CN116505994A - 一种多波束形成方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明请求保护一种多波束形成方法和装置，通过获取宽带形式的采样信号数据输入分析滤波器组中，得到多个窄带数据格式的子带信号数据；输入第一级波束形成器件，得到子带信号数据对应的窄带波束，进一步输入第二级波束形成器件，得到窄带波束对应的宽带波束，之后输入合成滤波器组，得到合成宽带波束。该方案中采取宽带拆分、多级波束形成和合并滤波的方式进行多波束形成，对数字中频采样信号进行滤波，实现了空间干扰的抑制处理，提升了切分系统的通信质量。该方案将整个宽带多波束形成功能按多属性分解成若干个处理部分指派结点，保证划分后的每个部分内的计算量均能被单个器件承载，并且部分间通信量不超过器件的IO吞吐能力。

Description

一种多波束形成方法和装置

技术领域

本发明属于波束形成领域，更具体地，涉及一种多波束形成方法和装置。

背景技术

卫星切分中电磁环境复杂，存在模式繁多和统计特征时变的人为干扰，尤其是高功率密度的窄带和宽带干扰已经成为破坏切分系统最主要的因素之一。迄今为止，自适应波束形成技术是提高卫星切分接收机抗干扰能力的主要方法，它在抑制空间干扰时，通过权矢量的更新在干扰的到达方向上形成零陷，以对消掉空间干扰。但M个阵元理论上可以形成M-1个零陷，当干扰数目大于M-1时，即超出了阵列自由度，干扰的抑制能力会严重恶化。

在阵列处理功能中，通过补偿远场平面波到达各个接收单元的时间差实现波束形成。对宽带信号，用于时间差补偿的高速群延迟滤波器资源开销较大，难以应用于实际系统，通常采用移相（复数乘法器）替代延时。

发明内容

为了解决当前切分信号的形成准确率低的问题，本发明请求保护一种多波束形成方法和装置。

根据本发明第一方面，本发明请求保护一种多波束形成方法，包括信号拆分步骤、第一级波束形成步骤、第二级波束形成步骤、合并滤波步骤；

所述信号拆分步骤包括以下子步骤：

输入采样信号数据，所述采样信号数据为宽带数据；

将所述采样信号数据数据输入分析滤波器组中，得到多个子带信号数据，所述子带信号数据为窄带数据；

所述第一级波束形成步骤包括如下子步骤：

将所述子带信号数据输入第一级波束形成器件，得到所述子带信号数据对应的窄带波束；

所述第二级波束形成步骤包括如下子步骤：

将所述窄带波束输入第二级波束形成器件，得到所述窄带波束对应的宽带波束；

所述合并滤波步骤包括如下子步骤：

将所述宽带波束输入合成滤波器组，得到合成宽带波束。

优选的，所述信号拆分步骤中：

采用所述子带信号数据的中心频率表示所述窄带数据。

优选的，所述信号拆分步骤和合并滤波步骤中：

所述分析滤波器组为由多个分析滤波器组成；

所述合成滤波器组为由多个合成滤波器组成。

优选的，所述分析滤波器工作时，采用离散傅里叶变换和离散傅里叶逆变换获得所述宽带数据的变换序列；

通过快速傅里叶变换和快速傅里叶逆变换获得子带信号数据的变换点。

优选的，所述第一级波束形成步骤和第二级波束形成步骤中：

依据所述采样信号数据的预设属性信息，将所述子带信号数据指派至对应的第一级波束形成器件或第二级波束形成器件完成。

根据本发明第二方面，本发明请求保护一种多波束形成装置，包括：多个接收单元、第一级波束形成器件、第二级波束形成器件、分析滤波器组、合成滤波器组；

所述接收单元接收采样信号数据，所述采样信号数据为宽带数据，所述接收单元将所述采样信号数据发送至所述分析滤波器组；

所述分析滤波器组接收所述采样信号数据，处理后得到多个子带信号数据，所述子带信号数据为窄带数据，所述分析滤波器组将多个子带信号数据发送至所述第一级波束形成器件；

所述第一级波束形成器件接收所述子带信号数据，处理得到所述子带信号数据对应的窄带波束，所述第一级波束形成器件将所述子带信号数据对应的窄带波束发送至所述第二级波束形成器件；

所述第二级波束形成器件接收所述窄带波束输入，处理得到所述窄带波束对应的宽带波束，所述第二级波束形成器件将所述窄带波束对应的宽带波束发送至合成滤波器组；

所述合成滤波器组接收所述宽带波束输入，处理后得到合成宽带波束。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明请求保护一种多波束形成方法和装置，通过获取宽带形式的采样信号数据输入分析滤波器组中，得到多个窄带数据格式的子带信号数据；输入第一级波束形成器件，得到子带信号数据对应的窄带波束，进一步输入第二级波束形成器件，得到窄带波束对应的宽带波束，之后输入合成滤波器组，得到合成宽带波束。该方案中采取宽带拆分、多级波束形成和合并滤波的方式进行多波束形成，对数字中频采样信号进行滤波，实现了空间干扰的抑制处理，提升了切分系统的通信质量。该方案将整个宽带多波束形成功能按多属性分解成若干个处理部分指派结点，保证划分后的每个部分内的计算量均能被单个器件承载，并且部分间通信量不超过器件的IO吞吐能力。

附图说明

图1为本发明所涉及的一种多波束形成方法的工作流程图；

图2为本发明所涉及的一种多波束形成装置的结构模块图；

图3为本发明所涉及的一种多波束形成装置的第一工作流程图；

图4为本发明所涉及的一种多波束形成装置的第二工作流程图。

具体实施方式

根据本发明第一实施例，本发明请求保护一种多波束形成方法，参照图1，包括信号拆分步骤、第一级波束形成步骤、第二级波束形成步骤、合并滤波步骤；

所述信号拆分步骤包括以下子步骤：

输入采样信号数据，所述采样信号数据为宽带数据；

将所述采样信号数据数据输入分析滤波器组中，得到多个子带信号数据，所述子带信号数据为窄带数据；

所述第一级波束形成步骤包括如下子步骤：

将所述子带信号数据输入第一级波束形成器件，得到所述子带信号数据对应的窄带波束；

所述第二级波束形成步骤包括如下子步骤：

将所述窄带波束输入第二级波束形成器件，得到所述窄带波束对应的宽带波束；

所述合并滤波步骤包括如下子步骤：

将所述宽带波束输入合成滤波器组，得到合成宽带波束。

由于在阵列处理功能中，一般通过补偿远场平面波到达各个接收单元的时间差实现波束的形成，但是对宽带信号，用于时间差补偿的高速群延迟滤波器资源开销较大，难以应用于实际系统，通常采用移相，即复数乘法器来替代延时。

相位量依赖于频率，因此，在宽带处理中，需要先将整个宽带划分成若干个子带，以子带的中心频率代表整个窄带，在对各个子带分别处理后，再进行合并，重新形成宽带。使用分析滤波器组实现划分功能，使用合成滤波器组实现合并功能。

为了最小化滤波器组引入的失真，滤波器组的设计需要遵循近似完美重构原则，即直接短接分析滤波器组和合成滤波器组形成的环节的响应应该近似纯粹的延时。优选的，所述信号拆分步骤中：

采用所述子带信号数据的中心频率表示所述窄带数据。

优选的，所述信号拆分步骤和合并滤波步骤中：

所述分析滤波器组为由多个分析滤波器组成；

所述合成滤波器组为由多个合成滤波器组成。

根据和/>的对偶关系，每个子带仅计算待变换序列中的一个点，经过一个FFT/IFFT网络即可获取所有的变换点。

优选的，所述分析滤波器工作时，采用离散傅里叶变换和离散傅里叶逆变换获得所述宽带数据的变换序列；

通过快速傅里叶变换和快速傅里叶逆变换获得子带信号数据的变换点。

优选的，所述第一级波束形成步骤和第二级波束形成步骤中：

依据所述采样信号数据的预设属性信息，将所述子带信号数据指派至对应的第一级波束形成器件或第二级波束形成器件完成。

在实际系统中，由于宽带多波束形成功能的计算量往往超出单个器件的容纳能力，从而对应多器件多板卡、多结点解决方案，需要将整个宽带多波束形成功能按波束维度、接收单元维度、频率维度分解成若干个处理部分，指派到各个结点。

波束形成时涉及两级波束形成、合成滤波器组的频率会聚，因此，结点之间存在波束形成的部分结果、已合成子带这些中间数据交叉。

在确定最佳指派，即最小总器件量时，既需要考虑器件的内部资源容量，又需要考虑器件的外部接口容量。

指派问题的实质是将数据和处理在接收单元、子带、波束三个维度上划分，划分后的每个部分内的计算量均能被单个器件承载，并且部分间的通信量不超过器件的IO吞吐能力，在这种约束下，划分越少越好。

该发明所请求保护的多波束形成方法，包括：

标注接收单元模块；

采用序列标注方式给所述接收单元中每个子带的每个波束标注上波长标记符，得到候选子带优化集；

利用所述候选子带优化集对预设的波量级别预设属性信息抽取模型进行优化；

将待抽取候选子带输入优化后的波量级别预设属性信息抽取模型中，从所述待抽取候选子带中抽取按波长标记符分类的波束预设属性信息；

按照预设多波束制作规则，根据每类波束预设属性信息形成多波束。

按照预设多波束制作规则，根据每类波束预设属性信息形成多波束包括：

给每类波束预设属性信息切分后，用预先优化好的模型进行向量编码；

对向量编码结果进行聚类；

基于聚类结果计算每个类别波束预设属性信息的信息熵，使用信息熵最大的波束预设属性信息作为该类预设属性信息的代表波束预设属性信息；

计算每类代表波束预设属性信息在所有波束预设属性信息中的占比，并基于占比和预设模板形成多波束。

按照预设多波束制作规则，根据每类波束预设属性信息形成多波束包括：

计算每类波束预设属性信息在所有波束预设属性信息中的占比，并基于占比和预设模板形成多波束。

标注接收单元模块包括：

使用抓取工具爬取网络上各个时间的候选子带，得到接收单元。

利用所述候选子带优化集对预设的波量级别预设属性信息抽取模型进行优化包括：

通过动态优化方法，利用所述候选子带优化集对预设的波量级别预设属性信息抽取模型进行优化；其中，优化中以波峰为单位。

利用所述候选子带优化集对预设的波量级别预设属性信息抽取模型进行优化包括：

将所述候选子带优化集中的第一优化样本逐个输入波量级别预设属性信息抽取模型进行优化；

通过波量级别预设属性信息抽取模型，基于预设的识别频率用波识别出所述第一优化样本中第一波束的第一波长标记符。

所述识别频率用波的构造包括：

通过使用分号拼接每个波束所属的条款名称和波束名称，或使用每个波束的波束名称以构造得到识别频率用波。

根据本发明另一实施例，多波束形成方法，包括：

通过多个采样信号源获取历史用波；

通过辐射波大数据平台对所述历史用波进行数据处理，形成常用波束信息；将所述常用波束信息输入历史用波模型中，确定历史用波及其对应的权重；以及根据所述历史用波及其对应的权重形成多波束；

通过历史常用波束信息与多卷积神经网络算法形成所述历史用波模型。

所述通过历史常用波束信息与多卷积神经网络算法形成所述历史用波模型包括：

通过多个采样信号源获取历史常用波束信息；

为每一个历史常用波束信息均指定其对应的用波，形成用波数据；

将历史常用波束信息与用波数据作为优化数据输入多卷积神经网络算法中，形成所述历史用波模型。

上述通过多个采样信号源获取历史用波包括：

通过历史浏览日志获取所述历史用波；和/或

爬取预定滤波器数据获取所述历史用波。

所述辐射波大数据平台包括Spark存储平台，Access数据库，以及数据转移工具；

通过辐射波大数据平台对所述历史用波进行数据处理，形成常用波束信息还包括：

通过数据转移工具将所述历史用波进行数据转移；

通过Access数据库对转移后的所述历史用波进行数据清洗形成所述常用波束信息；以及

通过Spark存储平台存储所述常用波束信息。

所述将所述常用波束信息输入历史用波模型中，确定历史用波及其对应的权重包括：

将所述常用波束信息输入所述历史用波模型中；

通过历史用波模型中多个卷积层提取所述常用波束信息中的特征数据；以及

通过历史用波模型中的输出层为特征数据确定用波与权重。

上述根据所述历史用波及其对应的权重形成多波束包括：

将历史用波按照其对应的权重进行排序；

根据排序结果依次选取预定个历史用波以形成所述多波束。

根据本发明另一实施例，一种多波束生成方法，包括以下步骤：

每一通道滤波器信号产生一路切分波形数据，切分波形中包含时间信息、发射天线位置信息；

生成N个滤波器的编解码，每个编解码对应一个波束的滤波器信号，N个编解码不同；

切分波形对应的数据码与C/A码异或相加生成N个并行同步、互不干扰的扩频码；

N个波束的滤波器共用一个中频载波产生模块，对同相(I)支路的Gold码信号和正交(Q)支路的P码信号分别进行调制，生成相互正交的两路中频载波，信号的频率相同，相位相差90°；

N个滤波器信号的调制信号模块并行运行，首先数据码与伪码进行异或相加运算调制成组合码，之后组合码与载波通过调制方式调制成最终的滤波器信号；

在每个滤波器通道的原信号上外加独立工作的开关，分别控制每一路滤波器信号的脉冲时隙时间；

每个滤波器通道对应1个DA转换器和1个上变频通道，产生N个滤波器射频信号；

由N个通道组成的多波束滤波器信号发射装置连接N个射频发射天线，将N个射频发射天线分别布设在滤波器定位场景的不同位置，每个天线可发射1颗滤波器射频信号，N个发射天线构成多波束滤波器定位系统。

其中，N个滤波器的时隙时间独立设置并设为互补关系。

其中，在基带信号和本地震荡时钟信号都生成完之后，使用上变频原理对这两个信号进行乘法运算，并使用滤波器消除不需要的干扰信号，得到需要的信号。

根据本发明第二方面，参照图2，本发明请求保护一种多波束形成装置，包括：多个接收单元、第一级波束形成器件、第二级波束形成器件、分析滤波器组、合成滤波器组；

所述接收单元接收采样信号数据，所述采样信号数据为宽带数据，所述接收单元将所述采样信号数据发送至所述分析滤波器组；

所述分析滤波器组接收所述采样信号数据，处理后得到多个子带信号数据，所述子带信号数据为窄带数据，所述分析滤波器组将多个子带信号数据发送至所述第一级波束形成器件；

所述第一级波束形成器件接收所述子带信号数据，处理得到所述子带信号数据对应的窄带波束，所述第一级波束形成器件将所述子带信号数据对应的窄带波束发送至所述第二级波束形成器件；

所述第二级波束形成器件接收所述窄带波束输入，处理得到所述窄带波束对应的宽带波束，所述第二级波束形成器件将所述窄带波束对应的宽带波束发送至合成滤波器组；

所述合成滤波器组接收所述宽带波束输入，处理后得到合成宽带波束。

在本该实施例中，参照图3，示出一个波束的形成示意图，该图中对24个接收单元做宽带波束形成的数据流示意图。24个相干接收通道的采样信号数据分别经过分析滤波器组、波束形成、合成滤波器组得到合成后的信号数据。

同时，参照图4，对应24个接收单元8个波束在4个器件上的指派关系示意图。FPGA-I.a输入前12个接收单元的采样信号数据，先经过12个分析滤波器组，得到12*28个子带信号数据，再经过第一级波束形成，输出28个子带对应的8个窄带波束的部分结果；类似地，FPGA-I.b对应后12个接收单元。FPGA-II.a输入分别来自FPGA-I.a和FPGA-I.b的28个子带的前4个窄带波束的部分结果，经过第二级波束形成，和4个合成滤波器组，输出前4个宽带波束，类似地，FPGA-II.b对应后4个波束。需要注意的是，尽管FPGA-II的内部处理量较小，受制于Transceiver容量，依然需要2个器件。

本领域技术人员能够理解，本公开所披露的内容可以出现多种变型和改进。例如，以上所描述的各种设备或组件可以通过硬件实现，也可以通过软件、固件、或者三者中的一些或全部的组合实现。

本公开中使用了流程图用来说明根据本公开的实施例的方法的步骤。应当理解的是，前面或后面的步骤不一定按照顺序来精确的进行。相反，可以按照倒序或同时处理各种步骤。同时，也可以将其他操作添加到这些过程中。

本领域普通技术人员可以理解上述方法中的全部或部分的步骤可通过计算机程序来指令相关硬件完成，程序可以存储于计算机可读存储介质中，如只读存储器、磁盘或光盘等。可选地，上述实施例的全部或部分步骤也可以使用一个或多个集成电路来实现。相应地，上述实施例中的各模块/单元可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。本公开并不限制于任何特定形式的硬件和软件的结合。

除非另有定义，这里使用的所有术语具有与本公开所属领域的普通技术人员共同理解的相同含义。还应当理解，诸如在通常字典里定义的那些术语应当被解释为具有与它们在相关技术的上下文中的含义相一致的含义，而不应用理想化或极度形式化的意义来解释，除非这里明确地这样定义。

以上是对本公开的说明，而不应被认为是对其的限制。尽管描述了本公开的若干示例性实施例，但本领域技术人员将容易地理解，在不背离本公开的新颖教学和优点的前提下可以对示例性实施例进行许多修改。因此，所有这些修改都意图包含在权利要求书所限定的本公开范围内。应当理解，上面是对本公开的说明，而不应被认为是限于所公开的特定实施例，并且对所公开的实施例以及其他实施例的修改意图包含在所附权利要求书的范围内。本公开由权利要求书及其等效物限定。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.一种多波束形成方法，其特征在于，包括信号拆分步骤、第一级波束形成步骤、第二级波束形成步骤、合并滤波步骤；

所述信号拆分步骤包括以下子步骤：

输入采样信号数据，所述采样信号数据为宽带数据；

将所述采样信号数据数据输入分析滤波器组中，得到多个子带信号数据，所述子带信号数据为窄带数据；

所述第一级波束形成步骤包括如下子步骤：

将所述子带信号数据输入第一级波束形成器件，得到所述子带信号数据对应的窄带波束；

所述第二级波束形成步骤包括如下子步骤：

将所述窄带波束输入第二级波束形成器件，得到所述窄带波束对应的宽带波束；

所述合并滤波步骤包括如下子步骤：

将所述宽带波束输入合成滤波器组，得到合成宽带波束。

2.如权利要求1所述的一种多波束形成方法，其特征在于，所述信号拆分步骤中：

采用所述子带信号数据的中心频率表示所述窄带数据。

3.如权利要求1所述的一种多波束形成方法，其特征在于，所述信号拆分步骤和合并滤波步骤中：

所述分析滤波器组为由多个分析滤波器组成；

所述合成滤波器组为由多个合成滤波器组成。

4.如权利要求3所述的一种多波束形成方法，其特征在于，所述分析滤波器工作时，采用离散傅里叶变换和离散傅里叶逆变换获得所述宽带数据的变换序列；

通过快速傅里叶变换和快速傅里叶逆变换获得子带信号数据的变换点。

5.如权利要求1所述的一种多波束形成方法，其特征在于，所述第一级波束形成步骤和第二级波束形成步骤中：

依据所述采样信号数据的预设属性信息，将所述子带信号数据指派至对应的第一级波束形成器件或第二级波束形成器件完成。

6.一种多波束形成装置，其特征在于，包括：多个接收单元、第一级波束形成器件、第二级波束形成器件、分析滤波器组、合成滤波器组；

所述接收单元接收采样信号数据，所述采样信号数据为宽带数据，所述接收单元将所述采样信号数据发送至所述分析滤波器组；

所述分析滤波器组接收所述采样信号数据，处理后得到多个子带信号数据，所述子带信号数据为窄带数据，所述分析滤波器组将多个子带信号数据发送至所述第一级波束形成器件；

所述第一级波束形成器件接收所述子带信号数据，处理得到所述子带信号数据对应的窄带波束，所述第一级波束形成器件将所述子带信号数据对应的窄带波束发送至所述第二级波束形成器件；

所述第二级波束形成器件接收所述窄带波束输入，处理得到所述窄带波束对应的宽带波束，所述第二级波束形成器件将所述窄带波束对应的宽带波束发送至合成滤波器组；

所述合成滤波器组接收所述宽带波束输入，处理后得到合成宽带波束。