CN114065491A - 一种宽带数字阵列波束重构及资源配置方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种宽带数字阵列波束重构及资源配置方法，属于通信、雷达、电子对抗及综合射频技术领域。该方法包括参数化的子阵划分，特定系统状态的区域图生成以及数字波束资源配置与核算等步骤，其以宽带阵列的波束倾斜和孔径渡越效应为分析基础，构建了参数化的子阵划分，进而引入系统工作状态参数生成了波束配置二维区域图，针对特定功能的波束需求位于的区域来配置和优化波束合成架构和资源。本发明实现了动态和参数化的数字波束合成实现与配置方法，能够有效提升数字阵列系统多功能、可重构的能力，并有效节约计算资源和功耗，特别适合在模拟阵列和数字阵列的智能设计，以及相关具备认知和优化功能的数字阵列系统中使用。

Description

一种宽带数字阵列波束重构及资源配置方法

技术领域

本发明涉及通信、雷达、电子对抗及综合射频技术领域，特别涉及一种宽带数字阵列波束重构及资源配置方法。

背景技术

数字阵列具备多功能、可重构、高性能等技术特征，因此成为实现新一代通信、雷达、电子对抗及综合射频系统的关键技术路径之一。

常规的数字阵列波束合成设计主要通过改进单元移相时延等实现结构来优化资源，同时设计时依据极限工作条件进行，这种设计思路没有充分利用数字阵列可重配置的特性，不能适用于多功能、多波束、可重构的数字阵列需求。

发明内容

本发明的目的是提出的宽带数字阵列波束重构及资源配置方法，通过参数化的子阵划分，二维配置区域图的引入以及波束合成架构分类来实现所需的波束重构及资源配置。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种宽带数字阵列波束重构及资源配置方法，包括以下过程：

(1)通过所需的最大扫描角度和最高工作频率得到无栅瓣单元间距，并根据无栅瓣单元间距、最大信号带宽、最大瞬时带宽、波束倾斜系数和孔径渡越系数，得到子阵单元数量的表达函数和子阵时延步进的表达函数；

(2)针对实际工作频率引入单元总数以及采样速率，利用子阵单元数量的表达函数和子阵时延步进的表达函数在以带宽和扫描角度所构成的二维坐标系中生成二维配置区域图，并确定每个区域波束合成配置的资源；

(3)计算特定波束的参数在二维配置区域图中的区域，选择对应区域所需的波束合成配置资源，并通过多波束的核算与求和来优化资源配置。

其中，步骤(1)中子阵单元数量的表达函数和子阵时延步进的表达函数分别表示为：

τ＝d·sinθ/c

N＝min{N₁,N₂}

DS_sub＝min{N₁·τ，N₂·τ}

式中，N为子阵单元数量的表达函数，DS_sub为子阵时延步进的表达函数，SBW为信号带宽，IBW为瞬时带宽，K₁为波束倾斜系数，K₂为孔径渡越系数，θ为扫描角度，f_c为工作频率,c为光速。

其中，步骤(2)中生成的二维配置区域图表示为：

N＝min{N₁,N₂}＝1

N＝min{N₁,N₂}＝M

DS_sub＝min{N₁·τ，N₂·τ}＝1/f_s

二维配置区域图中划分的四个区域分别表示为：

区域1：N≥M

区域2：M＞N≥1并且DS_sub≥1/f_s

区域3：M＞N≥1并且DS_sub＜1/f_s

区域4：N＜1

式中，M为单元总数，f_s为采样速率。

本发明相较现有的宽带数字阵列波束设计及资源配置方法主要有以下优点：

(1)本发明通过将子阵划分参数化使得该方法可以满足模拟阵列和数字阵列的智能优化设计需求；

(2)本发明通过二维配置图能够对系统特定功能波束需求进行分类；

(3)本发明通过在二维配置图中所位于的区域能够直观对应波束合成实现架构进而能够完成多波束的资源计算和优化；

(4)本发明结合可重构的数字处理单元硬件，本方法能够实现实时的多波束资源配置与优化，进而满足综合射频多功能可重构的需求。

附图说明

图1是本发明重构及配置方法流程图。

图2是本发明不同区域对应的波束合成结构图。

图3是本发明实施例对应的f_c＝18GHz宽带扫描方向图。

图4是本发明实施例对应的f_c＝2GHz二维配置区域图。

图5是本发明实施例f_c＝2GHz宽带扫描方向图。

具体实施方式

下面通过实施例结合附图，对本发明进行详细阐述。

本实施例依据图1具体流程。一种宽带数字阵列波束重构及资源配置方法，包括以下过程：

(A)通过所需的最大扫描角度和最高工作频率得到无栅瓣单元间距，并根据无栅瓣单元间距、最大信号带宽、最大瞬时带宽、波束倾斜系数和孔径渡越系数，得到子阵单元数量的表达函数和子阵时延步进的表达函数；

(A-1)针对射频工作频率为2GHz～18GHz的均匀线阵ULA，所需的最大扫描角度为60°，根据过程公式(1)计算得到的单元间距d＝8.9mm。

d＝c/[f_rfmax(1+sinθ_max)] (1)

式中，d为无栅瓣单元间距，θ_max为最大扫描角度，f_rfmax为最高工作频率，c为光速。

(A-2)根据最大瞬时带宽IBW＝2GHz、最大信号带宽SBW＝2GHz，并引入波束倾斜系数K₁＝0.1和孔径渡越系数K₂＝0.1，工作频率f_rfmax＝18GHz，利用公式(2)-(6)计算得到N＝3，DS_sub＝75ps，对应极限状态下的子阵划分。波束方向图瞬时带宽17GHz、17.5GHz、18GHz、18.5GHz和19GHz所对应的方向图如图3所示，宽带波束指向均为-60°。

τ＝d·sinθ/c (4)

N＝min{N₁,N₂} (5)

DS_sub＝min{N₁·τ，N₂·τ} (6)

式中，N为子阵单元数量的表达函数，DS_sub为子阵时延步进的表达函数，SBW为信号带宽，IBW为瞬时带宽，K₁为波束倾斜系数，K₂为孔径渡越系数，θ为扫描角度，f_c为工作频率,c为光速。

(B)针对实际工作频率引入单元总数以及采样速率，利用子阵单元数量的表达函数和子阵时延步进的表达函数在以带宽和扫描角度所构成的二维坐标系中生成二维配置区域图，并根据图2确定每个区域波束合成配置的资源；

(B-1)根据(A-2)得到的参数化子阵，取单元数M＝30。工作频率选择低端f_c＝2GHz，采样速率f_s＝5Gsps。利用公式(7)-(9)生成二维配置图，如图4所示。

N＝min{N₁,N₂}＝1 (7)

N＝min{N₁,N₂}＝M (8)

DS_sub＝min{N₁·τ，N₂·τ}＝1/f_s (9)

(B-2)根据(B-1)得到的二维配置图，假定第i个波束带宽BW_i＝1GHz，扫描角度为θ_i＝45°，对应图3及公式(10)-(13)，可以选择DS_sub＝200ps，并选择图2所示区域2的波束合成结构，方向图合成结果如图5所示。进而对不同的波束的实现结构进行配置得到整体资源核算进行优化。

区域1：N≥M (10)

区域2：M＞N≥1并且DS_sub≥1/f_s (11)

区域3：M＞N≥1并且DS_sub＜1/f_s (12)

区域4：N＜1(13)

总之，本发明将现有的模拟阵列子阵划分方法应用于数字阵列的波束合成结构和资源优化问题，同时将极限工作状态设计转换为实时工作状态设计，据此实现的宽带数字阵列波束重构及资源配置方法能够在模拟阵列和数字阵列的智能设计，以及相关具备认知和优化功能的数字阵列系统中使用。

Claims (3)

1.一种宽带数字阵列波束重构及资源配置方法，其特征在于，包括以下过程：

(1)通过所需的最大扫描角度和最高工作频率得到无栅瓣单元间距，并根据无栅瓣单元间距、最大信号带宽、最大瞬时带宽、波束倾斜系数和孔径渡越系数，得到子阵单元数量的表达函数和子阵时延步进的表达函数；

(2)针对实际工作频率引入单元总数以及采样速率，利用子阵单元数量的表达函数和子阵时延步进的表达函数在以带宽和扫描角度所构成的二维坐标系中生成二维配置区域图，并确定每个区域波束合成配置的资源；

(3)计算特定波束的参数在二维配置区域图中的区域，选择对应区域所需的波束合成配置资源，并通过多波束的核算与求和来优化资源配置。

2.根据权利要求1所述的宽带数字阵列波束重构及资源配置方法，其特征在于，步骤(1)中子阵单元数量的表达函数和子阵时延步进的表达函数分别表示为：

τ＝d·sinθ/c

N＝min{N₁,N₂}

DS_sub＝min{N₁·τ，N₂·τ}

式中，N为子阵单元数量的表达函数，DS_sub为子阵时延步进的表达函数，SBW为信号带宽，IBW为瞬时带宽，K₁为波束倾斜系数，K₂为孔径渡越系数，θ为扫描角度，f_c为工作频率,c为光速。

3.根据权利要求1所述的宽带数字阵列波束重构及资源配置方法，其特征在于，步骤(2)中生成的二维配置区域图表示为：

N＝min{N₁,N₂}＝1

N＝min{N₁,N₂}＝M

DS_sub＝min{N₁·τ，N₂·τ}＝1/f_s

二维配置区域图中划分的四个区域分别表示为：

区域1：N≥M

区域2：M＞N≥1并且DS_sub≥1/f_s

区域3：M＞N≥1并且DS_sub＜1/f_s

区域4：N＜1

式中，M为单元总数，f_s为采样速率。

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