CN114122726A - 一种倾斜放置阵面自适应束宽多波束形成方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种倾斜放置阵面自适应束宽多波束形成方法，采用方位多波束俯仰扫描的方式对空域覆盖范围进行遍历搜索，根据横向多波束所处俯仰指向的垂直波宽对俯仰指向角做匹配补偿；对于同一俯仰层水平方向的各个波束水平波宽通过Taylor窗系数展宽方法保持其与该层方位法相处波束的水平波宽相同。本发明充分利用相控阵面不同俯仰角下接收多波束的空间资源，仅在水平维度做波束展宽，在满足大地坐标系的空域覆盖需求前提下尽可能减小了边波束的方向图畸变，提高了阵面的测向精度。

Description

一种倾斜放置阵面自适应束宽多波束形成方法
技术领域
本发明涉及有源相控阵面系统，具体涉及一种倾斜放置阵面自适应束宽多波束形成方法。
背景技术
根据天线阵面实际应用场景，同时也为了减小多径效应的影响，相控阵面系统往往采用倾斜安装的紧固方式。在方位多波束俯仰扫描方式接收信号的相控阵面体制下，空域覆盖范围不变，安装倾角的改变会需要对阵面的多波束排布进行重新调整与优化。传统的调节方法往往仅通过改变原先各个波束的二维宽度来实现，对于高俯仰、高方位等极限位置的边波束，过大程度的展宽会产生波束方向图的畸变，严重影响测向精度。同时由于倾角带来的坐标系变换，在高俯仰指向下原先靠近方位边界的波束可能已经超出扫描空域的有效范围，造成了系统波束资源的浪费。所以，能够根据俯仰扫描指向实现接收多波束的自适应排布与形成方法对提高阵面系统工作效能与系统测量精度意义重大，也是倾斜放置条件下阵面系统正常工作的关键与难点。
发明内容
本发明的目的在于提出一种倾斜放置阵面自适应束宽多波束形成方法。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种倾斜放置阵面自适应束宽多波束形成方法，采用方位多波束俯仰扫描的方式对空域覆盖范围进行遍历搜索，根据横向多波束所处俯仰指向的垂直波宽对俯仰指向角做匹配补偿；对于同一俯仰层水平方向的各个波束水平波宽通过Taylor窗系数展宽方法保持其与该层方位法相处波束的水平波宽相同。
进一步的，所述根据横向多波束所处俯仰指向的垂直波宽对俯仰指向角做匹配补偿，具体方法为：
计算俯仰扫描处波束的纵向波宽，具体公式为：
Figure BDA0003330430600000011
其中θBW_V为波束的纵向波宽，k为系数，λ为信号波长，LV为阵面垂直口径，
Figure BDA0003330430600000012
为阵面坐标系下波束俯仰角；
将俯仰扫描处波束的纵向波宽作为测向补偿的实际纵向波宽值，进行俯仰测向误差补偿。
更进一步的，所述测向补偿采用两波束比幅测向法。
进一步的，所述对于同一俯仰层水平方向的各个波束水平波宽通过Taylor窗系数展宽方法保持其与该层方位法相处波束的水平波宽相同，具体方法为：
计算阵面坐标系下扫描俯仰层边波束的方位上下限；
结合阵面的波束个数在方位上进行等间隔排布，得到该俯仰层各个波束的方位波束间隔值；
通过Taylor窗系数法，代入不同波束指向角度，将本层多波束的横向波宽均调节为该层方位法相处波束的水平波宽。
更进一步的，设倾斜阵面的安装角为α，将大地坐标系下波束的俯仰、方位指向
Figure BDA0003330430600000021
转换为阵面坐标系内的对应位置
Figure BDA0003330430600000022
具体公式为：
Figure BDA0003330430600000023
一种倾斜放置阵面自适应束宽多波束形成系统，基于所述的倾斜放置阵面自适应束宽多波束形成方法，实现倾斜放置阵面自适应束宽多波束形成。
一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时，基于所述的倾斜放置阵面自适应束宽多波束形成方法，实现倾斜放置阵面自适应束宽多波束形成。
一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，基于所述的倾斜放置阵面自适应束宽多波束形成方法，实现倾斜放置阵面自适应束宽多波束形成。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)充分利用相控阵面不同俯仰角下接收多波束的空间资源，仅在水平维度做波束展宽，在满足大地坐标系的空域覆盖需求前提下尽可能减小了边波束的方向图畸变，提高了阵面的测向精度；2)通过等间隔排布方式在高仰角扫描时压缩了波束间隔，使得相邻波束间的方向图交叠最低点增益提升，优化了阵面的信号灵敏度。
附图说明
图1为相控阵面二维波束宽度(3dB衰减)与波束指向对应关系图；
图2为同俯仰层多波束横向波宽Taylor窗系数展宽图；
图3为大地坐标系的空域覆盖与对应阵面坐标系波位分布示意图；
图4为同俯仰层多波束等间隔排布图；
图5为阵面自适应多波束形成系统控制流程图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
本发明一种倾斜放置阵面自适应束宽多波束形成方法，结合接收波束俯仰扫描过程中俯仰波束宽度随俯仰角增大而变宽的特性实现等间隔的俯仰角度扫描模式下的测向误差补偿，在不改变各俯仰层波束垂直波宽的前提下提高了俯仰测向精度。对于同一俯仰层的同时多波束排列，通过Taylor窗系数展宽方法将不同方位上波束的水平宽度调节至与该层方位法相(水平中心)处波束水平波宽相同的状态。同一俯仰层方位上的波束间隔按照阵面坐标系中实际所需要的范围除以波束个数获得。最后将上述俯仰补偿值、Taylor窗展宽系数及波束间隔作为体统波控模块及DBF数字波束合成模块的输入，控制阵面完成相应的多波束合成。
在二维相控阵面接收波束形成过程中，二维波束宽度(以3dB衰减为例)的公式分别式(1)：
Figure BDA0003330430600000031
其中θBW_H为波束水平维度的波束宽度，θBW_V为波束垂直方向的波束宽度，k为系数，3dB波宽时为0.886，λ为信号波长，LH为阵面水平口径，LV为阵面垂直口径，θAZ为波束方位角(阵面坐标系下)，
Figure BDA0003330430600000032
为波束俯仰角。由公式可知，波束水平维度的横向宽度随该波束方位角的增大而增大，波束垂直维度的纵向宽度随该波束俯仰角的增大而增大，波束宽度(3dB衰减)与波束指向对应关系如图1。在本发明中，当相控阵面采用方位同时多波束于俯仰维度扫描的工作方式时，俯仰的波宽增大通过误差补偿的方法实现测向精度优化，对纵向波宽本身不做特殊调整，波束横向波宽增大通过Taylor窗系数展宽法进行合成处理，将同一层俯仰不同方位指向波束的横向宽度调节成一致，如图2所示。
下面具体介绍本发明中倾斜放置阵面自适应束宽多波束形成方法的设计原理与工作流程。
1)设倾斜阵面的安装角为α，根据坐标系转换公式，将大地坐标系下波束的俯仰、方位指向
Figure BDA0003330430600000041
转换为阵面坐标系内的对应位置
Figure BDA0003330430600000042
如式(2)。
Figure BDA0003330430600000043
由于本方法不改变扫描波束的纵向波宽，所以在俯仰角度计算过程中，需要通过
Figure BDA0003330430600000044
利用式(1)计算出该俯仰角下实际波束的纵向波宽与阵面法相处波束纵向波宽的差异，并以此作为条件参数进行测向补偿(常见如两波束比幅测向法)。由于波束的频率及所处俯仰位置各异，测向补偿值也将相应变化，即实现自适应的波束形成补偿。
2)在多波束扫描到大地坐标系某俯仰角
Figure BDA0003330430600000045
时，结合大地坐标系的空域覆盖需，求根据式(2)计算该层边波束的方位上下限，设大地坐标系下要求方位空域覆盖均为±θ'max，则转换到阵面坐标系后的方位覆盖范围为
Figure BDA0003330430600000046
如图3。
3)由系统扫描的多波束个数在步骤3)计算的阵面方位空域内进行等间隔排布。设每层波束个数为n，则相邻波束间隔为
Figure BDA0003330430600000047
如图4(a)。由图可知，在坐标系变换后，原本大地坐标系下同一俯仰层的横向多波束在阵面坐标系下俯仰有微小的差异，形成一条弧线。在阵面多波束排布时，如果保持俯仰指向不变，则瞬时扫描的纵向波束宽度应满足能够覆盖这条弧线，以保证测向的准确性。
4)根据步骤3)所确定的方位间隔，将该俯仰层中的每个波束的横向波宽通过Taylor窗系数法调节成与该层方位法相波束的横向波宽相同的状态，如图4(b)。
5)将扫描波束俯仰指向、俯仰测向补偿、Taylor窗系数、多波束间隔等参数输入系统波控模块及DBF数字波束合成模块，完成自适应波束形成，整体流程图如图5。
6)当阵面扫描到下一个俯仰位置时，重复步骤1)～步骤5)，实现完整的自适应束宽多波束排布与形成。
本发明还提出一种倾斜放置阵面自适应束宽多波束形成系统，基于所述的倾斜放置阵面自适应束宽多波束形成方法，实现倾斜放置阵面自适应束宽多波束形成。
一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时，基于所述的倾斜放置阵面自适应束宽多波束形成方法，实现倾斜放置阵面自适应束宽多波束形成。
一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，基于所述的倾斜放置阵面自适应束宽多波束形成方法，实现倾斜放置阵面自适应束宽多波束形成。
本发明通过合理利用波束本身的方向图特性，在满足阵面空域需求的前提下通过紧密排列的设计思路减小了边波束的方向图畸变，提高了阵面的测向精度，优化了阵面的信号灵敏度。
实施例
为了验证本发明方案的有效性，进行如下实验。
本实施例中，相控阵面工作频率为6GHz，阵面孔径为1m×1m，系统空域覆盖范围为大地坐标系下俯仰-10°～55°、方位-30°～30°，阵面安装角为10°，每层多波束个数为30。阵面接收信号时，当俯仰扫描至50°的指向时，应用本发明的波束形成方法，过程如下。
1)根据式(1)，计算得到该俯仰处波束的纵向波宽(3dB衰减)为3.31°，将该值作为俯仰两波束比幅测向的实际纵向波宽值，可以补偿俯仰测向误差。
2)根据式(2)计算该俯仰层边波束的方位上下限，转换到阵面坐标系后可得值为-25.3°～25.3°，示意图如图3。
3)由系统扫描的多波束个数在步骤3)计算的阵面方位空域内进行等间隔排布，可得相邻波束间隔为1.7°，示意图如图4(a)。由计算可知，在坐标系变换后，该扫描层俯仰转换波动大约为1°，满足波束纵向波宽的覆盖需求。
4)据式(2)，带入系统参数，得到该俯仰处方位法相波束的横向波宽为2.5°。通过Taylor窗系数法，带入不同方位波束的指向数据，将本层多波束的横向波宽均调节为2.5°，如图4(b)所示。
5)将扫描波束俯仰指向、俯仰测向补偿、Taylor窗系数、多波束间隔等参数输入系统波控模块及DBF数字波束合成模块，完成自适应波束形成，整体流程图如图5。
6)当阵面扫描到下一个俯仰位置时，重复步骤1)～步骤5)，实现完整的自适应束宽多波束排布与形成。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种倾斜放置阵面自适应束宽多波束形成方法，其特征在于，采用方位多波束俯仰扫描的方式对空域覆盖范围进行遍历搜索，根据横向多波束所处俯仰指向的垂直波宽对俯仰指向角做匹配补偿；对于同一俯仰层水平方向的各个波束水平波宽通过Taylor窗系数展宽方法保持其与该层方位法相处波束的水平波宽相同。
2.根据权利要求1所述的倾斜放置阵面自适应束宽多波束形成方法，其特征在于，所述根据横向多波束所处俯仰指向的垂直波宽对俯仰指向角做匹配补偿，具体方法为：
计算俯仰扫描处波束的纵向波宽，具体公式为：
Figure FDA0003330430590000011
其中θBW_V为波束的纵向波宽，k为系数，λ为信号波长，LV为阵面垂直口径，
Figure FDA0003330430590000012
为阵面坐标系下波束俯仰角；
将俯仰扫描处波束的纵向波宽作为测向补偿的实际纵向波宽值，进行俯仰测向误差补偿。
3.根据权利要求2所述的倾斜放置阵面自适应束宽多波束形成方法，其特征在于，所述测向补偿采用两波束比幅测向法。
4.根据权利要求1所述的倾斜放置阵面自适应束宽多波束形成方法，其特征在于，所述对于同一俯仰层水平方向的各个波束水平波宽通过Taylor窗系数展宽方法保持其与该层方位法相处波束的水平波宽相同，具体方法为：
计算阵面坐标系下扫描俯仰层边波束的方位上下限；
结合阵面的波束个数在方位上进行等间隔排布，得到该俯仰层各个波束的方位波束间隔值；
通过Taylor窗系数法，代入不同波束指向角度，将本层多波束的横向波宽均调节为该层方位法相处波束的水平波宽。
5.根据权利要求2或3或4所述的倾斜放置阵面自适应束宽多波束形成方法，其特征在于，设倾斜阵面的安装角为α，将大地坐标系下波束的俯仰、方位指向
Figure FDA0003330430590000013
转换为阵面坐标系内的对应位置
Figure FDA0003330430590000014
具体公式为：
Figure FDA0003330430590000021
6.一种倾斜放置阵面自适应束宽多波束形成系统，其特征在于，基于权利要求1-5任一项所述的倾斜放置阵面自适应束宽多波束形成方法，实现倾斜放置阵面自适应束宽多波束形成。
7.一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时，基于权利要求1-5任一项所述的倾斜放置阵面自适应束宽多波束形成方法，实现倾斜放置阵面自适应束宽多波束形成。
8.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，基于权利要求1-5任一项所述的倾斜放置阵面自适应束宽多波束形成方法，实现倾斜放置阵面自适应束宽多波束形成。
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