CN112749122B - 一种相控阵雷达加权系数分布式计算系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种相控阵雷达加权系数分布式计算系统，适用于大阵面复杂相控阵雷达设备，包括控制及数据处理模块、接收波束形成模块以及由多个数字TR组件；所述数字TR组件包括一个数字处理模块，用于控制TR组件以及加权系数的计算，形成第一级接收数字波束；所述接收波束形成模块与数字TR组件通信，用于转发控制参数以及接收上报的第一级接收波束形成数据，完成接收波束形成及数据上报；控制及数据处理模块与接收波束形成模块通信，下发控制参数至接收波束形成模块。采用本发明的方案能够实现大阵面复杂相控阵雷达设备波束指向及天线波束形状的快速变化能力，波束调度更加灵活、快速，同时减少设计成本，保证系统性能，提高雷达的自适应能力。

Description

一种相控阵雷达加权系数分布式计算系统
技术领域
本发明涉及相控阵雷达领域，特别涉及一种相控阵雷达加权系数分布式计算系统。
背景技术
相控阵雷达是采用相控阵天线的雷达，相对于传统的机扫雷达，最大的差别在于天线无需转动即可实现天线波束的快速扫描，其主要特点为波束指向的快速变化能力以及天线波束形状的快速变化能力。前者是天线快速扫描的基础，使相控阵天线在保持不动得情况下，天线波束也可以在空间快速扫描；后者使天线波束形状可以根据雷达工作任务的不同而加以调整、变化。使相控阵雷达具有更高的对工作环境、目标环境的自适应能力，在恶劣环境下执行探测任务时具有更多的潜力。
而相控阵雷达实现天线波束快速扫描以及波束形状快速变化的关键在于对每个通道幅相的精准控制，雷达系统通常通过一组或多组幅相控制系数的控制实现这两个目标。
要实现天线波束快速扫描以及波束形状快速变化，通常有以下手段：
1、将所有频点、所有波束形状、所有波束指向所涉及的全部加权系数提前计算好存储在PROM中，雷达工作时再根据控制信息进行调用，优点为可以快速调用，响应迅速，缺点在于只适用于数据量较小的雷达系统，且雷达工作模式收到一定限制；
2、通过配置一个嵌入式计算器件，专门用于实时计算各个状态及模式下系统所需的一组加权系数，计算完成再分发到各个使用节点，其优点为调用灵活，无需外挂大容量存储设备，缺点则在于嵌入式计算器件出口通信带宽要足够大，才能保证响应时间满足系统需求，且天线通道数不能过多，否则天线快速扫描能力就受到限制。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，即对于口径较大（或天线通道数较多）、工作频点范围广、工作模式多的相控阵雷达，快速、灵活的根据系统需求产生及调用加权系数的问题，提供了一种相控阵雷达加权系数分布式计算系统，利用相控阵雷达结构及功能组成，按照加权系数的使用节点分布对整个运算过程进行拆分，分别划分为波束形成运算点及TR组件运算点，每个节点FPGA调用基本逻辑资源与MicroBlaze核协同的方式，根据控制参数对相关加权系数进行计算，即将一个独立的运算节点完成的工作量拆分为多个独立的子节点并行运算的分布式处理，节约大量运算及数据传输时间，同时又不会增加设计成本。
本发明采用的技术方案如下：一种相控阵雷达加权系数分布式计算系统，适用于大阵面复杂相控阵雷达设备，包括控制及数据处理模块、接收波束形成模块以及由多个数字TR组件组成的相控阵雷达天线阵面；
所述数字TR组件包括一个数字处理模块，数字处理模块用于控制TR组件以及完成组件内部所有通道发射加权系数、第一级接收加权系数的计算，同时形成所有通道第一级接收数字波束；
所述接收波束形成模块与数字TR组件通信，用于转发控制参数以及接收数字TR组件上报的第一级接收波束形成数据，同时完成接收波束形成及数据上报；
控制及数据处理模块与接收波束形成模块通信，下发控制参数至接收波束形成模块以及接收上报数据。
进一步的，所述接收波束形成模块由多个FPGA器件及外围电路组成，FPGA分为一个FPGA_A和N个FPGA_B，每个FPGA_B与固定区域固定数量的数字TR组件通信，转发控制参数以及接收数字TR组件上报的第一级接收波束形成数据，同时根据控制参数完成与自己相关联的第二级接收波束形成加权系数的计算，以及第二级接收数字波束形成；FPGA_A完成第三级接收波束形成及数据上报。
进一步的，接收波束形成模块内FPGA_A接收所有FPGA_B合成的数据，完成第三级接收波束形成及数据上报。
进一步的，所述数字处理模块由FPGA实现，完成关联通道发射加权系数计算、第一级接收加权系数计算及调用、TR通道上电控制、收发切换及幅相控制。
进一步的，所述加权系数的计算均通过FPGA实现，每个FPGA仅计算与之相关联的通道加权系数。
进一步的，所述加权系数均采用FPGA逻辑资源以及MicroBlaze软核协同完成加权系数的计算。
进一步的，所述接收波束形成模块通过光纤通信网络与数字TR组件、控制及数据处理模块进行通信。
与现有技术相比，采用上述技术方案的有益效果为：采用本发明设计的加权系数计算方案后，大阵面复杂相控阵雷达设备波束指向的快速变化能力以及天线波束形状的快速变化能力均能实现，波束调度更加灵活、快速，同时无需额外搭载其他专门的浮点数运算器件，减少设计成本，保证系统性能，提高雷达的自适应能力。
附图说明
图1是本发明提出的相控阵雷达加权系数分布式计算系统原理图。
图2是本发明提出的接收波束形成模块原理图。
图3是本发明提出的FPGA_B功能单元示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步描述。
本发明主要解决的问题为：
对于口径较大（或天线通道数较多）、工作频点范围广、工作模式多的相控阵雷达，快速、灵活的根据系统需求产生及调用加权系数的问题。
如图1所示，针对上述问题，本发明提出了一种相控阵雷达加权系数分布式计算系统，适用于大阵面复杂相控阵雷达设备，包括控制及数据处理模块、接收波束形成模块以及由多个数字TR组件组成的相控阵雷达天线阵面；
所述数字TR组件包括一个数字处理模块，数字处理模块用于控制TR组件以及完成组件内部所有通道发射加权系数、第一级接收加权系数的计算，同时形成所有通道第一级接收数字波束；
所述接收波束形成模块与数字TR组件通信，用于转发控制参数以及接收数字TR组件上报的第一级接收波束形成数据，同时完成接收波束形成及数据上报；
控制及数据处理模块与接收波束形成模块通信，下发控制参数至接收波束形成模块以及接收上报数据。
具体的，
如图2所示，所述接收波束形成模块由多个FPGA器件及外围电路组成，FPGA分为一个FPGA_A和N个FPGA_B，每个FPGA_B与固定区域固定数量的数字TR组件通信，转发控制参数以及接收数字TR组件上报的第一级接收波束形成数据，同时根据控制参数完成与自己相关联的第二级接收波束形成加权系数的计算，以及第二级接收数字波束形成；FPGA_A完成第三级接收波束形成及数据上报；其中接收波束形成模块内FPGA_A接收所有FPGA_B合成的数据，完成第三级接收波束形成及数据上报。
优选的，所述数字处理模块由FPGA实现，完成关联通道发射加权系数计算、第一级接收加权系数计算及调用、TR通道上电控制、收发切换及幅相控制。
在本实施例中，所述加权系数的计算均通过FPGA实现，每个FPGA仅计算与之相关联的通道加权系数。如图3所示，所述加权系数均采用FPGA逻辑资源以及MicroBlaze软核协同完成加权系数的计算。
优选的，所述接收波束形成模块通过光纤通信网络与数字TR组件、控制及数据处理模块进行通信。
本发明将大量的浮点数运算及传输按照系统组成进行结构性拆分，利用Xilnx低成本FPGA内嵌的有限DSP资源完成TR组件内部加权系数的运算，将运算时间及数据传输时间分摊到若干个小单元完成，实现波束指向及形状的快速变化；
采用本发明的加权系数计算方案后，大阵面复杂相控阵雷达设备波束指向的快速变化能力以及天线波束形状的快速变化能力均能实现，波束调度更加灵活、快速，同时无需额外搭载其他专门的浮点数运算器件，减少设计成本，保证系统性能，提高雷达的自适应能力。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。如果本领域技术人员，在不脱离本发明的精神所做的非实质性改变或改进，都应该属于本发明权利要求保护的范围。
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

Claims (6)

1.一种相控阵雷达加权系数分布式计算系统，其特征在于，适用于大阵面复杂相控阵雷达设备，包括控制及数据处理模块、接收波束形成模块以及由多个数字TR组件组成的相控阵雷达天线阵面；
所述数字TR组件包括一个数字处理模块，数字处理模块用于控制TR组件以及完成组件内部所有通道发射加权系数、第一级接收加权系数的计算，同时形成所有通道第一级接收数字波束；
所述接收波束形成模块与数字TR组件通信，用于转发控制参数以及接收数字TR组件上报的第一级接收波束形成数据，同时完成接收波束形成及数据上报；
控制及数据处理模块与接收波束形成模块通信，下发控制参数至接收波束形成模块以及接收上报数据；
所述接收波束形成模块由多个FPGA器件及外围电路组成，FPGA分为一个FPGA_A和N个FPGA_B，每个FPGA_B与固定区域固定数量的数字TR组件通信，转发控制参数以及接收数字TR组件上报的第一级接收波束形成数据，同时根据控制参数完成与自己相关联的第二级接收波束形成加权系数的计算，以及第二级接收数字波束形成；FPGA_A完成第三级接收波束形成及数据上报。
2.根据权利要求1所述的相控阵雷达加权系数分布式计算系统，其特征在于，接收波束形成模块内FPGA_A接收所有FPGA_B合成的数据，完成第三级接收波束形成及数据上报。
3.根据权利要求2所述的相控阵雷达加权系数分布式计算系统，其特征在于，所述数字处理模块由FPGA实现，完成关联通道发射加权系数计算、第一级接收加权系数计算及调用、TR通道上电控制、收发切换及幅相控制。
4.根据权利要求3所述的相控阵雷达加权系数分布式计算系统，其特征在于，所述加权系数的计算均通过FPGA实现，每个FPGA仅计算与之相关联的通道加权系数。
5.根据权利要求4所述的相控阵雷达加权系数分布式计算系统，其特征在于，所述加权系数均采用FPGA逻辑资源以及MicroBlaze软核协同完成加权系数的计算。
6.根据权利要求1所述的相控阵雷达加权系数分布式计算系统，其特征在于，所述接收波束形成模块通过光纤通信网络与数字TR组件、控制及数据处理模块进行通信。
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