CN115000704B - 一种分层计算的二维相控阵波束控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及相控阵波束控制技术领域，公开了一种分层计算的二维相控阵波束控制方法及系统，该波束控制方法将二维相控阵按照TR通道层、子阵合成层、路由网络层进行三层划分，通过分层计算的方法进行逐层计算控制，并进行延时优化分配。本发明解决了现有技术存在的因解算复杂、延时误差大从而造成波束切换时间长、波束精度指向差等问题。

Description

一种分层计算的二维相控阵波束控制方法及系统

技术领域

本发明涉及相控阵波束控制技术领域，具体是一种分层计算的二维相控阵波束控制方法及系统。

背景技术

相控阵天线因其具有波束扫描快捷、灵活的特点，具有强大的生命力，已广泛应用于雷达、电子战、通信等现代装备系统中。而波束控制作为相控阵天线的重要组成部分，通过准确地控制天线各阵元的幅度和相位关系，获得与要求的天线方向图相对应的天线口径照射函数，以达到快速改变天线的指向和天线波束形状的目的。因此，波束控制方法的好坏决定了相控阵天线系统的整体性能指标，对波束控制技术的研究具有重要意义。

目前，现有的相控阵波束控制系统主要采用集中计算控制方法，即根据阵列布阵关系和波束指向需求，实时计算出天线各阵元幅度和相位，并完成各单元的幅度衰减和延时控制。但随着阵列规模的不断提升，直接根据波束指向计算各阵元对应的幅度和相位关系，解算过程复杂，且进行延时控制时受限于TTD延时量化精度，造成波束切换时间长、波束精度指向差等问题。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明提供了一种分层计算的二维相控阵波束控制方法及系统，解决现有技术存在的因解算复杂、延时误差大从而造成波束切换时间长、波束精度指向差等问题。

本发明解决上述问题所采用的技术方案是：

一种分层计算的二维相控阵波束控制方法，将二维相控阵按照TR通道层、子阵合成层、路由网络层进行三层划分，通过分层计算的方法进行逐层计算控制，并进行延时优化分配。

作为一种优选的技术方案，包括以下步骤：

a，幅相校正：对进行二维相控阵进行幅相校正，获得阵元的幅度、相位校正值；

b，总相位延时值计算：根据设定波束指向角度完成阵列TR通道层、子阵合成层和路由网络层的相位延时计算，并叠加各层计算延时量，获得总相位延时值；

c，波束控制码转换：按照各层波控芯片步进量和量化精度将总相位延时值重新拆分到各层，并根据各层衰减、延时控制步进量将阵列各层幅度衰减值和拆分的各层相位延时值转换为波束控制码；

d，波束控制码下发：进行波束控制码下发，完成阵列波束指向控制和阵列波束指向的切换。

作为一种优选的技术方案，步骤b中，将阵列分成三层组成结构，依次为TR通道层、子阵合成层、路由网络层，并根据需要设定波束指向的方位角和俯仰角分别完成各层结构的相位延时计算，再累加各层计算延时值获得总的相位延时值。

作为一种优选的技术方案，阵列划分为k个子阵，每个子阵通道个数为M×N/k；其中，k为2的正整数次方的整数，M表示二维相控阵每行的阵元总数，N表示二维相控阵每列的阵元总数。

作为一种优选的技术方案，k＝4，每个子阵通道个数为M×N/4，步骤b包括以下步骤：

b1，加载阵列幅度和相位校正值：阵列各阵元的幅度和相位校正值在TR通道层完成加载，具体根据当前阵列工作频点读取相应的幅相校正值数据文件，幅相校正值为M×N个数值，与阵列阵元通道一一对应，阵列各子阵阵元对应的幅度和相位校正值分别表示为a_k,check(i,j),τ_k,check(i,j)，其中，i表示子阵每行的阵元总数，j表示子阵每列的阵元总数，k＝1～4，i＝1～M/2，j＝1～N/2；

b2，计算子阵合成层相位延时：子阵合成层相位延时包括子阵俯仰维合成和子阵方位维合成相位延时计算，子阵俯仰维合成相位延时值根据波束指向的俯仰角计算获得，子阵方位维延时值根据波束指向的方位角和俯仰角获得，计算公式为：

其中，为波束指向俯仰角，θ为波束指向方位角，d为阵元间距，/>为第k个子阵第i行的俯仰延时计算量，τ_k,θ(j)为第k个子阵第j列的方位延时计算量；

b3，计算路由网络层相位延时：路由网络层完成对子阵合成层输出的4个子阵合成波束进行全阵合成的相位延时计算，具体根据阵列波束指向的方位角和俯仰角获得，计算公式为：

其中，τ₁、τ₂、τ₃、τ₄分别对应阵列左上角、右上角、左下角、右下角的延时计算量；

b4，计算阵列合成总的相位延时：阵列合成总的相位延时按照阵列TR通道层、子阵合成层和路由网络层的三层组成结构关系叠加获得总的相位延时计算量，叠加时按照子阵中阵元对应关系分别计算，具体叠加关系如下：

其中，Total_k(i,j)表示子阵中各阵元的总延时计算量。

作为一种优选的技术方案，步骤c包括以下步骤：

c1，获得各层各通道的幅度衰减值：各层的幅度衰减值由阵列控制需要的增益衰减值确定，其中，对于TR通道层的幅度衰减值还包含阵列各通道的幅度校正值；

c2，优化分配总相位延时值，获得各层各通道的相位延时值：进行总相位延时值重新分配时，按照各层波控芯片的步进量和量化精度进行优化分配，使得各层控制的相位延迟误差降低；

c3，将各层幅度衰减值和相位延时值转换为波束控制码：波束控制码的转换按照波控芯片控制通道的步进量进行幅度衰减值和相位延时值的转换，假设波控芯片控制的k个步进量为n₁,n₂,…,n_k，需要转换的幅度衰减值或相位延时值为y，转换数值与控制步进量关系为y＝a₁*n₁+a₂*n₂+…+a_k*n_k，其中，a₁,a₂,…,a_k为取值0或1的二进制数，将a₁,a₂,…,a_k按照对应的二进制比特位拼成的数值转换为十六进制数作为波束控制码。

作为一种优选的技术方案，步骤c2中，在总延时分配时，优先分配TR通道层，再分配子阵合成层，最后分配路由网络层，通过逐级约束和补偿实现对阵列波束的精细化控制，获得高精度指向的波束方向图。

作为一种优选的技术方案，步骤d中，对TR通道层、子阵合成层和路由网络层各自计算和转换获得的波束控制码进行逐层命令下发，完成对阵列波束指向控制和切换。

一种分层计算的二维相控阵波束控制系统，基于所述的一种分层计算的二维相控阵波束控制方法，包括依次电相连的以下模块：

幅相校正模块：用以，对进行二维相控阵进行幅相校正，获得阵元的幅度、相位校正值；

总相位延时值计算模块：用以，根据设定波束指向角度完成阵列TR通道层、子阵合成层和路由网络层的相位延时计算，并叠加各层计算延时量，获得总相位延时值；

波束控制码转换模块：用以，按照各层波控芯片步进量和量化精度将总相位延时值重新拆分到各层，并根据各层衰减、延时控制步进量将阵列各层幅度衰减值和拆分的各层相位延时值转换为波束控制码；

波束控制码下发模块：用以，进行波束控制码下发，完成阵列波束指向控制和阵列波束指向切换。

本发明相比于现有技术，具有以下有益效果：

(1)本发明针对现有大型阵列集中解算计算复杂、运算时间长的问题，采用分层计算的二维相控阵精细化控制方法，通过分层分级控制，降低计算复杂度，减少运算时间，满足天线波束快速扫描的要求；

(2)本发明采用分层计算获得总相位延时，再按照各层波控芯片步进量和量化精度进行优化重分配的精细化控制方法，能在满足各层控制的同时降低相位延时误差，进而降低波束控制误差，获得高精度指向的控制波束。

附图说明

图1为本发明所述的一种分层计算的二维相控阵波束控制方法的步骤示意图；

图2为本发明实施例中所述的一种分层计算的二维相控阵波束控制方法的流程示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

如图1、图2所示，本发明提出的一种分层计算的二维相控阵波束控制方法，采用分层逐级计算和延时优化分配的方式，按照TR通道层、子阵合成层、路由网络层进行幅度衰减和相位延时精细化控制，提升解算速度，降低幅相控制误差，获得高精度指向的快速切换波束控制。

本发明所述控制方法采用如下技术方案：

一种分层计算的二维相控阵波束控制方法，参照图1、图2，这里假设二维相控阵规模为M×N，其操作步骤：

进行阵列幅相校正，获得幅度、相位校正值；

根据设定波束指向角度完成阵列TR通道层、子阵合成层和路由网络层的相位延时计算，并叠加各层计算延时量，获得总相位延时值；

按照各层波控芯片步进量和量化精度将总相位延时值重新拆分到各层，并根据各层衰减、延时控制步进量将阵列各层幅度衰减值和拆分的各层相位延时值转换为波束控制码；

进行波束控制码下发，完成阵列波束指向控制和切换。

所述的步骤a)，采用远场或近场校正的方式对阵列各阵元的幅度和相位进行校正，通过每次控制单个阵元的通断，按照Z字型或S字型完成对全阵所有阵元的扫描，记录每个阵元接收或发射信号的幅度和相位信息，将校正相位信息转换为相位延时，并进行归一化处理，计算估量出各阵元工作频段对应的幅相误差作为幅相校正值。

所述的步骤b)，将阵列分成三层组成结构，依次为TR通道层、子阵合成层、路由网络层，并根据需要设定波束指向的方位角和俯仰角分别完成各层结构的相位延时计算，再累加各层计算延时值获得总的相位延时值。计算时阵列划分按照4个子阵情况进行说明，子阵通道个数为M×N/4，具体如下：

b1)加载阵列幅度和相位校正值。阵列各阵元的幅度和相位校正值在TR通道层完成加载，具体根据当前阵列工作频点读取相应的幅相校正值数据文件，幅相校正值为M×N个数值，与阵列阵元通道一一对应。阵列各子阵阵元对应的幅度和相位校正值可表示为a_k,check(i,j),τ_k,check(i,j)，其中，k＝1～4，i＝1～M/2，j＝1～N/2。

b2)计算子阵合成层相位延时。子阵合成层相位延时包括子阵俯仰维合成和子阵方位维合成相位延时计算，其中，子阵俯仰维合成相位延时值根据波束指向的俯仰角计算获得，子阵方位维延时值根据波束指向的方位角和俯仰角获得，计算公式为：

其中，为波束指向俯仰角，θ为波束指向方位角，c为光在真空中的传播速度，d为阵元间距，/>为第k个子阵第i行的俯仰延时计算量，τ_k,θ(j)为第k个子阵第j列的方位延时计算量。

b3)计算路由网络层相位延时。路由网络层完成对子阵合成层输出的4个子阵合成波束进行全阵合成的相位延时计算，具体根据阵列波束指向的方位角和俯仰角获得，计算公式为：

其中，τ_k(k＝1～4)分别对应阵列左上角、右上角、左下角、右下角的延时计算量。

b4)计算阵列合成总的相位延时。阵列合成总的相位延时按照阵列TR通道层、子阵合成层和路由网络层的三层组成结构关系叠加获得总的相位延时计算量，叠加时按照子阵中阵元对应关系分别计算，用Total_k(i,j)表示子阵中各阵元的总延时计算量，其中，k＝1～4，i＝1～M/2，j＝1～N/2，具体叠加关系如下：

所述的步骤c)，考虑阵列TR通道层、子阵合成层和路由网络层的延时步进量和量化精度，对计算获得的总相位延时进行全局优化分配，尽可能的降低各层控制的相位延时误差，并将各层的幅度衰减值和相位延时值按照波控芯片的步进量转换为波束控制码。具体如下：

c1)获得各层各通道的幅度衰减值。各层的幅度衰减值由阵列控制需要的增益衰减值确定，其中，对于TR通道层的幅度衰减值还要包含阵列各通道的幅度校正值。

c2)优化分配总相位延时值，获得各层各通道的相位延时值。进行总相位延时值重新分配时，按照各层波控芯片的步进量和量化精度进行优化分配，使得各层控制的相位延迟误差降低，进而降低波束控制误差。由于子阵合成层和路由网络层需要考虑角度变化带来的相位延迟变化，需要分配较大的延迟步进量，相应的延迟量化精度也会恶化，导致波束控制误差增大，因此，应更多的使用小步进高精度的TTD延迟步进量，即在总延时分配时，优先分配TR通道层，再分配子阵合成层，最后分配路由网络层，通过逐级约束和补偿实现对阵列波束的精细化控制，获得高精度指向的波束方向图。

c3)将各层幅度衰减值和相位延时值转换为波束控制码。波束控制码的转换按照波控芯片控制通道的步进量进行幅度衰减值和相位延时值的转换，假设波控芯片控制的k个步进量为n₁,n₂,…,n_k，需要转换的幅度衰减值或相位延时值为y，转换数值与控制步进量关系为y＝a₁*n₁+a₂*n₂+…+a_k*n_k，其中a₁,a₂,…,a_k为取值0或1的二进制数，将其按照对应的二进制比特位拼成的数值转换为十六进制数作为波束控制码。

所述的步骤d)，对TR通道层、子阵合成层和路由网络层各自计算和转换获得的波束控制码进行逐层命令下发，完成对阵列波束指向控制和切换。

本发明的目的在于克服现有方法因解算复杂、延时误差大，造成波束切换时间长、波束精度指向差的问题，提出一种分层计算的二维相控阵波束控制方法。相较于现有集中计算的方法，将二维相控阵按照TR通道、子阵合成、路由网络进行三层划分，通过分层快速计算的方法进行逐层精细化计算控制，并按照TTD延时量化精度进行延时优化分配，对大延时计算剩余量进行逐层补偿，从而提升解算速度、降低延时误差，获得快速扫描的高精度指向波束。

本发明解决了现有方法集中计算解算复杂度高，影响波束切换速度的问题；

本发明通过全局优化分配补偿TTD延时，解决了因延时量化误差导致的波束指向精度不高的问题。

本发明针对现有大型阵列集中解算计算复杂、运算时间长的问题，采用分层计算的二维相控阵精细化控制方法，通过分层分级控制，降低计算复杂度，减少运算时间，满足天线波束快速扫描的要求。

本发明采用分层计算获得总相位延时，再按照各层波控芯片步进量和量化精度进行优化重分配的精细化控制方法，能在满足各层控制的同时降低相位延时误差，进而降低波束控制误差，获得高精度指向的控制波束。

如上所述，可较好地实现本发明。

本说明书中所有实施例公开的所有特征，或隐含公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合和/或扩展、替换。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，依据本发明的技术实质，在本发明的精神和原则之内，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种分层计算的二维相控阵波束控制方法，其特征在于，将二维相控阵按照TR通道层、子阵合成层、路由网络层进行三层划分，通过分层计算的方法进行逐层计算控制，并进行延时优化分配；

包括以下步骤：

a，幅相校正：对进行二维相控阵进行幅相校正，获得阵元的幅度、相位校正值；

b，总相位延时值计算：根据设定波束指向角度完成阵列TR通道层、子阵合成层和路由网络层的相位延时计算，并叠加各层计算延时量，获得总相位延时值；

c，波束控制码转换：按照各层波控芯片步进量和量化精度将总相位延时值重新拆分到各层，并根据各层衰减、延时控制步进量将阵列各层幅度衰减值和拆分的各层相位延时值转换为波束控制码；

d，波束控制码下发：进行波束控制码下发，完成阵列波束指向控制和阵列波束指向的切换。

2.根据权利要求1所述的一种分层计算的二维相控阵波束控制方法，其特征在于，步骤b中，将阵列分成三层组成结构，依次为TR通道层、子阵合成层、路由网络层，并根据需要设定波束指向的方位角和俯仰角分别完成各层结构的相位延时计算，再累加各层计算延时值获得总的相位延时值。

3.根据权利要求2所述的一种分层计算的二维相控阵波束控制方法，其特征在于，阵列划分为k个子阵，每个子阵通道个数为；其中，k为2的正整数次方的整数，M表示二维相控阵每行的阵元总数，N表示二维相控阵每列的阵元总数。

4.根据权利要求3所述的一种分层计算的二维相控阵波束控制方法，其特征在于，k=4，每个子阵通道个数为，步骤b包括以下步骤：

b1，加载阵列幅度和相位校正值：阵列各阵元的幅度和相位校正值在TR通道层完成加载，具体根据当前阵列工作频点读取相应的幅相校正值数据文件，幅相校正值为个数值，与阵列阵元通道一一对应，阵列各子阵阵元对应的幅度和相位校正值分别表示为，其中，i表示子阵每行的阵元总数，j表示子阵每列的阵元总数，/>，/>，/>；

b2，计算子阵合成层相位延时：子阵合成层相位延时包括子阵俯仰维合成和子阵方位维合成相位延时计算，子阵俯仰维合成相位延时值根据波束指向的俯仰角计算获得，子阵方位维延时值根据波束指向的方位角和俯仰角获得，计算公式为：

，

其中，为波束指向俯仰角，/>为波束指向方位角，c为光在真空中的传播速度，/>为阵元间距，/>为第/>个子阵第/>行的俯仰延时计算量，/>为第/>个子阵第/>列的方位延时计算量；

b3，计算路由网络层相位延时：路由网络层完成对子阵合成层输出的4个子阵合成波束进行全阵合成的相位延时计算，具体根据阵列波束指向的方位角和俯仰角获得，计算公式为：

，

其中，、/>、/>、/>分别对应阵列左上角、右上角、左下角、右下角的延时计算量；

b4，计算阵列合成总的相位延时：阵列合成总的相位延时按照阵列TR通道层、子阵合成层和路由网络层的三层组成结构关系叠加获得总的相位延时计算量，叠加时按照子阵中阵元对应关系分别计算，具体叠加关系如下：

，

其中，表示子阵中各阵元的总延时计算量。

5.根据权利要求4所述的一种分层计算的二维相控阵波束控制方法，其特征在于，步骤c包括以下步骤：

c1，获得各层各通道的幅度衰减值：各层的幅度衰减值由阵列控制需要的增益衰减值确定，其中，对于TR通道层的幅度衰减值还包含阵列各通道的幅度校正值；

c2，优化分配总相位延时值，获得各层各通道的相位延时值：进行总相位延时值重新分配时，按照各层波控芯片的步进量和量化精度进行优化分配，使得各层控制的相位延迟误差降低；

c3，将各层幅度衰减值和相位延时值转换为波束控制码：波束控制码的转换按照波控芯片控制通道的步进量进行幅度衰减值和相位延时值的转换，假设波控芯片控制的个步进量为/>，需要转换的幅度衰减值或相位延时值为/>，转换数值与控制步进量关系为/>，其中，/>为取值0或1的二进制数，将/>按照对应的二进制比特位拼成的数值转换为十六进制数作为波束控制码。

6.根据权利要求5所述的一种分层计算的二维相控阵波束控制方法，其特征在于，步骤c2中，在总延时分配时，优先分配TR通道层，再分配子阵合成层，最后分配路由网络层，通过逐级约束和补偿实现对阵列波束的精细化控制，获得高精度指向的波束方向图。

7.根据权利要求1至6任一项所述的一种分层计算的二维相控阵波束控制方法，其特征在于，步骤d中，对TR通道层、子阵合成层和路由网络层各自计算和转换获得的波束控制码进行逐层命令下发，完成对阵列波束指向控制和切换。

8.一种分层计算的二维相控阵波束控制系统，其特征在于，基于权利要求1至7任一项所述的一种分层计算的二维相控阵波束控制方法，包括依次电相连的以下模块：

幅相校正模块：用以，对进行二维相控阵进行幅相校正，获得阵元的幅度、相位校正值；

总相位延时值计算模块：用以，根据设定波束指向角度完成阵列TR通道层、子阵合成层和路由网络层的相位延时计算，并叠加各层计算延时量，获得总相位延时值；

波束控制码转换模块：用以，按照各层波控芯片步进量和量化精度将总相位延时值重新拆分到各层，并根据各层衰减、延时控制步进量将阵列各层幅度衰减值和拆分的各层相位延时值转换为波束控制码；

波束控制码下发模块：用以，进行波束控制码下发，完成阵列波束指向控制和阵列波束指向切换。