CN113759777B - 相控阵天线波束控制方法 - Google Patents

相控阵天线波束控制方法 Download PDF

Info

Publication number
CN113759777B
CN113759777B CN202111011097.2A CN202111011097A CN113759777B CN 113759777 B CN113759777 B CN 113759777B CN 202111011097 A CN202111011097 A CN 202111011097A CN 113759777 B CN113759777 B CN 113759777B
Authority
CN
China
Prior art keywords
multiplier
sin
phased array
phi
array antenna
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202111011097.2A
Other languages
English (en)
Other versions
CN113759777A (zh
Inventor
张晓波
唐洪军
任威
赵小刚
李超然
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Southwest Electronic Technology Institute No 10 Institute of Cetc
Original Assignee
Southwest Electronic Technology Institute No 10 Institute of Cetc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Southwest Electronic Technology Institute No 10 Institute of Cetc filed Critical Southwest Electronic Technology Institute No 10 Institute of Cetc
Priority to CN202111011097.2A priority Critical patent/CN113759777B/zh
Publication of CN113759777A publication Critical patent/CN113759777A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN113759777B publication Critical patent/CN113759777B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B19/00—Programme-control systems
    • G05B19/02—Programme-control systems electric
    • G05B19/04—Programme control other than numerical control, i.e. in sequence controllers or logic controllers
    • G05B19/042—Programme control other than numerical control, i.e. in sequence controllers or logic controllers using digital processors
    • G05B19/0423—Input/output
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q21/00—Antenna arrays or systems
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B2219/00—Program-control systems
    • G05B2219/20—Pc systems
    • G05B2219/24—Pc safety
    • G05B2219/24215—Scada supervisory control and data acquisition
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02D—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIES [ICT], I.E. INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIES AIMING AT THE REDUCTION OF THEIR OWN ENERGY USE
    • Y02D30/00—Reducing energy consumption in communication networks
    • Y02D30/70—Reducing energy consumption in communication networks in wireless communication networks

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Automation & Control Theory (AREA)
  • Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)

Abstract

本发明公开的一种相控阵天线波束控制方法，实现方式简单，计算速度快，运行效率高。本发明通过下述技术方案实现：FPGA根据数字自适应波束形成的原理和数学模型，对多路路输入的相控阵天线相位θ和俯仰角φ前端信号进行三角函数计算，将计算结果送入两路并行连接的串联乘法器，第一路乘法器1相乘得到的sin(θ)*COS(φ)的值通过乘法器4进行复乘；第二路乘法器2通过乘法器5进行相乘，乘法器4、5同时通过加法器将各分量相乘结果累加，同时相控阵天线终端传递过来的频率字f通过乘法器3进行运算，乘法器6将加法器相加的结果与乘法器3输出360/λ的值相乘后对360进行求余，再通过四舍五及求余模块得到相应的波控码。

Description

相控阵天线波束控制方法
技术领域
本发明涉及一种基于FPGA的相控阵天线波控码计算方法，适用于相控阵雷达等领域。
背景技术
在雷达及声纳信号处理系统中，波束形成算法通常采用DSP软件编程实现，控制逻辑电路采用CPLD来完成，这种方法具有软件编程灵活、功能易于扩展的优点，但对于实时性能要求很高的系统，如雷达、声纳探测和超声成像等系统中为了提高对目标变化实时跟踪和测量，就必须缩短信号处理的时间，过长的运算处理时间会对水下目标的探测性能产生较大的影响。声纳的检测能力就会迅速下降，以至完全失去检测能力，而自适应波束形成技术(ABF)就是声纳能够根据周围环境噪声场的变化，不断地自动调节本身的参数以适应周围环境，抑制干扰并检出有用信号。因此采用FPGA来实现自适应波束形成算法是满足复杂海洋环境超声阵列波束形成的较好途径。波束控制器作为相控阵天线系统的重要组成单元，其主要作用是实现天线的快速灵活扫描，以实现对目标的快速搜索和跟踪。相控阵天线的各个阵元的波控码均需要波束控制器来计算，波控码的计算速度对于波束控制器的设计至关重要。目前波束控制器的核心处理器多为单片机，DSP，FPGA等。现场可编程门阵列FPGA是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。作为专用集成电路(ASIC)领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。它可以根据需要通过可编辑的连接把FPGA内部的逻辑块连接起来，就好像一个电路试验板被放在了一个芯片里。一个出厂后的成品FPGA的逻辑块和连接可以按照设计而改变，所以FPGA可以完成所需要的逻辑功能。FPGA由于其支持高速计算和并行逻辑控制等特点，更适合用于对波控码计算速度要求高的天线系统。
为了进一步提升通信相控阵天线的多波束能力,现有技术提出的波控码计算方法主要有波束控制量化算法、实时计算法、查表法等，波束控制量化算法虽然可以在量化波束控制移相码的过程中，将阵元位置信息代入解算,可降低误差达到减小波束跃度的目,使相控阵天线波束扫描特性得到提高，但存在实现难度大、计算速度慢、存储资源多、不够通用等缺点。
发明内容
针对上述问题，本发明提供一种实现方式简单，计算速度快，运行效率高,能够缩短了系统配相时间，并在FPGA中实现。基于FPGA的相控阵天线波控码计算方法，以解决高波控码计算方法实现难度大、计算速度慢、存储资源多、不够通用的问题。
本发明的上述目的可以通过以下措施来达到，一种相控阵天线波束控制方法，具有如下技术特征，基于现场可编程门阵列FPGA芯片，FPGA根据数字自适应波束形成的原理和数学模型，对多路路输入的相控阵天线相位θ和俯仰角φ前端信号进行三角函数sin(θ)、COS(φ)sin(φ)查表计算，将计算结果送入两路并行连接的串联乘法器，第一路乘法器1相乘得到的sin(θ)*COS(φ)的值通过乘法器4进行复乘，乘法器4利用嵌套循环将i＝0…m，j＝0…n依次遍历i和j的值，根据i和j的值对i*dx和j*dy进行查表，计算得到i*dx*sin(θ)*COS(φ)；第二路乘法器2相乘得到的sin(θ)*sin(φ)通过乘法器5进行相乘，根据j的值对j*dy进行查表，计算得到j*dy*sin(θ)*sin(φ)，乘法器4、5同时通过加法器将i*dx*sin(θ)*COS(φ)和j*dy*sin(θ)*sin(φ各分量相乘结果累加，得到输出y(n)，同时相控阵天线终端传递过来的频率字f通过乘法器3进行360/λ＝f*360/c运算，将360/λ的值算出λ＝c/f，乘法器6将加法器相加的结果与乘法器3输出360/λ的值相乘后对360进行求余，再通过乘法器7将该结果乘以1/5.625，然后通过四舍五及求余模块得到相应的波控码，其中，i＝0…m，j＝0…n，dx为X方向阵元间距，dy为Y方向阵元间距，λ为波长，c为光速，f为终端传递过来的频率字。
本发明相比于现有技术的有益效果是：
计算速度快。本发明采用FPGA根据数字自适应波束形成的原理和数学模型，对多路输入的相控阵天线相位θ和俯仰角φ前端信号进行三角函数sin(θ)、COS(φ)sin(φ)查表计算，将计算结果送入两路并行连接的串联乘法器，以并行计算+流水线的方式，查表与实时计算相结合，计算速度快，实现方式简单。
占用资源少。本发明采用第一路乘法器1相乘得到的sin(θ)*COS(φ)的值通过乘法器4进行复乘，乘法器4利用嵌套循环将i＝0…m，j＝0…n依次遍历i和j的值，根据i和j的值对i*dx和j*dy进行查表，计算得到i*dx*sin(θ)*COS(φ)；第二路乘法器2相乘得到的sin(θ)*sin(φ)通过乘法器5进行相乘，根据j的值对j*dy进行查表，计算得到j*dy*sin(θ)*sin(φ)，乘法器4、5同时通过加法器将i*dx*sin(θ)*COS(φ)和j*dy*sin(θ)*sin(φ各分量相乘结果累加，同时相控阵天线终端传递过来的频率字f通过乘法器3进行360/λ＝f*360/c运算，将360/λ的值算出λ＝c/f。使复数乘加运算节约了大量资源，由于计算第1个波控码需要7个时钟周期，采用流水线计算方式，后续的每个波控码实际只需要1个时钟周期就可计算得到，只用了7个乘法器，1个加法器，即可支持任意阵元规模的波控码计算，占用资源少。
通用性好、可扩展。本发明采用乘法器6将加法器相加的结果与乘法器3输出360/λ的值相乘后对360进行求余，再通过乘法器7将该结果乘以1/5.625，然后通过四舍五及求余模块得到相应的波控码，只需改变几个参数和存储表内容即可适应不同的相控阵天线，通用性好。结果表明在量化波束控制移相码的过程中将阵元位置信息代入解算,可降低误差达到减小波束跃度的目的,使相控阵天线波束扫描特性得到提高。用该算法分配控制码与均匀分配法相比,具有较低的最大波束指向误差与较低的最小波束跃度,可满足目标精密跟踪测量的应用。利用定点乘加器完成浮点运算,并在FPGA中进行了仿真及实现。在保证精度的前提下,提高了算法运行效率,缩短了系统配相时间,完成了硬件平台的更新。
本发明充分利用FPGA芯片运算速度快，支持并行计算等优点设计和实现了一种相控阵天线波束控制方法。可在一个FPGA内例化多个模块，可方便的实现分区计算，在不提高工作时钟的情况下可进一步加快计算时间。
附图说明
下面结合附图和实施例对发明进一步说明。
图1是本发明一种相控阵天线波束控制原理示意图。
下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案。
具体实施方式
参阅图1。根据本发明，基于现场可编程门阵列FPGA芯片，FPGA根据数字自适应波束形成的原理和数学模型，对多路输入的相控阵天线相位θ和俯仰角φ前端信号进行三角函数sin(θ)、COS(φ)sin(φ)查表计算，将计算结果送入两路并行连接的串联乘法器，第一路乘法器1相乘得到的sin(θ)*COS(φ)的值通过乘法器4进行复乘，乘法器4利用嵌套循环将i＝0…m，j＝0…n依次遍历i和j的值，根据i和j的值对i*dx和j*dy进行查表，计算得到i*dx*sin(θ)*COS(φ)；第二路乘法器2相乘得到的sin(θ)*sin(φ)通过乘法器5进行相乘，根据j的值对j*dy进行查表，计算得到j*dy*sin(θ)*sin(φ)，乘法器4、5同时通过加法器将i*dx*sin(θ)*COS(φ)和j*dy*sin(θ)*sin(φ各分量相乘结果累加，得到输出y(n)，同时相控阵天线终端传递过来的频率字f通过乘法器3进行360/λ＝f*360/c运算，将360/λ的值算出λ＝c/f，乘法器6将加法器相加的结果与乘法器3输出360/λ的值相乘后对360进行求余，再通过乘法器7将该结果乘以1/5.625，然后通过四舍五及求余模块得到相应的波控码，其中，i＝0…m，j＝0…n，dx为X方向阵元间距，dy为Y方向阵元间距，λ为波长，c为光速，f为终端传递过来的频率字。
为节约计算时间，根据相控阵天线相位θ和俯仰角φ对三角函数sin(θ)、COS(φ)、sin(φ)进行查表计算，将查表得到的值通过乘法器1进行相乘得到sin(θ)*COS(φ)，通过乘法器2进行相乘得到sin(θ)*sin(φ)的值。
将波长λ＝c/f代入到波控码计算公式：
用一个乘法运算将360/λ的值算出360/λ＝f*360/c，i＝0…m，j＝0…n，m和n为大于0的整数，相控阵的阵元数量规模为m*n，a(i，j)表示坐标位置为(i，j)的阵元对应的波控码。
利用一个嵌套循环将i＝0…m，j＝0…n依次遍历，同时根据i和j的值对i*dx和j*dy进行查表，通过乘法器4计算得到通过乘法器5计算得到然后再通过加法器将/>和/>相加，再通过乘法器6将相加的结果与360/λ的值相乘后对360进行求余，再通过乘法器7将该结果乘以1/5.625，然后进行四舍五入后得到相应的波控码。
以上所述仅是实现一种基于FPGA的相控阵天线波控码计算方法的优选实施方案，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其它组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (3)

1.一种相控阵天线波束控制方法，具有如下技术特征，基于现场可编程门阵列FPGA芯片，FPGA根据数字自适应波束形成的原理和数学模型，对多路路输入的相控阵天线相位θ和俯仰角φ前端信号进行三角函数sin(θ)、COS(φ)sin(φ)查表计算，将计算结果送入两路并行连接的串联乘法器，第一路乘法器1相乘得到的sin(θ)*COS(φ)的值通过乘法器4进行复乘，乘法器4利用嵌套循环将i＝0…m，j＝0…n依次遍历i和j的值，根据i和j的值对i*dx和j*dy进行查表，计算得到i*dx*sin(θ)*COS(φ)；第二路乘法器2相乘得到的sin(θ)*sin(φ)通过乘法器5进行相乘，根据j的值对j*dy进行查表，计算得到j*dy*sin(θ)*sin(φ)，乘法器4、5同时通过加法器将i*dx*sin(θ)*COS(φ)和j*dy*sin(θ)*sin(φ各分量相乘结果累加，得到输出y(n)，同时相控阵天线终端传递过来的频率字f通过乘法器3进行360/λ＝f*360/c运算，将360/λ的值算出λ＝c/f，乘法器6将加法器相加的结果与乘法器3输出360/λ的值相乘后对360进行求余，再通过乘法器7将该结果乘以1/5.625，然后通过四舍五及求余模块得到相应的波控码，其中，i＝0…m，j＝0…n，dx为X方向阵元间距，dy为Y方向阵元间距，λ为波长，c为光速，f为终端传递过来的频率字。
2.如权利要求1所述的相控阵天线波束控制方法，其特征在于，根据相控阵天线相位θ和俯仰角φ对三角函数sin(θ)、COS(φ)、sin(φ)进行查表计算，将查表得到的值通过乘法器1进行相乘得到sin(θ)*COS(φ)，通过乘法器2进行相乘得到sin(θ)*sin(φ)的值。
3.如权利要求1所述的相控阵天线波束控制方法，其特征在于，将波长λ＝c/f代入到波控码计算公式：
用一个乘法运算将360/λ的值算出360/λ＝f*360/c，
式中，i＝0…m，j＝0…n，m和n为大于0的整数，相控阵的阵元数量规模为m*n，a(i，j)表示坐标位置为(i，j)的阵元对应的波控码。
CN202111011097.2A 2021-08-31 2021-08-31 相控阵天线波束控制方法 Active CN113759777B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202111011097.2A CN113759777B (zh) 2021-08-31 2021-08-31 相控阵天线波束控制方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202111011097.2A CN113759777B (zh) 2021-08-31 2021-08-31 相控阵天线波束控制方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN113759777A CN113759777A (zh) 2021-12-07
CN113759777B true CN113759777B (zh) 2023-12-05

Family

ID=78792210

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202111011097.2A Active CN113759777B (zh) 2021-08-31 2021-08-31 相控阵天线波束控制方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN113759777B (zh)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114205009B (zh) * 2021-12-10 2024-04-26 上海无线电设备研究所 基于fpga数字相控阵天线接收通道自动化配相方法

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0936755B1 (en) * 1998-02-13 2005-07-06 Nec Corporation Adaptive receiving device with antenna array
CN106125050A (zh) * 2016-06-12 2016-11-16 上海无线电设备研究所 一种基于cordic核的正弦空间内波控码计算方法
CN111859269A (zh) * 2020-07-13 2020-10-30 成都雷电微力科技股份有限公司 相控阵天线波控角度解算方法、系统及存储介质
CN112255615A (zh) * 2020-09-30 2021-01-22 四川九洲空管科技有限责任公司 一种雷达动平台电子波束稳定及补偿系统
CN112382855A (zh) * 2020-11-16 2021-02-19 上海无线电设备研究所 基于稀疏阵列的有源相控阵天线波束控制方法

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20120244824A1 (en) * 2007-02-12 2012-09-27 Texas Instruments Incorporated Minimization of rms phase error in a phase locked loop by dithering of a frequency reference

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0936755B1 (en) * 1998-02-13 2005-07-06 Nec Corporation Adaptive receiving device with antenna array
CN106125050A (zh) * 2016-06-12 2016-11-16 上海无线电设备研究所 一种基于cordic核的正弦空间内波控码计算方法
CN111859269A (zh) * 2020-07-13 2020-10-30 成都雷电微力科技股份有限公司 相控阵天线波控角度解算方法、系统及存储介质
CN112255615A (zh) * 2020-09-30 2021-01-22 四川九洲空管科技有限责任公司 一种雷达动平台电子波束稳定及补偿系统
CN112382855A (zh) * 2020-11-16 2021-02-19 上海无线电设备研究所 基于稀疏阵列的有源相控阵天线波束控制方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
基于PowerPC处理器的相控阵雷达波控模块的实现;陈佳旭;《中国优秀硕士学位论文全文数据库信息科技辑》(第5期);全文 *
新型宽带数字多波束相控阵天线设计;任燕飞;《电讯技术》;第53卷(第7期);全文 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN113759777A (zh) 2021-12-07

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN108051782B (zh) 基于子阵划分的大规模相控阵差波束形成系统
CN111144014B (zh) 一种基于fpga的二维平面相控阵天线配相算法实现方法
CN108037692B (zh) 大规模共形数字相控阵的波束控制方法
CN109946664B (zh) 一种主瓣干扰下的阵列雷达导引头单脉冲测角方法
CN113759777B (zh) 相控阵天线波束控制方法
CN110361691B (zh) 基于非均匀阵列的相干信源doa估计fpga实现方法
CN109581275B (zh) 基于非圆信号和三维正交阵的二维水下doa估计方法和装置
CN113156383B (zh) 基于fpga的雷达信号抗干扰方法、系统及数据处理设备
CN108802669B (zh) 二维波达方向估计方法、二维波达方向估计装置及终端
JP6355546B2 (ja) 目標検出装置
Chen et al. DOA estimation with non-uniform linear arrays: A phase-difference projection approach
CN111859278B (zh) 抗动态干扰的极化波束形成方法、系统、存储介质及应用
CN116362043B (zh) 基于cm-sbr的复杂多个目标与背景环境整体化的分析方法及系统
Liu et al. An FPGA-based MVDR beamformer using dichotomous coordinate descent iterations
CN114791590B (zh) 横摇补偿波束生成方法、装置、电路和系统
CN109639329B (zh) 唯相位加权波束快速赋形方法
CN107153175B (zh) 基于交替投影的相位加权旁瓣抑制方法
CN115603834A (zh) 相控阵天线的校准方法、装置、设备、介质及系统
Giusti et al. Recent advances in array antenna and array signal processing for radar
CN114217265A (zh) 基于最小方差无失真响应的信源波达估计方法及系统
Liu et al. Beamforming of joint polarization-space matched filtering for conformal array
CN112731318B (zh) 单/双站动态复杂目标回波模拟方法及实现
RU213021U9 (ru) Устройство определения направления прихода радиосигнала
Giahi et al. Investigating SAMV Regarding its Suitability For FPGAs
CN110208751A (zh) 一种基于gpu加速的雷达信号旁瓣对消实现方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant