束和与业务有关的约束，这将在一个实现到另一个实现之间不同。此外，将意识到，这样的开发工作可能是复杂且耗时的，但是对于受益于本公开的本领域普通技术人员而言仍将是例行的工作。
为了说明的目的，现在将描述一种用于在相控阵天线的视场内快速找到能检测的信号的方法的实例实施方式。为了避免疑问，现在将参考图1简要描述相控阵天线的工作原理。
图1是标识典型相控阵天线系统2的一些组件的框图。相控阵天线系统2包括相控阵天线4、发射器14、接收器16以及发射模块12，该发射模块12在发射模式中将发射器14连接到相控阵天线4，并且在接收模式中将接收器16连接到相控阵天线4。相控阵天线4包括天线元件6的阵列和相应的移相器8的阵列。每个天线元件6的馈电电流流过由波束操纵控制器10控制的相应移相器8(φ)。波束操纵控制器10是被配置为(例如，被编程为)控制移相器8的计算机，使得天线元件6发射相应的RF波，这些RF波组合以产生具有指向角θ的发射波束。各个波前是球形的，但是它们在相控阵天线4的前面合并(叠加)以产生沿特定方向传播的平面波。移相器8延迟RF波，使得每个天线元件6比其之前的天线元件晚发射其波前。这导致所产生的平面波被定向为与天线的轴(也称为视轴)成一个角度θ。通过改变相移，波束操纵控制器10可立即改变发射波束的角度θ。大多数相控阵具有天线元件的二维阵列，而不是图1所示的线性阵列，在这种情况下，可在两个维度上控制发射波束。类似地，通过控制相移以合并从指向角返回的波前来形成接收束。
在电信和雷达工程中，天线视轴是定向天线的最大增益(最大辐射功率)轴。对于大多数天线，视轴是天线的对称轴。例如，对于轴向馈电碟形天线，天线视轴是抛物面碟形天线的对称轴，并且天线辐射图案(主瓣)关于视轴轴对称。相控阵天线可通过改变由不同天线元件6发射的RF波的相对相位来电子操纵发射波束，从而改变视轴的角度(即指向角)。如本文所用，术语“波束宽度”是指当参考主瓣的峰值有效辐射功率时主瓣的半功率(-3dB)点之间的角度。
本文公开的波束搜索方法允许通过使用基于树的信号检测方法生成从粗到精的角度波束图案，随时间修改由相控阵天线系统2产生的波束图案，从而通过典型的时延操纵提高信号空间搜索性能。图2是标识根据一个实施方式的使用相控阵天线4执行树形波束搜索的方法的步骤的流程图，该方法包括标记要发送的所选波束，然后使用相控阵天线4发送标记的波束。图2中描述的步骤在波束搜索控制器1的控制下执行，该波束搜索控制器1通信地耦合到波束操纵控制器10。波束搜索控制器1是被配置为(例如，被编程为)向波束操纵控制器10发送命令的计算机或处理器。波束操纵控制器10又是被被配置(例如，被编程)为控制相控阵天线4以发送具有由基于树的波束搜索确定的波束宽度和与视轴的角度的标记波束的计算机或处理器。
根据图2中描绘的实施方式，设计了具有L个级别的互补波束集20。预先设计了波束图案，使得：级别1具有M个波束；级别2具有2M个波束，其中每对波束都适合级别1中波束图案的相应波束；级别3具有4M个波束，其中每对波束都适合来自级别2的波束图案的相应波束；等等。如本文中所使用的，“适合”是指在一个级别中的一对波束的相应角度范围与下一较低级别中的相应较宽的波束的相应部分重叠并且适合于其角度发范围，并且还意味着与下一较低级别中的较宽的波束的视轴的角度位于与该对波束的视轴的各个角度之间。这可使用滤波器设计技术来完成，并在下面更详细地描述。波束集中的每个波束由n(l，b)表示的“标记”标识，该标记指示级别l处的第b个标记波束。
然后将互补波束的L个级别(例如，以数据表的形式)加载到非暂时性有形计算机可读存储介质(图2中未示出，但是参见图8中的互补波束集数据存储介质11)，波束搜索控制器1和波束操纵控制器10都可访问该介质。波束搜索控制器1配置为标记在互补波束集数据存储介质11中指定的所选波束，而波束操纵控制器10配置为根据从互补波束集数据存储介质11中读取的波束信息来控制相控阵天线4产生的波束。更具体地，波束操纵控制器10为相控阵天线的每个天线元件6设置相位延迟(如先前相对于图1所述)，并且还设置用于调整天线元件6发射的波前振幅的权重。
响应于针对新的搜索帧的波束搜索的初始化，波束搜索控制器1重置波束索引b和级别索引l(图2中的操作34)。这些索引(标识要发射的标记波束)包含在发送到波束操纵控制器10的发射波束请求22中。波束操纵控制器10然后设置天线元件6的相位和幅度，以便发射具有指定波束宽度和与视轴指定角度的标记波束。
在发射编程波束之后，相控阵天线4接收信号S。在级别l发射编程波束Bln(1,b)之后接收到的信号在这里用Bln(1,b)(S)表示。波束搜索控制器1还被配置为检测何时信号参数的值指示接收到信号(不是噪声)。为了检测接收到的信号Bln(1,b)(S)的参数值(例如能量)，波束搜索控制器1使用选择的检测算法d()，该算法具有针对该级别l的阈值Tl。更具体地，确定参数的检测值是大于阈值T1：
d(Bln(l,b)(S))>Tl？
还是否(图2中的操作24)。如果确定接收信号的参数值高于阈值T1，则进一步确定当前级别l是小于级别总数L还是否(操作26)。一方面，如果当前级别l不小于级别总数L(例如，l＝L)，则高于阈值的信号检测将导致系统声明(操作27)已检测到信号的到达方向与当前波束Bln(1,b)的指向角相对应。
另一方面，如果当前级别l小于级别总数L，则标记与级别l的当前波束相对应的下一个级别(l+1)中的两个波束(2b-1)和2b，以便使用(操作28)。然后，将表示标记n(l+1,2b)和n(l+1,2b-1)的数字数据存储在先进先出缓冲器30中。波束搜索控制器1然后确定是否对所有标记的波束进行波束搜索(操作32)。如果已经发射了每个级别的所有标记波束，则波束搜索控制器1然后确定是否标记附加窄波束的子集，以便填充当前搜索帧的搜索间隙。
一方面，如果确定(在操作32中)未对所有标记的波束进行波束搜索，则波束索引b和级别索引l(其标识要发送的下一标记波束)被包括在发送到波束操纵控制器10的发射波束请求22中。发射波束请求22标识在波束操纵控制器10的控制下要发射的下一个波束Bln(1,b)。然后，波束操纵控制器10设置天线元件6的相位和幅度，从而将发射互补波束集20中的下一个标记波束。
另一方面，如果确定(在操作32中)对当前搜索帧的所有标记波束进行波束搜索，则波束搜索控制器1随后确定波束搜索是否应包括附加窄波束(例如，波束宽度等于最后级别L中的波束的波束宽度的波束)(操作34)。
一方面，如果确定(在操作34中)不应为当前搜索帧添加额外的窄波束，则波束搜索控制器1重置并发起针对新搜索帧的波束搜索(分别为操作18和22)。
另一方面，如果确定(在操作34中)应当为当前搜索帧添加额外的窄波束以便填充当前搜索帧的搜索间隙，则波束搜索控制器1然后标记附加窄波束。这些额外的窄波束标记在波束搜索帧的末尾，所有标记波束均已被处理。选择标记额外的窄波束以完成搜索帧的原因是为了处理仅使用最窄的波束(具有相应最高的增益)才能检测到接收到的信号因此可能会被有效的树搜索遗漏的情况。对于二分搜索树，在最后(最窄的波束)级别L处有ML＝2L-1M个可能的波束，其中
Figure BDA0002555792720000111
是该级别的NL标记波束的集合。在先前的假设下，搜索帧中剩余t＝1/R-(M1+M2+...+ML)D秒，其中R是搜索帧速率，单位为每秒帧数。因此，每帧都有t/D额外波束的空间。附加标记的工作方式(这是假设在期望的恒定束停留时间D下，期望的R帧每秒的固定搜索帧速率)如下：
帧F1将标记从用于帧F1的级别L处的未标记窄波束的整个集合ML-NL(F1)(标为U(F1)＝{u1，u2，...})连续获取的第一组m＝t/D个波束。将该标记的集合称为A(F1)＝{u1，...，um}。
帧F2将标记从用于帧F2的级别L处的未标记窄波束连续获取的下一组m个波束，表示为U(F2)，减去A(F1)中表示为U(F_2)\U(F_1)的那些。将此集称为A(F2)。
此过程逐帧继续，直到未标记的波束集减去附加标记的波束U(F)\(F1)\(F2)...为空。然后，额外的窄波束标记过程再次开始。
对这种方案的简单修改很容易以非恒定搜索帧速率和非恒定波束停留时间进行设计。以下公开内容描述了互补波束集设计和FIR滤波器设计。
图3是示出数字波束形成器50如何连接到相控阵天线的J个天线元件6的图，其中J是大于1的整数。数字波束形成器50包括多个乘法器40，该多个乘法器40对由多个天线元件6输出的各个信号施加各自的权重。由乘法器40输出的信号由求和器42求和。在时间k的输出y(k)，由在时间k的J个天线元件6处的数据的线性组合给出，为：
Figure BDA0002555792720000121
其中()*表示复共轭。这是如图所示的发射模式。接收模式恰好相反，其中输入信号y(k)产生一组信号{xj(k)}，在J个天线元件6的每一个处产生一个信号。尽管在下文中没有明确重申，但对时间k的依赖性应在以下内容中有所了解。
图4A和4B是分别示出单通道有限脉冲响应(FIR)滤波器52(见图4A)和等距全向窄带线阵列形式的波束形成器50(见图4B)之间的类比的图。
参考图4A，FIR滤波器52包括由乘法器40施加以产生加权信号的多个元素权重，该加权信号又由求和器42求和。每个标记为Z-1的正方形表示寄存器或存储元件，其用于将值延迟一个时钟周期。因此，每个乘法器在不同持续时间的延迟之后接收输入信号。
元素权重为
Figure BDA0002555792720000122
元素延迟为T秒的有限脉冲响应(FIR)滤波器的频率响应由下式给出
Figure BDA0002555792720000123
该等式表示滤波器对频率为ω的复正弦曲线的响应。这里
d(ω)＝[1 eiωT eiω2T eiωT(J-1)]H
是一个矢量，它描述FIR滤波器中每个抽头的复正弦曲线相对于与频率ω相关的抽头的相位。在这里
Figure BDA0002555792720000124
参考图4B，假设输入信号是具有到达方向θ和频率ω的复平面波。然后，r(w,ω)的公式从wHd(ω)变为
Figure BDA0002555792720000132
这里
d′(ω)＝[d1(θ,ω)),d2(θ,ω)),...,dJ(θ,ω)]
并且
Figure BDA0002555792720000131
其中1≤j≤J并且Δj(θ)表示由于从第一个元素到第j个元素在入射角θ处的传播时间而引起的时间延迟。符号
Figure BDA0002555792720000133
是常用Hadamard元素乘积。
当波束形成器以单个时间频率ω0运行且阵列几何形状呈线性且等距分布，如均匀线性阵列的情况一样，时，FIR滤波与波束形成之间的对应关系最接近。令传感器间距为d；传播速度(光速)为c；θ表示相对于视轴(垂直于阵列)的到达方向。然后，由于从第一个传感器到第j个传感器的传播而引起的时间延迟由下式给出：
τj(θ)＝(j-1)(d/c)sin(θ)
在这种情况下，d(ω)项中的时间频率ω(FIR滤波器)与项d(θ,ω0)中的方向θ(波束形成器)之间的关系如下：
ω＝ω0(d/c)sin(θ)
因此，FIR滤波器中的时间频率对应于用作波束形成器的窄带均匀线性阵列中方向的正弦。
图5A-图5C是相对波束增益对指向角的曲线图，该曲线图部分地示出了针对具有N＝256个元素的阵列和在均匀线性阵列的从-60°至+60°的角度空间上具有五个级别(具有对应数量的波束)的波束树的互补空间滤波器的设计。显示的是相对增益(强制所有波束的最大增益为0dB)。这有助于显示这些空间滤镜如何配合在一起以将空间划分为等间隔的角度区域，这些角度区域可以以树的方式遍历。
图5A示出了对于由八个波束组成的第一级别的相对波束增益对指向角，八个波束中的每个具有等于约15°的波束宽度。图5B示出了由16个波束组成的第二级别的相对波束增益对指向角，这16个波束中的每一个具有等于约7.5°的波束宽度。图5C示出了由32个波束组成的第三级别的相对波束增益对指向角，这32个波束中的每一个具有等于约3.75°的波束宽度。由于在黑线图中描绘时，未示出分别具有64个波束(每个波束宽度等于约1.875°)和128个波束(每个波束宽度等于约0.9375°)的第四和第五级别的相似曲线图，波束的数量使得难以解读单个波束，因此这种图表不会增进读者的理解。
例如，假设波束搜索控制器1使波束操纵控制器10从第一级别(在图5A中看到)发射波束70，该波束70具有从0°(对应于视轴)到+15°的角度范围。在已经从第一级别发射波束70(在图5A中看到)之后，进一步假设接收信号的检测到的参数大于第一级别的检测阈值。该系统处理该传感器数据，并确定检测到的信号以某个角度到达，该角度处于从0°到+15°的角度范围内。
波束搜索控制器1然后使波束操纵控制器10从第二级别(在图5B中看到)发射波束72和74，波束72和74分别具有从0°到+7.5°和从7.5°到+15°的角度范围。在已经从第二级别发射波束72之后(在图5B中看到)，进一步假定在发射波束72之后接收到的信号的检测参数大于第二级别的检测阈值。该系统处理该传感器数据，并确定检测到的信号以某个角度到达，该角度处于从0°到+7.5°的角度范围内。
波束搜索控制器1然后使波束操纵控制器10从第三级别(在图5C中看到)发射波束76和78，波束76和78分别具有从0°到+3.75°和从+3.75到7.5°的角度范围。在已经从第三级别发射波束76之后(在图5C中看到)，进一步假设在发射波束76之后接收到的信号的检测参数大于第三级别的检测阈值。该系统处理该传感器数据，并确定检测到的信号以某个角度到达，该角度处于从0°到+3.75°的角度范围内。
然后，波束搜索控制器1使波束操纵控制器10从第四级别发射两个波束(图中未示出)。该过程至少持续到从最后的级别发射出两个波束为止。如果这些波束之一导致接收到的信号的检测参数大于最后一个级别的检测阈值，则系统处理该传感器数据并确定检测到的信号以某个角度到达，该角度处于从0°到+0.9375°的角度范围内。以这种方式，可确定来自目标物体的信号的到达方向。
图6A-图6C是绝对波束增益对指向角的曲线图，该曲线图部分地示出了针对具有N＝256个元素的阵列和在均匀线性阵列的从-60°至+60°的角度空间上具有五个级别(具有对应数量的波束)的波束树的互补空间滤波器的设计。图6A示出了由八个波束组成的第一级别的绝对波束增益对指向角；图6B示出了由16个波束组成的第二级别的绝对波束增益对指向角；和图6C示出了对于由32个波束组成的第三级别的绝对波束增益对指向角。没有示出分别具有64和128个波束的第四和第五级别的相似曲线图。
尽管通过使用的FIR滤波器设计方法可控制旁瓣(旁瓣通常比主波束低30dB，甚至更高)，但牺牲的是最大增益。在N＝256个元素的情况下，最大可能增益为48dB＝20log10(N)。这远远高于5级别曲线图中的最大增益(图中未显示)，后者仅为23dB左右。这是因为使旁瓣级别处于受控状态的受限设计技术也会降低最大增益。通过限制旁瓣，可实现最大增益。旁瓣比使用受限技术设计的互补波束集高得多。同样，每个波束的增益显示整个视场的差异。通过元素权重的幅度调整，可轻松地校正这些差异。
FIR滤波器的设计领域广阔，具有许多可能的技术。除了描述完成滤波器设计的所有多种方式(优化、频率方法、Remez等)以外，本公开将描述一种方法作为参考。滤波器设计使用实际方法或复杂方法，并且用于FIR或无限脉冲响应滤波器。由于关注的过程是天线波束成形，因此使用了复杂的FIR滤波器设计技术。具体而言，复数近似用于具有非线性相位特性(例如波束形成)的滤波器的设计。长度为N的FIR数字滤波器(对应于N个天线单元)的频率响应H(ω)通常是归一化频率ω的复数值函数：
Figure BDA0002555792720000161
其中P＝P2-P1+1。这里，滤波器系数
Figure BDA0002555792720000162
被允许为复数，因此表示每个天线元件的幅度和相位。复杂的Chebyshev近似问题陈述如下。令D(ω)是在紧子集B[-π,π)上定义的期望连续复函数。D(ω)将通过等式(2)中的频率响应在B上近似。近似问题在于找到滤波器系数
Figure BDA0002555792720000163
这将最小化对于滤波器系数{h(n)}的所有可能选择的加权误差
E(ω)＝W(ω)[D(ω)-H(ω)] (3)
的Chebyshev范数
Figure BDA0002555792720000164
加权W(ω)是权衡纹波对旁瓣级别等的设计参数。设计Chebyshev最佳复FIR滤波器的算法很多。现在将描述在MATLAB和其他当前设计软件中使用的方法。
通过概括Remez交换，Karam等人在以下文献中提出了一种有效的多重交换算法，用于设计Chebyshev意义上的复杂FIR数字滤波器：“Complex Chebyshev Approximationfor FIR Filter Design.”，IEEE电路与系统学报，第二部分，1995年3月。该算法基本上是对复杂情况的Parks-McClellan算法的概括。具体而言给定了一组归一化频率，当最佳误差满足给定的交替性质时，该算法收敛到B上的最佳加权Chebyshev近似，并且通常收敛到B的某个紧凑子集上的最优Chebyshev解。
本文提出的方法包括根据基于树的方法发送具有逐渐变细的角波束图案的波束。假设树60具有如图7所示的L个级别。用
Figure BDA0002555792720000171
表示级别l的ML＝2l-1M个波束(或空间波束图案)其中1≤l≤L。该数字假定为二叉树。根据所提出的二叉树的实现方式，如图7所示，两个分支从每个节点分叉。在这种情况下，树60在第一级别62中具有M1＝M个波束(B11，B12，...，B1M1)，在第二级别64中具有M2＝2M个波束(B21，B22，...，B2M2)，在最后一个级别66中具有ML＝2l-1M个波束(BL1，BL2，...，BLML)。也可考虑更多分支。为了说明的目的，已经描述了树波束搜索技术的典型应用。
对于1≤l≤L的每个级别l，选择相应的检测阈值T1，以使每个波束内信号检测的概率为小于1的常数(例如，如果常数为0.5，则检测到的信号数在二叉树的每个级别上保持不变)。在符号上，B(S)表示由波束空间滤波器B滤波的信号S(即，由具有波束图案B的天线接收的结果发送信号S)。对这种信号的检测使用由d()表示的检测算法，使得当检测到的信号的参数的值超过阈值时发生信号检测。换句话说，在以下情况下声明检测到信号S
d(B(S))>Tl
对于级别l。在这里，一种常见的检测算法是信号中能量的总和。换句话说，如果信号S由复数样本{s1，s2，...，sn}表示，则
Figure BDA0002555792720000172
在此，当信号能量超过阈值时，将宣布检测。许多其他检测方案也是可能的。
随着级别增加，每个波束滤波器的增益增加，波束宽度减小。因此，信号将通过更多的空间滤波器，从而缩小可能的信号方向，同时增加接收信号的功率。这具有在(2)较窄的角度区域中(1)找到更多信号的双重效应。
根据一个实施方式，树波束搜索技术包括检测阈值的自适应学习。如果关于信号环境的一切在统计上都是已知的，则可提前设置阈值T1。但是，在实际系统中，这是不切实际的。因此，根据在每个级别上检测到多少信号来自适应地调整阈值。所选择的自适应阈值类型具有很大的自由度。紧随其后的段落中描述了一种简单的方法，但是许多其他选项也是可行的。
如果G1是级别1时每个波束的增益，并且G1<G2<...<GL，则检测测试为
d(Gl S)<或>Tl？
如果信号S在特定波束中。因此，T1<T2<...<TL。为了维持有效的搜索，期望在每个级别上保持统计上恒定的检测概率。因此，最佳检测概率
Pr(d(GlS)>Tl)＝Cl。
例如，对于二叉树，通过保持Cl＝1/2，可在搜索树的每个级别上获得统计上恒定数量的信号检测。该自适应可简单地如下操作。令c1＝Pr(d(GlS)>Tl)和c2＝Pr(d(GlS)>Tl hi)通过观察当前级别和高于当前级别阈值Tl的检测来计算。然后如下设置新的阈值T′l。
Figure BDA0002555792720000181
模拟了上述类型的树波束搜索。模拟场景包括以下规则和条件：(1)级别数为四个，四个级别分别具有32、64、128和256个波束；(2)出现的信号数量从16变为64；(3)将波束随机分配给具有不同振幅的不同宽边角；和(4)在每个搜索帧的末尾没有添加标记的信号(如参考图2所描述的)。模拟的结果是，对于直接搜索，这种情况下的平均延迟时间为128D，其中D为基本检测时间。因此，本文提出的树波束搜索技术的模拟显示了延迟方面的明显优势。
图8是标识根据一个实施方式的相控阵天线系统2的一些组件的框图。相控阵天线系统2包括相控阵天线4、发射器14、接收器16和发射模块12，其在发射模式中将发射器14连接至相控阵天线4，并在接收模式中将接收器16连接至相控阵天线4。相控阵天线系统2还包括波束操纵控制器10，该波束操纵控制器10被配置为(例如，被编程为)控制相控阵天线4以发射具有由基于树的波束搜索确定的波束宽度和与视轴的角度的波束。发射器14和波束操纵控制器10在射束搜索控制器1的控制下。波束搜索控制器1是被配置(例如，编程)为向发射器14和波束操纵控制器10发送命令的计算机或处理器，该命令使由基于树的波束搜索选择的波束由相控阵天线4发射。波束搜索控制器1还包括配置为检测接收器16输出的信号的特定参数(例如，能量或功率)的模块。
L个级别的互补波束被加载(例如，以数据表的形式)到非暂时性有形计算机可读存储介质11中，波束搜索控制器1和波束操纵控制器10均可访问该介质。波束搜索控制器1被配置为标记在互补波束集数据存储介质11中指定的所选波束，而波束操纵控制器10被配置为根据从互补波束集数据存储介质11读取的波束信息来控制由相控阵天线4创建的波束。
以上公开的实施方式使用一个或多个处理或计算装置。此类装置通常包括处理器、处理装置或控制器，例如通用中央处理单元、微控制器、精简指令集计算机处理器、ASIC、可编程逻辑电路、FPGA、数字信号处理器和/或能够执行本文所述功能的任何其他电路或处理装置。本文描述的方法可被编码为体现在非暂时性有形计算机可读存储介质中的可执行指令，该介质包括但不限于存储装置和/或存储设备。当由处理装置执行时，这样的指令使处理装置执行本文描述的方法的至少一部分。以上实例仅是示例性的，并且因此无意于以任何方式限制术语“处理器”和“计算装置”的定义和/或含义。
尽管已经参考各种实施方式描述了用于在相控阵天线的视场内快速找到能检测的信号的系统和方法，但是本领域技术人员将理解，在不脱离本文的教导的情况下可进行各种改变并且可替代等效物。另外，可进行许多修改以使概念和减少适应本文所公开的实践以适应特定情况。因此，意图是由技术方案覆盖的主题不限于所公开的实施方式。
此外，本公开包括根据以下条款的实施方式：
条款1.一种使用相控阵天线搜索信号的方法，该方法包括：
(a)发射第一波束，该第一波束具有第一波束宽度和与视轴的第一角度；
(b)在发射所述第一波束之后接收第一信号；
(c)检测所述第一信号的参数值超过第一阈值；
(d)发射第二波束，该第二波束具有小于所述第一波束宽度的第二波束宽度，以及设置在所述第一波束的角度范围内的与视轴的第二角度；和
(e)发射第三波束，该第三波束具有第二波束宽度和与视轴的第三角度，该第三角度设置在所述第一波束的角度范围内，
其中，与视轴的第一角度设置在与视轴的第二角度和第三角度之间。
条款2.根据条款1所述的方法，其中，所述第二波束宽度等于所述第一波束宽度的一半。
条款3.根据条款1所述的方法，其中，所述第二和第三波束的总角度范围与所述第一波束的角度范围有同等范围。
条款4.根据条款1所述的方法，还包括：
(f)在发射所述第二波束之后接收第二信号；
(g)检测所述第二信号的参数值超过第二阈值；
(h)发射第四波束，该第四波束具有小于所述第二波束宽度的第三波束宽度和设置在所述第二波束的角度范围内的与视轴的第四角度；和
(i)发射第五波束，该第五波束具有所述第三波束宽度和设置在所述第二波束的角度范围内的与视轴的第五角度，
其中，与视轴的第二角度设置在与视轴的第四角度和第五角度之间。
条款5.根据条款4所述的方法，其中，所述第二波束宽度等于所述第一波束宽度的一半，并且所述第三波束宽度等于所述第二波束宽度的一半。
条款6.根据条款4所述的方法，其中，所述第四波束和第五波束的总角度范围为与所述第二波束的角度范围有同等范围。
条款7.根据条款4所述的方法，其中，所述第一至第五波束选自互补波束集，该互补波束集具有L个级别，所述L个级别包括具有M个波束并包括第一波束的第一级别，具有2M个波束并包括第二和第三波束的第二级别，具有4M个波束并包括第四和第五波束的第三级别，其中M是整数。
条款8.根据条款7所述的方法，其中，所述L个级别还包括具有2L-1M个波束的第L个级别。
条款9.一种使用相控阵天线搜索信号的方法，该方法包括：
设计具有L个级别的互补波束集；
将L个级别的互补波束集加载到波束操纵控制器中，该控制器控制相控阵天线产生的波束；
在互补波束集中标记波束(b，l)以进行传输；
设置相控阵天线的天线元件的相位和幅度，以发射具有波束宽度和指向角的标记波束；
发射标记的波束；
发射标记的波束之后，在相控阵天线处接收信号；
检测何时接收到的信号的参数值指示接收到信号；
确定当前级别l是否小于总数级别L；
如果当前级别l不小于级别总数L，则声明已经检测到信号的到达方向与当前波束的指向角相对应；
如果所述当前级别l小于所述级别总数L，则在下一个级别(l+1)中标记两个波束(2b-1)和2b，该下一个级别对应于用于传输的所述互补波束集的级别l处的当前波束；
设置相控阵天线的天线元件的相位和幅度以发射两个波束；和
连续发射两个波束。
条款10.根据条款9所述的方法，其中，所述互补波束集具有L个级别，包括具有M个波束的第一级别，具有2M个波束的第二级别，具有4M个波束的第三级别和具有2L-1M波束的第L个级别，其中M和L是整数。
条款11.根据条款10所述的方法，其中所述第一级别至少包括具有第一波束宽度和与视轴第一角度的第一波束，并且所述第二级别至少包括：
第二波束，其第二波束宽度小于第一波束宽度，并且与视轴的第二角度设置在第一波束的角度范围内；和
具有第二波束宽度和与视轴的第三角度的第三波束，所述第三角度设置在第一波束的角度范围内，
其中，与视轴的第一角度设置在与视轴的第二角度和第三角度之间。
条款12.根据条款11所述的方法，其中，所述第二波束宽度等于所述第一波束宽度的一半。
条款13.根据条款11所述的方法，其中，所述第二和第三波束的总角度范围与第一波束的角度范围有同等范围。
条款14.根据条款10所述的方法，其中，第一级别包括具有第一波束宽度的波束，第二级别包括具有小于第一波束宽度的第二波束宽度的波束，第三级别包括具有小于第二波束宽度的第三波束宽度的波束，并且第L个级别包括具有第L波束宽度的波束，该第L波束宽度小于第三波束宽度并且小于在第三级别和第L个级别之间的任何级别的波束宽度。
条款15.根据条款14所述的方法，还包括：
标记来自第L个级别的附加波束的子集，以填充当前搜索帧的搜索间隙；和
设置相控阵天线的天线元件的相位和幅度以发射附加波束。
条款16.一种相控阵天线系统，包括：
相控阵天线；
发射器；
接收器；
发射模块，在发射模式中将所述发射器连接到所述相控阵天线，并在接收模式中将所述接收器连接到所述相控阵天线；
波束操纵控制器，被配置为控制所述相控阵天线以发射具有通过基于树的波束搜索确定的波束宽度和与视轴的角度的波束；
波束搜索控制器，被配置为向所述发射器和波束操纵控制器发送命令，该命令使由基于树的波束搜索选择的波束由所述相控阵天线发射；和
互补波束集数据存储介质，其存储表示以L个级别组织的互补波束集的波束规格的数据，
其中，所述波束搜索控制器和所述波束操纵控制器均可访问所述互补波束集数据存储介质，所述波束搜索控制器还被配置为标记在所述互补波束集数据存储介质中指定的所选波束，并且所述波束操纵控制器还被配置为根据从所述互补波束集数据存储介质读取的波束信息来控制由相控阵天线产生的波束。
条款17.根据条款16所述的相控阵天线系统，其中，所述波束搜索控制器包括被配置用于检测由所述接收器输出的信号的特定参数的模块。
条款18.根据条款16所述的相控阵天线系统，其中，所述互补波束集具有L个级别，所述L个级别包括具有M个波束的第一级别，具有2M个波束的第二级别，具有4M个波束的第三级别和具有2L-1M个波束的第L个级别，其中M和L是整数。
条款19.根据条款18所述的相控阵天线系统，其中，所述第一级别包括具有第一波束宽度的波束，所述第二级别包括具有小于所述第一波束宽度的第二波束宽度的波束，所述第三级别包括具有小于所述第二波束宽度的第三波束宽度的波束，并且第L个级别包括具有小于所述第三波束宽度并且小于所述第三级别与所述第L个级别之间的任何级别的波束宽度的第L波束宽度的波束。
条款20.根据条款16所述的相控阵天线系统，其中，所述波束搜索控制器还被配置为执行包括以下操作：
在所述互补波束集中标记波束(b，l)以进行传输；
检测何时接收到的信号的参数值指示在所述波束传输之后接收到信号；
确定发射波束所属的当前级别l是否小于级别总数L；
如果当前级别l不小于所述级别总数L，则声明已经检测到信号的到达方向与发射波束的指向角相对应；和
如果所述当前级别l小于所述级别总数L，则在下一个级别(l+1)中标记两个波束(2b-1)和2b，该下一个级别对应于用于传输的所述互补波束集(20)的级别l处的发射波束。
下文提出的方法技术方案不应被解释为要求以字母顺序执行其中所叙述的步骤(技术方案中的任何字母顺序仅用于引用先前叙述的步骤的目的)或以它们被叙述的顺序进行，除非技术方案语言明确指定或声明了指示执行某些或所有这些步骤的特定顺序的条件。除非技术方案语言明确指出排除这种解释的条件，否则过程技术方案也不应解释为排除同时或交替执行的两个或多个步骤的任何部分。

Claims (10)

1.一种使用相控阵天线(4)搜索信号的方法，所述方法包括：
a发射第一波束，所述第一波束具有第一波束宽度和与视轴的第一角度；
b在发射所述第一波束之后接收第一信号；
c检测所述第一信号的参数值超过第一阈值；
d发射第二波束，所述第二波束具有小于所述第一波束宽度的第二波束宽度，以及设置在所述第一波束的角度范围内的与视轴的第二角度；和
e发射第三波束，所述第三波束具有第二波束宽度和与视轴的第三角度，所述第三角度设置在所述第一波束的角度范围内，
其中，与视轴的所述第一角度设置在与视轴的所述第二角度和所述第三角度之间。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第二波束宽度等于所述第一波束宽度的一半。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第二波束和所述第三波束的总角度范围与所述第一波束的角度范围有同等范围。
4.根据权利要求1所述的方法，还包括：
f在发射所述第二波束之后接收第二信号；
g检测所述第二信号的参数值超过第二阈值；
h发射第四波束，所述第四波束具有小于所述第二波束宽度的第三波束宽度和设置在所述第二波束的角度范围内的与视轴的第四角度；和
i发射第五波束，所述第五波束具有所述第三波束宽度和设置在所述第二波束的角度范围内的与视轴的第五角度，
其中，与视轴的所述第二角度设置在与视轴的所述第四角度和所述第五角度之间。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述第二波束宽度等于所述第一波束宽度的一半，并且所述第三波束宽度等于所述第二波束宽度的一半，并且其中，所述第四波束和所述第五波束的总角度范围为与所述第二波束的角度范围有同等范围。
6.一种相控阵天线系统(2)，包括：
相控阵天线(4)；
发射器(14)；
接收器(16)；
发射模块(12)，在发射模式中将所述发射器(14)连接到所述相控阵天线(4)，并在接收模式中将所述接收器(16)连接到所述相控阵天线(4)；
波束操纵控制器(10)，被配置为控制所述相控阵天线(4)以发射具有通过基于树的波束搜索确定的波束宽度和与视轴的角度的波束；
波束搜索控制器(1)，被配置为向所述发射器(14)和波束操纵控制器(10)发送命令，所述命令使由基于树的波束搜索选择的波束由所述相控阵天线(4)发射；和
互补波束集数据存储介质(11)，存储表示以L个级别组织的互补波束集(20)的波束规格的数据，
其中，所述波束搜索控制器(1)和所述波束操纵控制器(10)均能够访问所述互补波束集数据存储介质(11)，所述波束搜索控制器(1)还被配置为标记在所述互补波束集数据存储介质(11)中指定的所选波束，并且所述波束操纵控制器(10)还被配置为根据从所述互补波束集数据存储介质(11)读取的波束信息来控制由相控阵天线(4)产生的波束。
7.根据权利要求6所述的相控阵天线系统(2)，其中，所述波束搜索控制器(1)包括被配置用于检测由所述接收器(16)输出的信号的特定参数的模块。
8.根据权利要求6所述的相控阵天线系统(2)，其中，所述互补波束集(20)具有L个级别，所述L个级别包括具有M个波束的第一级别，具有2M个波束的第二级别，具有4M个波束的第三级别和具有2L-1M个波束的第L个级别，其中M和L是整数。
9.根据权利要求6所述的相控阵天线系统(2)，其中，第一级别包括具有第一波束宽度的波束，第二级别包括具有小于所述第一波束宽度的第二波束宽度的波束，第三级别包括具有小于所述第二波束宽度的第三波束宽度的波束，并且第L个级别包括具有小于所述第三波束宽度并且小于所述第三级别与所述第L个级别之间的任何级别的波束宽度的第L波束宽度的波束。
10.根据权利要求6所述的相控阵天线系统(2)，其中，所述波束搜索控制器(1)还被配置为执行包括以下操作：
在所述互补波束集(20)中标记波束(b，l)以进行传输；
检测何时接收到的信号的参数值指示在传输波束之后接收到信号；
确定传输的波束所属的当前级别l是否小于级别总数L；
如果当前级别l不小于所述级别总数L，则声明已经检测到信号的到达方向与传输的波束的指向角相对应；和
如果所述当前级别l小于所述级别总数L，则在下一个级别l+1中标记两个波束2b-1和2b，所述下一个级别对应于用于传输的所述互补波束集(20)的级别l处的传输的波束。
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