CN112965027A - 数字多波束系统角误差的检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的数字多波束系统角误差的检测方法，简单可靠，易于DBF集成，实现复杂度低，通用性强。本发明通过下述技术方案实现：采用乘法器、自动增益控制模块、取实部模块、取虚部模块、低通滤波器、互相关器、自相关器和归一化模块组成三通道检测线路。和波束基带信号经过自动增益控制模块进行增益控制后，取虚部模块取其虚部得到和波束虚部信号；取实部模块对方位差波束、俯仰差波束基带信号取实部信号；然后将低通滤波后的和波束虚部信号、方位差、俯仰差波束实部信号进行相关运算得到和路参考电压、方位、俯仰差电压；然后在相关器后应用归一化模块，利用归一化算法归一化方位差电压、俯仰差电压，得到归一化的方位角误差、俯仰角误差。

Description

数字多波束系统角误差的检测方法

技术领域

本发明属于航天测控通信领域，特别涉及一种数字多波束系统角误差的检测方法。

背景技术

相控阵雷达进行目标跟踪时通常采用比幅测角方法。影响测角精度的因素很多,根据误差产生的来源和性质可分为目标引入误差、雷达跟踪误差、转换误差和传播误差,其中雷达跟踪误差包括热噪声误差、接收机幅相不一致误差、天线零深、多路径误差等。目标引入误差、转换误差和传播误差。采用数字多波束阵列天线的两坐标雷达，由方位面上多个波束实现宽角覆盖，可同时跟踪和测量多批目标。但在空域上，不同指向的数字波束会产生非线性形变，引入测量误差，且误差大小与波束宽度成正比。波束空域非线性形变直接导致了不同仰角切面的方位波瓣指向变化，也引起方位地面反射对波束性能的影响空域上，地面反射会引起波瓣分裂、波束变形等多种效应，严重影响多波束性能。数字多波束阵列天线的方位测角过程中，指向不同的各波束在空域上产生非线性形变，引起方位上比幅测角误差；地面多径反射，导致俯仰向波束分裂。波束角偏差是影响多波束系统测量精度的主要因素之一，它不但影响测量精度，还会影响的定位精度，特别是对波束角60°以外的边缘波束影响很大。波束角偏差是多波束系统内部误差，它是由于换能器基阵基元之间的物理相位与间距误差综合导致的。多波束系统波束角偏差直接影响着波束形成的实际位置，对多波束系统测量定位精度的影响是最直接的。多波束测深系统是一套由多种传感器组成的复杂测量系统。与传统的测深系统相比,其测量过程复杂,因而误差来源广。为了确保多波束测量的高精度、高效率等优点，在测量过程中就必须严格消除系统内部误差和各项外部影响因素。航天测控通信领域中，传统的抛物面天线由于自身的缺点正逐渐被相控阵天线所取代，相控阵天线采用数字波束形成(DBF)技术，可以对波束形状、波束数量等进行灵活的控制，实现同时对多个目标波束的跟踪接收，采用这种技术的系统称为数字多波束系统。相比于传统抛物面天线一次只能形成一个波束，数字多波束系统可以同时形成多达几十个波束，这就导致了需要进行角跟踪的波束数量大增。传统的抛物面天线测控系统通常会配备一套跟踪接收机设备，用于对目标波束进行角误差计算，而在数字多波束系统中由于波束数量的增加，通过简单的增加跟踪接收机设备不仅会导致整个系统的功耗、体积、重量和成本大增，也降低了系统可靠性。

发明内容

本发明的目的在于克服上述已有技术的不足，提供一种简单可靠，易于DBF集成，实现复杂度低，通用性强的数字多波束系统角误差的检测方法。

本发明通过以下技术方案实现：一种数字多波束系统角误差的检测方法，其特征在于包括如下步骤：

1)采用乘法器、自动增益控制模块、取实部模块、取虚部模块、低通滤波器、互相关器、自相关器和归一化模块组成三通道检测线路，第二路通道上的自动增益控制模块首先将数字多波束系统形成的和波束基带信号Sum_IQ进行自动增益控制(AGC)，将得到的自动增益控制量Ctr1分别送入第一、三路通道上的乘法器对方位差波束基带信号Diff_FW_IQ、俯仰差波束基带信号Diff_FY_IQ进行幅度控制；并将经过自动增益控制(AGC)后的和波束基带信号Sum_IQ_AGC送入取虚部模块取虚部信号，得到和波束虚部信号Sum_Im；

2)第一、三路通道上的乘法器将经过乘法器后的方位差波束基带信号Diff_FW_IQ_AGC、俯仰差波束基带信号Diff_FY_IQ_AGC送入各自的取实部模块取实部信号，分别得到方位差波束实部信号Diff_FW_Re、俯仰差波束实部信号Diff_FY_Re；

3)第一、三路通道上的取实部模块将得到的方位差波束实部信号Diff_FW_Re、俯仰差波束实部信号Diff_FY_Re与第二路通道上的取虚部模块得到的和波束虚部信号Sum_Im送入各自对应连接的低通滤波器进行滤波，第一、三路通道滤波得到方位差波束实部信号Diff_FW_LPF、俯仰差波束实部信号Diff_FY_LPF，第二路通道得到和波束虚部信号Sum_LPF，三路滤波信号通过各自的相关器进行相关运算，第一、三路通道得到方位差电压FW_cross_cor与俯仰差电压FY_cross_cor，第二路通道得到和路参考电压Sum_self_cor，归一化模块在相关器后应用归一化算法归一化方位差电压FW_cross_cor、俯仰差电压FY_cross_cor，得到归一化的方位角误差FW_err、俯仰角误差FY_err。

本发明相比于现有技术具有如下有益效果：

简单可靠。本发明采用自动增益控制模块、增益控制模块、取实部模块、取虚部模块、低通滤波器、相关器和归一化模块组成三通道检测线路，自动增益控制模块首先将数字多波束系统形成的和波束基带信号Sum_IQ进行自动增益控制(AGC)，得到自动增益控制量Ctr1，俯仰增益控制模块和方位增益控制模块分别对方位差波束基带信号Diff_FW_IQ、俯仰差波束基带信号Diff_FY_IQ进行增益控制，结构简单，非常方便数字实现，易于与DBF集成，使用方便。

可降低系统复杂性。本发明采用取虚部模块对经过增益控制AGC后的和波束基带信号Sum_IQ_AGC取虚部，得到和波束虚部信号Sum_Im，俯仰取实部模块和方位取实部模块分别对经过增益控制后的方位差波束基带信号Diff_FW_IQ_AGC、俯仰差波束基带信号Diff_FY_IQ_AGC取实部信号，得到方位差波束实部信号Diff_FW_Re、俯仰差波束实部信号Diff_FY_Re；利用数字多波束系统形成的和波束基带信号与方位差波束、俯仰差波束基带信号正交的特性，优化了角误差的计算过程，去掉了传统跟踪接收机每次使用前的校相流程，从而减少了跟踪接收机设备，降低系统复杂性。

通用性强。本发明采用将和波束虚部信号Sum_Im、方位差波束实部信号Diff_FW_Re、俯仰差波束实部信号Diff_FY_Re分别送入各自通道上的低通滤波器进行滤波，把滤波后的和波束虚部信号Sum_LPF送入相关器进行自相关运算，得到和路参考电压Sum_self_cor，把滤波后的和波束虚部信号Sum_LPF、滤波后的方位差波束实部信号Diff_FW_LPF送入相关器进行互相关运算，得到方位差电压FW_cross_cor，把滤波后的和波束虚部信号Sum_LPF、滤波后的俯仰差波束实部信号Diff_FY_LPF送入相关器进行互相关运算，得到俯仰差电压FY_cross_cor；归一化模块在相关器后应用归一化算法归一化方位差电压FW_cross_cor、俯仰差电压及俯仰差电压FY_cross_cor，得到归一化的方位角误差FW_err、俯仰角误差FY_err。减少系统联调时间，通过非相干方式计算方位、俯仰角误差，因此能适应各种信号体制，具有很强的通用性。

由于本发明实现简单易于集成，非常适合集成在数字多波束系统中，能够适应多种信号调制方式和数字多波束系统的角误差计算，辅助数字多波束系统的跟踪功能调试，非常适合在数字多波束系统的波束跟踪中应用。对于需要采用相干方式计算角误差的系统，具有推广应用价值。

附图说明

下面结合附图和实施例对本专利进一步说明。

图1是本发明数字多波束系统角误差的检测原理示意图；

图2是本发明在不同方位、俯仰偏离角下计算出的方位、俯仰角误差曲线示意图。

具体实施方式

参阅图1。根据本发明，

1)采用乘法器、自动增益控制模块、取实部模块、取虚部模块、低通滤波器、互相关器、自相关器和归一化模块组成三通道检测线路，第二路通道上的自动增益控制模块首先将数字多波束系统形成的和波束基带信号Sum_IQ进行自动增益控制(AGC)，将得到的自动增益控制量Ctr1分别送入第一、三路通道上的乘法器对方位差波束基带信号Diff_FW_IQ、俯仰差波束基带信号Diff_FY_IQ进行幅度控制；

2)自动增益控制模块对经过自动增益控制(AGC)后的和波束基带信号Sum_IQ_AGC送入取虚部模块取虚部信号，得到和波束虚部信号Sum_Im，对经过乘法器后的方位差波束基带信号Diff_FW_IQ_AGC、俯仰差波束基带信号Diff_FY_IQ_AGC送入各自的取实部模块取实部信号，得到方位差波束实部信号Diff_FW_Re、俯仰差波束实部信号Diff_FY_Re；

3)将第一路通道的取实部模块得到的方位差波束实部信号Diff_FW_Re，送入第一路通道的低通滤波器进行滤波；将第二路通道的取虚部模块得到的和波束虚部信号Sum_Im，送入第二路通道的低通滤波器进行滤波；将第三路通道的取实部模块得到的俯仰差波束实部信号Diff_FY_Re，送入第三路通道的低通滤波器进行滤波；

4)第二路通道的低通滤波器把滤波后的和波束虚部信号Sum_LPF送入第二路通道的自相关器进行自相关运算，得到和路参考电压Sum_self_cor；第二路通道的低通滤波器把滤波后的和波束虚部信号Sum_LPF、第一路通道的低通滤波器把滤波后的方位差波束实部信号Diff_FW_LPF送入第一路通道的互相关器进行互相关运算，得到方位差电压FW_cross_cor；第二路通道的低通滤波器把滤波后的和波束虚部信号Sum_LPF、第三路通道的低通滤波器把滤波后的俯仰差波束实部信号Diff_FY_LPF送入第三路通道的互相关器进行互相关运算，得到俯仰差电压FY_cross_cor；

5)归一化模块在相关器后应用归一化算法归一化方位差电压FW_cross_cor、俯仰差电压FY_cross_cor，得到归一化的方位角误差FW_err、俯仰角误差FY_err。

在可选的实施例中，和波束基带信号与方位差波束、俯仰差波束基带信号正交。

方位差波束基带信号Diff_FW_IQ、俯仰差波束基带信号Diff_FY_IQ不进行自动增益控制，而直接使用和波束基带信号的自动增益控制量Ctr1进行幅度控制。

低通滤波器为FIR滤波器,其通带带宽取信号带宽的40％～50％。

上述相关器由乘法器和积分-清除器组成，相关器的计算公式为：

若x(k)与y(k)为相同输入信号，则该相关器为自相关器，若x(k)与y(k)为不同输入信号，则该相关器为互相关器，其中，N为积分点数，k为第k个输入信号对应的索引号，x(k)、y(k)为两路输入信号。积分-清除器的清除脉冲由数字控制振荡器NCO产生，NCO采用的频率控制字为：

其中，f₀为角误差更新频率，f_s为NCO工作时钟频率，M为数字控制振荡器NCO的相位累加寄存器位宽。

归一化算法通过除法实现方位角误差FW_err、俯仰角误差FY_err的归一化计算，公式为：

由于本发明能适应各种信号体制，因此本实施例不失一般性地假设数字多波束系统的接收信号为基于数字波形合成的脉冲编码调制PCM/FM信号，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

在可选的实施例中，数字多波束系统的接收信号为数字化PCM/FM信号，其PCM/FM信号形式为

其中，t为时间，ω_c为接收射频角频率，K为调制指数，m(τ)为调制信息，θ₀为初相。

经过数字波束形成后得到的和波束、方位差波束、俯仰差波束基带信号为：

其中，ω_d为接收信号的多普勒，V_∑为和波束基带信号的幅度，K为调制指数，V_FW为方位差波束基带信号的幅度，其大小与方位差角度成正比，V_FY为俯仰差波束基带信号的幅度，其大小与俯仰差角度成正比。

和波束基带信号Sum_IQ经过自动增益控制后的和波束基带信号为：

并将得到的自动增益控制量Ctrl对方位差波束基带信号Diff_FW_IQ、俯仰差波束基带信号Diff_FY_IQ进行增益控制，得到的信号为：

取虚部模块对经过增益控制后的和波束基带信号Sum_IQ_AGC取虚部，得到和波束虚部信号Sum_Im：

俯仰取实部模块和方位取实部模块分别对经过幅度控制后的方位差波束基带信号Diff_FW_IQ_AGC、俯仰差波束基带信号Diff_FY_IQ_AGC取实部信号，得到方位差波束实部信号Diff_FW_Re、俯仰差波束实部信号Diff_FY_Re：

和波束虚部信号Sum_Im、方位差波束实部信号Diff_FW_Re、俯仰差波束实部信号Diff_FY_Re分别通过低通滤波器，得到滤波后的和波束虚部信号Sum_LPF、俯仰取实部模块和方位取实部模块滤波后的和波束虚部信号Sum_LPF、方位差波束实部信号Diff_FW_LPF、俯仰差波束实部信号Diff_FY_LPF，得到的信号为

将低通滤波后的和波束虚部信号Sum_LPF进行自相关运算得到和路参考电压Sum_self_cor：

将低通滤波后的和波束虚部信号Sum_LPF、方位差波束实部信号Diff_FW_LPF进行互相关运算得到方位差电压FW_cross_cor：

相关器将低通滤波后的和波束虚部信号Sum_LPF、俯仰差波束实部信号Diff_FY_LPF进行互相关运算得到俯仰差电压FY_cross_cor：

归一化模块用和路参考电压Sum_self_cor归一化方位差电压FW_cross_cor得到方位角误差FW_err：

用和路参考电压Sum_self_cor归一化俯仰差电压FY_cross_cor得到俯仰角误差FY_err：

图2为不同方位、俯仰偏离角下计算出的方位、俯仰角误差，由图中曲线可知，方位、俯仰角误差与方位、俯仰偏离角的变化呈线性关系，真实的反映了偏离角的变化。

以上对本发明实施例进行了详细介绍，本文中应用了具体实施方式对本发明进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及设备；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种数字多波束系统角误差的检测方法，其特征在于：

1)采用乘法器、自动增益控制模块、取实部模块、取虚部模块、低通滤波器、互相关器、自相关器和归一化模块组成三通道检测线路，第二路通道上的自动增益控制模块首先将数字多波束系统形成的和波束基带信号Sum_IQ进行自动增益控制(AGC)，将得到的自动增益控制量Ctr1分别送入第一、三路通道上的乘法器对方位差波束基带信号Diff_FW_IQ、俯仰差波束基带信号Diff_FY_IQ进行幅度控制；并将经过自动增益控制(AGC)后的和波束基带信号Sum_IQ_AGC送入取虚部模块取虚部信号，得到和波束虚部信号Sum_Im；

2)第一、三路通道上的乘法器将经过乘法器后的方位差波束基带信号Diff_FW_IQ_AGC、俯仰差波束基带信号Diff_FY_IQ_AGC送入各自的取实部模块取实部信号，分别得到方位差波束实部信号Diff_FW_Re、俯仰差波束实部信号Diff_FY_Re；

3)第一、三路通道上的取实部模块将得到的方位差波束实部信号Diff_FW_Re、俯仰差波束实部信号Diff_FY_Re与第二路通道上的取虚部模块得到的和波束虚部信号Sum_Im送入各自对应连接的低通滤波器进行滤波，第一、三路通道滤波得到方位差波束实部信号Diff_FW_LPF、俯仰差波束实部信号Diff_FY_LPF，第二路通道得到和波束虚部信号Sum_LPF，三路滤波信号通过各自的相关器进行相关运算，第一、三路通道得到方位差电压FW_cross_cor与俯仰差电压FY_cross_cor，第二路通道得到和路参考电压Sum_self_cor，归一化模块在相关器后应用归一化算法归一化方位差电压FW_cross_cor、俯仰差电压FY_cross_cor，得到归一化的方位角误差FW_err、俯仰角误差FY_err。

2.根据权利要求1所述的数字多波束系统角误差的检测方法，其特征在于：和波束基带信号与方位差波束、俯仰差波束基带信号正交；方位差波束基带信号Diff_FW_IQ、俯仰差波束基带信号Diff_FY_IQ不进行自动增益控制，而直接使用和波束基带信号的自动增益控制量Ctr1进行幅度控制。

3.根据权利要求1所述的数字多波束系统角误差的检测方法，其特征在于：相关器由乘法器和积分-清除器组成，相关器的计算公式为：

若x(k)与y(k)为相同输入信号，则该相关器为自相关器，若x(k)与y(k)为不同输入信号，则该相关器为互相关器，其中，N为积分点数，k为第k个输入信号对应的索引号，x(k)、y(k)为两路输入信号。

4.根据权利要求4所述的数字多波束系统角误差的检测方法，其特征在于：积分-清除器的清除脉冲由数字控制振荡器NCO产生，NCO采用的频率控制字为：

其中，f₀为角误差更新频率，f_s为NCO工作时钟频率，M为数字控制振荡器NCO的相位累加寄存器位宽。

5.根据权利要求1所述的数字多波束系统角误差的检测方法，其特征在于：归一化算法通过除法实现方位角误差FW_err、俯仰角误差FY_err的归一化计算公式为：

6.根据权利要求1所述的数字多波束系统角误差的检测方法，其特征在于：数字多波束系统的接收信号为数字化PCM/FM信号，其PCM/FM信号形式为：

其中，ω_d为接收信号的多普勒，V_∑为和波束基带信号的幅度，K为调制指数，V_FW为方位差波束基带信号的幅度，其大小与方位差角度成正比，V_FY为俯仰差波束基带信号的幅度，其大小与俯仰差角度成正比，θ₀为初相，τ为积分变量。

7.根据权利要求6所述的数字多波束系统角误差的检测方法，其特征在于：和波束基带信号Sum_IQ经过自动增益控制后的和波束基带信号为：

并将得到的自动增益控制量Ctrl对方位差波束基带信号Diff_FW_IQ、俯仰差波束基带信号Diff_FY_IQ进行增益控制，得到的信号为：

8.根据权利要求7所述的数字多波束系统角误差的检测方法，其特征在于：取虚部模块对经过增益控制后的和波束基带信号Sum_IQ_AGC取虚部，得到和波束虚部信号Sum_Im：

俯仰取实部模块和方位取实部模块分别对经过幅度控制后的方位差波束基带信号Diff_FW_IQ_AGC、俯仰差波束基带信号Diff_FY_IQ_AGC取实部信号，得到方位差波束实部信号Diff_FW_Re、俯仰差波束实部信号Diff_FY_Re：

9.根据权利要求8所述的数字多波束系统角误差的检测方法，其特征在于：和波束虚部信号Sum_Im、方位差波束实部信号Diff_FW_Re、俯仰差波束实部信号Diff_FY_Re分别通过低通滤波器，得到滤波后的和波束虚部信号Sum_LPF、俯仰取实部模块和方位取实部模块滤波后的和波束虚部信号Sum_LPF、方位差波束实部信号Diff_FW_LPF、俯仰差波束实部信号Diff_FY_LPF，得到的信号为：

其中，h(t)为低通滤波器的冲击响应，*代表卷积运算。

10.根据权利要求9所述的数字多波束系统角误差的检测方法，其特征在于：相关器将低通滤波后的和波束虚部信号Sum_LPF进行自相关运算得到和路参考电压Sum_self_cor：

将低通滤波后的和波束虚部信号Sum_LPF、方位差波束实部信号Diff_FW_LPF进行互相关运算得到方位差电压FW_cross_cor：

将低通滤波后的和波束虚部信号Sum_LPF、俯仰差波束实部信号Diff_FY_LPF进行互相关运算得到俯仰差电压FY_cross_cor：

归一化模块用和路参考电压Sum_self_cor归一化方位差电压FW_cross_cor得到方位角误差FW_err：

用和路参考电压Sum_self_cor归一化俯仰差电压FY_cross_cor得到俯仰角误差FY_err：

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