CN113054436B - 一种任意曲面阵的波束控制机构的控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种任意曲面阵的波束控制机构的控制方法，旨在控制任意曲面相控阵天线单元幅相值实现目标波束扫描和旁瓣抑制。波束控制系统根据设置的方位、仰角、频率信息计算各个通道所需的移相值和衰减值，计算采用先投影后幅度加权的方法，建立以波束扫描方向为法向量，过扫描方向上一点的投影平面，曲面阵各通道单元相位中心到投影平面的距离可以表征各通道在波束扫描方向上的空间相位差，改变各通道移相器的移相值补偿空间相位差，实现波束扫描，另外可以根据各通道相位中心投影点的位置进行幅度加权实现旁瓣抑制。本发明提出的这种计算方法使得对任意曲面阵配相的计算复杂度大幅降低，从而减少了FPGA的占用资源，是对现有波控方法的改进。

Description

一种任意曲面阵的波束控制机构的控制方法
技术领域
本发明是一种任意曲面阵的波束控制机构的控制方法，涉及通信领域，尤其涉及相控阵天线技术。
背景技术
相控阵天线是用电子控制的方式实现波束指向快速转换，使天线波束具有快速扫描能力。相控阵天线按天线波束在空间角度上扫描维度的划分可以分为一维相控阵天线和两维相控阵天线，一般的两维相控阵天线为平面相控阵天线，然而由于平面相控阵天线扫描角度的局限性，工程上一般采用不同的曲面形相控阵天线，比如圆柱形相控阵天线可以实现在方位角上0-360度的全方位覆盖。
相控阵天线波束指向的改变主要由波束控制系统实现，波束控制系统根据不同的波束指向要求，生成各个通道的移相器和衰减器的控制信号。波束控制首先需要完成天线各通道移相量的计算，目前已有的配相计算方法往往计算复杂，计算量大，特别是对于不同的曲面形相控阵天线。
发明内容
技术问题：有鉴于此，本发明提出了一种任意曲面阵的波束控制机构的控制方法，能够解决克服现有技术中存在的计算量大和占用资源多的问题和缺陷。
技术方案：本发明的一种任意曲面阵的波束控制机构的控制方法为：波束控制机构根据先投影后幅度加权的波控算法来计算特定目标信息上相控阵各通道单元所需的理论幅相值，从而实现波束扫描和旁瓣抑制；包括以下步骤：
步骤1.建立目标方向的投影平面，将相控阵各通道单元的相位中心投影到该平面上；
步骤2.计算各通道单元相位中心到投影平面的距离，根据投影距离计算各通道单元需要补偿的阵内相位差，完成波束扫描；
步骤3.根据各通道单元相位中心在投影平面投影点距离中心点的距离计算各通道需要的幅度加权系数，实现旁瓣抑制。
其中，所述的波束控制机构计算特定目标信息包括方位角、俯仰角目标位置信息和频率信息。
所述理论幅相值用到的先投影后幅度加权的波控算法中，建立以曲面阵中心为原点的直角坐标系，并生成以目标位置的单位方向矢量为法向量(A,B,C)，过方向矢量上一点(x0,y0,z0)的投影平面A(x-x0)+B(y-y0)+C(z-z0)＝0。
所述各通道单元相位中心到投影平面的距离为：
Figure BDA0002969445870000021
其中，曲面阵上各通道单元的相位中心记为(xm,ym,zm)，其中m＝1,2,…,M，M为曲面阵通道的最大单元数；Dm为曲面阵第m个通道单元的相位中心到投影平面的距离；A,B,C为目标方向的单位矢量。
所述根据投影距离计算各通道单元用来补偿空间相位差的阵内相位差为：
Figure BDA0002969445870000022
其中，Δφmn是曲面阵第m个通道单元与第n个通道单元在投影方向上的空间相位差；ΔDmn是曲面阵第m个通道单元与第n个通道单元在投影方向上的空间距离差；λ是波长。
所述各通道单元相位中心在投影平面投影点距离中心点的距离为：
Figure BDA0002969445870000023
则各通道单元的幅度加权系数Am,(m＝1,2,…，N)就是关于lm的函数，距离越近，该通道单元的幅度加权系数越高。
有益效果：采用本发明所述波束控制机构和方法，与现有技术相比，在计算上大大降低了复杂度，减少了FPGA资源的占用，能够更快的实现波束指向的转变。
附图说明
图1是本发明的较优实施例的方法流程图；
图2是本发明的方法示意图。
具体实施方式
下面结合附图进一步对本发明进行说明：
步骤1、首先建立以曲面阵中心为原点的直角坐标系，并生成各个波束指向的方向矢量。在直角坐标系中，曲面阵天线中心(0,0,0)，波束指向的矢量为(A,B,C)；
然后在建立的直角坐标系上，生成以各个波束指向的方向矢量为法向量，过方向矢量上一点的平面方程。以矢量(A,B,C)为法向量，过(x0,y0,z0)的平面可以表示为：A(x-x0)+B(y-y0)+C(z-z0)＝0；
步骤2、曲面阵天线各单元相位中心坐标(xm,ym,zm)，其中m＝1,...,N,N为曲面阵天线通道单元数，曲面阵天线各通道单元在目标指向的空间距离之差可以用到上述平面的距离之差表示：
Figure BDA0002969445870000031
曲面阵天线各通道单元在目标指向的空间相位差与空间距离之差的关系式：
Figure BDA0002969445870000032
相对于通道1的相位，各通道相位可以表示为：
Figure BDA0002969445870000033
步骤3、根据曲面阵各通道单元的相位中心在投影平面上的分布位置进行幅度加权，幅度加权系数Am与各通道单元相位中心在投影平面上投影点到中心点的距离有关，具体可以使用泰勒分布等。
综上所述，在指定波束方向上曲面阵各通道单元的理论幅相值可以表示为
Figure BDA0002969445870000041
最后根据这个理论值控制曲面阵各个通道的移相器和衰减器，实现曲面阵的波束扫描和旁瓣抑制。

Claims (6)

1.一种任意曲面阵的波束控制机构的控制方法，其特征在于：该控制方法为，波束控制机构根据先投影后幅度加权的波控算法来计算特定目标信息上相控阵各通道单元所需的理论幅相值，从而实现波束扫描和旁瓣抑制；包括以下步骤：
步骤1.建立目标方向的投影平面，将相控阵各通道单元的相位中心投影到该平面上；
步骤2.计算各通道单元相位中心到投影平面的距离，根据投影距离计算各通道单元需要补偿的阵内相位差，完成波束扫描；
步骤3.根据各通道单元相位中心在投影平面投影点距离中心点的距离计算各通道需要的幅度加权系数，实现旁瓣抑制。
2.如权利要求1所述的任意曲面阵的波束控制机构的控制方法，其特征在于，所述特定目标信息包括方位角、俯仰角目标位置信息和频率信息。
3.如权利要求1所述的任意曲面阵的波束控制机构的控制方法，其特征在于，计算所述理论幅相值用到的先投影后幅度加权的波控算法中，建立以曲面阵中心为原点的直角坐标系，并生成以目标位置的单位方向矢量为法向量(A,B,C)，过方向矢量上一点(x0,y0,z0)的投影平面A(x-x0)+B(y-y0)+C(z-z0)＝0。
4.如权利要求3所述的任意曲面阵的波束控制机构的控制方法，其特征在于，所述各通道单元相位中心到投影平面的距离为：
Figure FDA0003847153870000011
其中，曲面阵上各通道单元的相位中心记为(xm,ym,zm)，其中m＝1,2,…,M，M为曲面阵通道的最大单元数；Dm为曲面阵第m个通道单元的相位中心到投影平面的距离；(A,B,C)为目标方向的单位矢量。
5.如权利要求4所述的任意曲面阵的波束控制机构的控制方法，其特征在于，所述根据投影距离计算各通道单元用来补偿空间相位差的阵内相位差为：
Figure FDA0003847153870000012
其中，Δφmn是曲面阵第m个通道单元与第n个通道单元在投影方向上的空间相位差；ΔDmn是曲面阵第m个通道单元与第n个通道单元在投影方向上的空间距离差；λ是波长。
6.如权利要求5所述的任意曲面阵的波束控制机构的控制方法，其特征在于，所述各通道单元相位中心在投影平面投影点距离中心点的距离为：
Figure FDA0003847153870000021
则各通道单元的幅度加权系数Am，m＝1,2,…，M就是关于lm的函数，距离越近，该通道单元的幅度加权系数越高。
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