CN118068277A - 基于时间调制的频分共用射频单通道天线阵元信息重构方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于时间调制的频分共用射频单通道天线阵元信息重构方法，该方法包括：根据优化的时间调制控制参数，设计具有潜在幅度加权的多阶梯复调制信号；为时间调制器配置具有特定频率间隔的调制频率，以满足共用射频单通道所需的频分特性；建立频分幅度加权条件下的单边带时间调制阵列接收信号模型，并获得在单射频通道中混频下变的分频中频信号模型；经过单个模数转换器的一次数据采样，在数字域中通过正交数字下变频重构天线阵元信息。本发明利用时间调制阵列频分幅度加权的调制方式，能有效减小相邻信道间的干扰，通过单个射频通道实时重构天线阵元信息，能避免额外的运动补偿处理，显著降低天线阵元信息重构方法的复杂度。

Description

基于时间调制的频分共用射频单通道天线阵元信息重构方法

技术领域

本发明属于雷达通信技术领域，特别是一种基于时间调制的频分共用射频单通道天线阵元信息重构方法。

背景技术

传统的天线阵元信息重构方法在硬件上需要为每个阵元或子阵列提供单独的射频通道和模数转换器，而过多的射频通道和模数转换器会增加硬件成本和功耗，并且使得信号处理过程的难度增加。这些因素严重限制了大规模天线阵列技术的发展。为缓解传统方法带来的系统复杂性问题，三种典型架构的解决方法被提出：时分复用架构方法、码分复用架构方法和频分复用架构方法。但是这些多路复用架构方法仍然存在实际挑战，特别是需要在射频链中使用大量调制器件和高功率的本地振荡器信号。而基于时间调制的频分共用射频单通道天线阵元信息重构方法充分利用时间调制天线具有的频分特性，通过单个射频通道有效地重构天线阵元信息。

Gang Ni和Chong He等人发表的论文“Low Sideband Radiation Beam Scanningat Carrier Frequency for Time-Modulated Array by Non-Uniform PeriodModulation”(IEEE Transactions onAntennas and Propagation,vol.68,no.5,pp.3695-3704,2020.)提出了一种利用非周期时间调制天线阵列实现载波频率上的低边带辐射波束扫描方法。该方法在不等周期的时间调制天线阵列中引入多个延迟线，有效解决了馈电网络的高效率、载频波束扫描能力以及边带电抑制之间相互制约的关系。该方法存在的不足之处是：在每个天线阵元后都需要引入开关切换的多个延迟线，这使得在频率较低的应用中难以实施，并且多个延迟线切换导致的控制和匹配等问题都会影响该方法的性能。

西安电子科技大学在其申请的专利文献“基于单通道非均匀时间调制阵列的波达方向估计方法”(申请号202210973042.8申请公布号CN 115327484A)中公开了一种非均匀时间调制阵列的波达方向估计方法。该方法使用三个非均匀间距的天线阵列以及非均匀周期调制的1-bit移相器时间调制单元，实现低成本的波达方向估计。该系统存在的不足之处是：仅采用1-bit移相器无法对时间调制阵列产生的谐波进行有效抑制，在阵元数量较多的实际应用中，大量的残留谐波会对波达方向估计性能造成严重影响，并且需要采用Hadamard乘积运算，因此该方法不具备实时性。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术存在的不足，提供一种通过低复杂度的单个射频通道实时重构天线阵元信息，并且有效降低单通道中相邻信道间干扰的天线阵元信息重构方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于时间调制的频分共用射频单通道天线阵元信息重构方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1，根据优化的时间调制控制参数，设计具有潜在幅度加权的多阶梯复调制信号；

步骤2，为时间调制器配置具有特定频率间隔的调制频率，以满足共用射频单通道所需的频分特性；

步骤3，建立频分幅度加权条件下的单边带时间调制阵列接收信号模型，并获得在单射频通道中混频下变的频分中频信号模型；

步骤4，经过单个模数转换器的一次数据采样，在数字域中通过正交数字下变频重构天线阵元信息。

进一步地，步骤1所述根据优化的时间调制控制参数，设计具有潜在幅度加权的多阶梯复调制信号，具体过程包括：

步骤1-1，将多阶复调制信号通过数学方法拟合为正弦波形，确定拟合结果的纵向精度，即复调制信号中阶梯的数量S；

步骤1-2，定义第m个天线阵元链路中相应的第s级阶梯的幅度值b_s,m和持续时间τ_s,m为优化参数，代入以非工作边带水平最小化为目标的成本函数进行优化；

步骤1-3，多阶梯复调制信号采用正交调制方式，因此第m个时间调制器的多阶复调制信号V_m(t)表示为：

式中，为t时刻第m个时间调制器的多阶复调制信号的同相分量，/>为第m个时间调制器的多阶复调制信号的正交分量，T_pm为多阶复调制信号的调制周期；

因此第m个时间调制器的多阶复调制信号在任意时刻都由一对调制周期为T_pm，时延T_pm/4的调制分量组合而成。

进一步地，步骤2所述为时间调制器配置具有特定频率间隔的调制频率，以满足共用射频单通道所需的频分特性，具体过程包括：

步骤2-1，所述多阶复调制信号满足Dirichlet条件，则能对其做傅里叶变换，得到傅里叶级数的表达式为：

式中，f_pm＝1/T_pm为第m个天线阵元链路中时间调制器的调制频率，A_m,q为第m个天线阵元对应的第q次谐波的傅里叶系数，表示为：

式中，为第m个时间调制器的多阶复调制信号同相分量在其调制周期中的起始时刻，b_s-1,m为第m个天线阵元链路中相应的第s-1级阶梯的幅度值，τ_1,m第m个天线阵元链路中相应的第1级阶梯的持续时间；

步骤2-2，根据设计需求的不同，对相邻天线阵元链路中时间调制器的调制频率间隔Δf进行相应的配置；当Δf≠0时，表示各时间调制器配置的调制频率f_pm不相同，即调制周期T_pm不相同。

进一步地，步骤2-1中只有当谐波次数满足条件时，A_m,q≠0；其中第m个时间调制器的第1次谐波对应的A_m,1的幅度最大；其余不满足条件的谐波次数对应的傅里叶系数受到抑制为零。

进一步地，步骤3所述建立频分幅度加权条件下的单边带时间调制阵列接收信号模型，并获得在单射频通道中混频下变的频分中频信号模型，具体过程包括：

频分幅度加权条件下的单边带时间调制天线阵列接收的信号y(t)在射频单通道中表示为：

式中，x_m(t)为第m个天线阵元接收到的载波频率为f₀的K个远场不相关窄带信号，表示为：

其中，s_k(t)表示从第k个角度θ_k入射的信号复包络，β为自由空间中的波数，d表示相邻天线阵元之间的距离，N(t)是方差为σ²的零均值高斯白噪声，K表示不同入射角度的个数；

则在单射频通道中，频分幅度加权的单边带时间调制天线阵列接收的信号与本振混频下变，得到的频分中频信号y_IF(t)表示为：

式中，x_bm(t)为第m个天线阵元的信息，f_IF为混频下变后频分中频信号的中心频率。

进一步地，步骤4所述经过单个模数转换器的一次数据采样，在数字域中通过正交数字下变频重构天线阵元信息，具体过程包括：

步骤4-1，通过单个模数转换器对频分中频信号进行一次数据采样，得到数字域频分中频信号y_IF[n]表示为：

式中，n表示数字域中采样点的序号，T_s为模数转换器的采样周期，x_bm[n]为数字域中第m个天线阵元的信息；

设基带信号带宽为B，M个天线阵元链路中的时间调制器调制频率递增，为避免采样过程中发生信号的混叠现象，采样周期需要满足带通采样定理：

其中，G＝1,2,…,G_max,f_pM为M个天线阵元链路中时间调制器的最高调制频率；

步骤4-2，对数字域中频分中频信号的实部进行正交数字下变频处理，得到第m个天线阵元对应的时间调制基带信号的实部，表示为：

式中，表示取实部，*表示卷积运算，h _LP[n]为数字域低通滤波器的响应函数，为第m个天线阵元对应的第1次谐波的傅里叶系数的实部，/>为第m个天线阵元信息的实部；其中包含时间调制基带信号实部的即q＝1项可以被解调，而其余项被滤除；

同理，时间调制基带信号的虚部也能通过上述方法取虚部得到；

由此，时间调制复数基带信号表示为：

式中，为第m个天线阵元对应的时间调制基带信号的虚部，第m个天线阵元对应的第1次谐波的傅里叶系数/>

步骤4-3，对第m个天线阵元的信息进行重构，表示为x_bm[n]：

由此，天线阵元信息重构矩阵X[n]表示为：

式中，x_b1[n]、x_b2[n]、...、x_bM[n]分别表示从频分单通道中重构的第1个、第2个、...、第M个天线的阵元信息，A_1,1、A_2,1、...、A_M,1分别表示第1个、第2个、...、第M个天线阵元对应的第1次谐波的傅里叶系数，y_1,1[n]、y_2,1[n]、...、y_M,1[n]分别表示第1个、第2个、...、第M个天线阵元对应的时间调制基带信号；b_s,1、b_s,2、...、b_s,M分别表示第1个、第2个、...、第M个天线阵元链路中相应的第s级阶梯的幅度值，b_s-1,1、b_s-1,2、...、b_s-1,M分别表示第1个、第2个、...、第M个天线阵元链路中相应的第s-1级阶梯的幅度值，τ_s,1、τ_s,2、...、τ_s,M分别表示第1个、第2个、...、第M个天线阵元链路中相应的第s级阶梯的持续时间，τ_1,1、τ_1,2、...、τ_1,M分别表示第1个、第2个、...、第M个天线阵元链路中相应的第1级阶梯的持续时间，T_p1、T_p2、...、T_pM分别表示第1个、第2个、...、第M个时间调制器的多阶复调制信号的调制周期。

本发明与现有技术相比，其显著优点：

1)利用时间调制天线具有的频分特性，仅改变时间调制频率，就能将每个天线阵元信息调制到不同的频率，显著降低天线阵元信息调制方法的复杂度。

2)采用频分幅度加权的调制方式，抑制时间调制阵列存在的谐波干扰，因此有效减小相邻信道间的干扰，从而提高天线阵元信息重构的可靠信。

3)通过配置特定频率间隔的时间调制频率，使得天线阵元信息在单射频通道中具有正交特性，可以在有限的带宽内增加了数据容量，使其接近奈奎斯特带宽，这将大幅度提高带宽利用率，降低信号的采样难度。

4)本发明在单个射频通道中同时传输所有天线阵元信息，并且通过一个模数转换器就能够将这些信息同时采样并处理，该方法具有即时恢复每帧天线阵元信息的能力，这种功能可实现高效的实时处理，对目标的动态运动做出直接、即时的响应，而无需额外的运动补偿。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1为本发明基于时间调制的频分共用射频单通道天线阵元信息重构方法的流程图。

图2为一个实施例中第一个天线阵元与任意天线阵元的频分幅度加权多阶梯复调制信号的关系示意图；其中调制周期满足mT_pm＝T_p1的正交关系。

图3为一个实施例中多个阵元信息在频谱中传输的测试图；其中图3中的(a)、(b)分别表示四个天线阵元和八个天线阵元分别和同时工作时，单射频通道中的阵元信息间的关系。

图4为一个实施例中重构的阵元信息与原始的阵元信息对比图；其中图4中的(a)、(b)分别表示八个阵元接收从5度和-45度入射信号，重构的阵元信息与其原始阵元信息的幅度和相位对比。

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。

需要说明，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

在一个实施例中，结合图1，提供了一种基于时间调制的频分共用射频单通道天线阵元信息重构方法，该方法包括：

步骤1，根据优化的时间调制控制参数，设计具有潜在幅度加权的多阶梯复调制信号；

步骤2，为时间调制器配置具有特定频率间隔的调制频率，以满足共用射频单通道所需的频分特性；

步骤3，建立频分幅度加权条件下的单边带时间调制阵列接收信号模型，并获得在单射频通道中混频下变的频分中频信号模型；

步骤4，经过单个模数转换器的一次数据采样，在数字域中通过正交数字下变频重构天线阵元信息。

在一个实施例中，该方法可基于基于时间调制的频分共用射频单通道DBF系统实现，该系统包括由M个阵元组成的均匀直线阵列天线，M个单边带时间调制模块，FPGA模块，M组不等周期控制信号总线，M路功率合成网络，低噪声放大器，本振模块，混频器，中频滤波放大模块以及信号采集和处理模块；其中，M为正整数；所述均匀直线阵列天线中各阵元的输出端与M个单边带时间调制模块的射频输入端一一对应连接；所述FPGA模块输出的不等周期控制信号通过M组不等周期控制信号总线分别与M个单边带时间调制模块的控制信号输入端连接；所述M个单边带时间调制模块的射频输出端与M路功率合成网络的单路功率合成输入支路连接；M路功率合成网络的单路功率合成输出端与低噪声放大器的射频输入端连接；所述混频器的射频端口与低噪声放大器的射频输出端连接，所述混频器的本振端口与本振模块的输出端连接；所述中频滤波放大模块的信号输入端与混频器的中频端口连接；所述信号采集和处理模块的信号输入端与中频滤波放大模块的信号输出端连接；所述低噪声放大器、本振模块、混频器、中频滤波放大模块以及信号采集和处理模块形成共用单通道；

所述均匀直线阵列天线接收的信号依次经过M个单边带时间调制模块、M路功率合成网络、低噪声放大器、本振模块和混频器、中频滤波放大模块，以及信号采集和处理模块进行时间调制，功率合成，低噪声射频放大，下变频，中频滤波放大，以及共用单射频通道的模数转换和信号处理。

所述单边带时间调制模块包括一分二等功率分配器、数控同相支路、数控正交支路和二合一功率合成器；所述一分二等功率分配器将天线阵元信号分为两路分别输入至所述数控同相支路、数控正交支路，分别产生同相支路调制函数正交支路调制函数最后数控同相支路、数控正交支路产生的两路信号通过所述二合一功率合成器输出合成的复调制函数/>

所述数控同相支路包括同相支路数控衰减器、2个同相支路单刀双置开关和1对同相支路0/π移相电路；所述一分二等功率分配器输出的其中一路信号，先由同相支路数控衰减器调节幅度，之后通过两个同相支路单刀双置开关选通同相支路0/π移相电路，切换“0度”和“180度”两个相位状态，产生所述同相支路调制函数

所述数控正交支路包括正交支路数控衰减器、2个正交支路单刀双置开关、1对正交支路0/π移相电路和π/2固定移相电路；所述一分二等功率分配器输出的另一路信号，先由正交支路数控衰减器调节幅度，之后通过两个正交支路单刀双置开关选通正交支路0/π移相电路，并经过π/2固定移相电路，从而切换“90度”和“270度”两个相位状态，产生所述正交支路调制函数

第m个所述单边带时间调制模块中的数控同相支路和数控正交支路采用相同的调制频率f_pm进行控制；其中，m为正整数，并且1≤m≤M。

相邻所述单边带时间调制模块之间的调制间隔频率Δf按照设计需求的不同，根据相邻调制频率之间的任意关系进行配置；当Δf≠0时，表明各单边带时间调制模块的调制频率f_pm不相等，即调制周期T_pm不相等。

进一步地，在其中一个实施例中，步骤1所述根据优化的时间调制控制参数，设计具有潜在幅度加权的多阶梯复调制信号，具体过程包括：

步骤1-1，将多阶复调制信号通过数学方法拟合为正弦波形，确定拟合结果的纵向精度，即复调制信号中阶梯的数量S；

步骤1-2，定义第m个天线阵元链路中相应的第s级阶梯的幅度值b_s,m和持续时间τ_s,m为优化参数，代入以非工作边带水平最小化为目标的成本函数进行优化；

步骤1-3，多阶梯复调制信号采用正交调制方式，因此第m个时间调制器的多阶复调制信号V_m(t)表示为：

式中，为t时刻第m个时间调制器的多阶复调制信号的同相分量，/>为第m个时间调制器的多阶复调制信号的正交分量，T_pm为多阶复调制信号的调制周期；

因此第m个时间调制器的多阶复调制信号在任意时刻都由一对调制周期为T_pm，时延T_pm/4的调制分量组合而成。

进一步地，在其中一个实施例中，结合图2，步骤2所述为时间调制器配置具有特定频率间隔的调制频率，以满足共用射频单通道所需的频分特性，具体过程包括：

步骤2-1，所述多阶复调制信号满足Dirichlet条件，则能对其做傅里叶变换，得到傅里叶级数的表达式为：

式中，f_pm＝1/T_pm为第m个天线阵元链路中时间调制器的调制频率，A_m,q为第m个天线阵元对应的第q次谐波的傅里叶系数，表示为：

式中，为第m个时间调制器的多阶复调制信号同相分量在其调制周期中的起始时刻，b_s-1,m为第m个天线阵元链路中相应的第s-1级阶梯的幅度值，τ_1,m第m个天线阵元链路中相应的第1级阶梯的持续时间；

只有当谐波次数满足条件时，A_m,q≠0；其中第m个时间调制器的第1次谐波对应的A_m,1的幅度最大；其余不满足条件的谐波次数对应的傅里叶系数受到抑制为零。

步骤2-2，根据设计需求的不同，对相邻天线阵元链路中时间调制器的调制频率间隔Δf进行相应的配置；当Δf≠0时，表示各时间调制器配置的调制频率f_pm不相同，即调制周期T_pm不相同。

进一步地，在其中一个实施例中，步骤3所述建立频分幅度加权条件下的单边带时间调制阵列接收信号模型，并获得在单射频通道中混频下变的频分中频信号模型，具体过程包括：

频分幅度加权条件下的单边带时间调制天线阵列接收的信号y(t)在射频单通道中表示为：

式中，x_m(t)为第m个天线阵元接收到的载波频率为f₀的K个远场不相关窄带信号，表示为：

其中，s_k(t)表示从第k个角度θ_k入射的信号复包络，β为自由空间中的波数，d表示相邻天线阵元之间的距离，N(t)是方差为σ²的零均值高斯白噪声，K表示不同入射角度的个数；

则在单射频通道中，频分幅度加权的单边带时间调制天线阵列接收的信号与本振混频下变，得到的频分中频信号y_IF(t)表示为：

式中，x_bm(t)为第m个天线阵元的信息，f_IF为混频下变后频分中频信号的中心频率。

基于频分幅度加权的单边带时间调制特性，各天线阵元接收到的基带信号主要传输能量集中在其第1次谐波上，并且由于配置特定的调制频率间隔，使得第m个天线阵元信息的1次谐波的载波频率f_IF+f_pm与其他天线阵元信息的载波频率不相同，因此这些信息能够分散在频谱上，相互之间不产生重叠与干扰。

进一步地，在其中一个实施例中，步骤4所述经过单个模数转换器的一次数据采样，在数字域中通过正交数字下变频重构天线阵元信息，具体过程包括：

步骤4-1，通过单个模数转换器对频分中频信号进行一次数据采样，得到数字域频分中频信号y_IF[n]表示为：

式中，n表示数字域中采样点的序号，T_s为模数转换器的采样周期，x_bm[n]为数字域中第m个天线阵元的信息；

设基带信号带宽为B，M个天线阵元链路中的时间调制器调制频率递增，为避免采样过程中发生信号的混叠现象，采样周期需要满足带通采样定理：

其中，G＝1,2,…,G_max,f_pM为M个天线阵元链路中时间调制器的最高调制频率；

由于基带信号集中在q＝1次谐波的载频上，因此不需要考虑对高次谐波频率上微弱信号的采样，这将显著降低对所述频分中频信号的采样难度；

步骤4-2，对数字域中频分中频信号的实部进行正交数字下变频处理，得到第m个天线阵元对应的时间调制基带信号的实部，表示为：

式中，表示取实部，*表示卷积运算，h _LP[n]为数字域低通滤波器的响应函数，为第m个天线阵元对应的第1次谐波的傅里叶系数的实部，/>为第m个天线阵元信息的实部；其中包含时间调制基带信号实部的(q＝1)项可以被解调，而其余项被滤除；

同理，时间调制基带信号的虚部也能通过上述方法取虚部得到；

由此，时间调制复数基带信号表示为：

式中，为第m个天线阵元对应的时间调制基带信号的虚部，第m个天线阵元对应的第1次谐波的傅里叶系数/>

步骤4-3，对第m个天线阵元的信息进行重构，表示为x_bm[n]：

由此，天线阵元信息重构矩阵X[n]表示为：

式中，x_b1[n]、x_b2[n]、...、x_bM[n]分别表示从频分单通道中重构的第1个、第2个、...、第M个天线的阵元信息，A_1,1、A_2,1、...、A_M,1分别表示第1个、第2个、...、第M个天线阵元对应的第1次谐波的傅里叶系数，y_1,1[n]、y_2,1[n]、...、y_M,1[n]分别表示第1个、第2个、...、第M个天线阵元对应的时间调制基带信号；b_s,1、b_s,2、...、b_s,M分别表示第1个、第2个、...、第M个天线阵元链路中相应的第s级阶梯的幅度值，b_s-1,1、b_s-1,2、...、b_s-1,M分别表示第1个、第2个、...、第M个天线阵元链路中相应的第s-1级阶梯的幅度值，τ_s,1、τ_s,2、...、τ_s,M分别表示第1个、第2个、...、第M个天线阵元链路中相应的第s级阶梯的持续时间，τ_1,1、τ_1,2、...、τ_1,M分别表示第1个、第2个、...、第M个天线阵元链路中相应的第1级阶梯的持续时间，T_p1、T_p2、...、T_pM分别表示第1个、第2个、...、第M个时间调制器的多阶复调制信号的调制周期。

在一个实施例中，提供了一种基于时间调制的频分共用射频单通道天线阵元信息重构系统，所述系统包括：

第一模块，用于根据优化的时间调制控制参数，设计具有潜在幅度加权的多阶梯复调制信号；

第二模块，用于为时间调制器配置具有特定频率间隔的调制频率，以满足共用射频单通道所需的频分特性；

第三模块，用于建立频分幅度加权条件下的单边带时间调制阵列接收信号模型，并获得在单射频通道中混频下变的频分中频信号模型；

第四模块，用于经过单个模数转换器的一次数据采样，在数字域中通过正交数字下变频重构天线阵元信息。

关于基于时间调制的频分共用射频单通道天线阵元信息重构系统的具体限定可以参见上文中对于基于时间调制的频分共用射频单通道天线阵元信息重构方法的限定，在此不再赘述。上述基于时间调制的频分共用射频单通道天线阵元信息重构系统中的各个模块可全部或部分通过软件、硬件及其组合来实现。上述各模块可以硬件形式内嵌于或独立于计算机设备中的处理器中，也可以以软件形式存储于计算机设备中的存储器中，以便于处理器调用执行以上各个模块对应的操作。

作为一种具体示例，在其中一个实施例中，对本发明进行进一步详细验证说明。

本实施例设计具有潜在幅度加权的八阶梯复调制信号的具体参数如下表1所示。

表1本发明设计具有潜在幅度加权的八阶梯复调制信号的具体参数

首先跟据表1所述参数设置具有潜在幅度加权的八阶梯复调制信号的阶梯幅度值和其持续时间，其中数值都经过归一化，所以都表示数值的相对值。

然后为八个时间调制器配置具有正交特性的调制频率，可以表示为：

由于调制频率的正交特性，使得在有限的带宽内增加了每个阵元信息的容量，这将大幅度提高带宽利用率，并减小信号的采样难度。通过采用频分幅度加权的调制方式，有效抑制时间调制阵列存在的谐波干扰，因此可以等效于减小相邻信道间的干扰。在图3中的(a)中，四个天线阵元分别和同时工作的情况下，尽管可以观察到在第一个阵元的第3次谐波会与第三个阵元的第1次谐波之间产生重叠，但此时边带辐射测量值仅为-38.5dB，这证明此处重叠造成的干扰非常微弱，其能量和该第一次谐波的主要传输阵元信息的能量相比可以忽略不计。如图3中的(b)所示，对八个天线元阵列的联合测量显示了每个天线阵元射频链中的主要能量之间的幅值差异，各个阵元相对于参考阵元(即第八个天线阵元)的相对幅值变化分别记录为[-0.9,-1.0,-1.8,-0.8,-1.2,-2.2,-0.9]dB，该幅值差异并不大，这证明采用频分幅度加权的调制方式将各个天线阵元信息调制到不同频率后的一致性。如图4的实验结果表明，信号分别从5度和-45度入射到天线阵列的条件下，重构的天线阵元信息都具有很高的保真度，该重构的天线阵元信息的幅度和相位都与原始信号的理论值非常接近。

由上述实施例可知，本发明提出的基于时间调制的频分共用射频单通道天线阵元信息重构方法，利用时间调制阵列频分幅度加权的调制方式，能有效减小相邻信道间的干扰，通过单个射频通道实时重构天线阵元信息，能避免额外的运动补偿处理，显著降低天线阵元信息重构方法的复杂度。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于时间调制的频分共用射频单通道天线阵元信息重构方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤1，根据优化的时间调制控制参数，设计具有潜在幅度加权的多阶梯复调制信号；

步骤2，为时间调制器配置具有特定频率间隔的调制频率，以满足共用射频单通道所需的频分特性；

步骤3，建立频分幅度加权条件下的单边带时间调制阵列接收信号模型，并获得在单射频通道中混频下变的频分中频信号模型；

步骤4，经过单个模数转换器的一次数据采样，在数字域中通过正交数字下变频重构天线阵元信息。

2.根据权利要求1所述的基于时间调制的频分共用射频单通道天线阵元信息重构方法，其特征在于，步骤1所述根据优化的时间调制控制参数，设计具有潜在幅度加权的多阶梯复调制信号，具体过程包括：

步骤1-1，将多阶复调制信号通过数学方法拟合为正弦波形，确定拟合结果的纵向精度，即复调制信号中阶梯的数量S；

步骤1-2，定义第m个天线阵元链路中相应的第s级阶梯的幅度值b_s,m和持续时间τ_s,m为优化参数，代入以非工作边带水平最小化为目标的成本函数进行优化；

步骤1-3，多阶梯复调制信号采用正交调制方式，因此第m个时间调制器的多阶复调制信号V_m(t)表示为：

式中，为t时刻第m个时间调制器的多阶复调制信号的同相分量，/>为第m个时间调制器的多阶复调制信号的正交分量，T_pm为多阶复调制信号的调制周期；

因此第m个时间调制器的多阶复调制信号在任意时刻都由一对调制周期为T_pm，时延T_pm/4的调制分量组合而成。

3.根据权利要求1或2所述的基于时间调制的频分共用射频单通道天线阵元信息重构方法，其特征在于，步骤2所述为时间调制器配置具有特定频率间隔的调制频率，以满足共用射频单通道所需的频分特性，具体过程包括：

步骤2-1，所述多阶复调制信号满足Dirichlet条件，则能对其做傅里叶变换，得到傅里叶级数的表达式为：

式中，f_pm＝1/T_pm为第m个天线阵元链路中时间调制器的调制频率，A_m,q为第m个天线阵元对应的第q次谐波的傅里叶系数，表示为：

式中，为第m个时间调制器的多阶复调制信号同相分量在其调制周期中的起始时刻，b_s-1,m为第m个天线阵元链路中相应的第s-1级阶梯的幅度值，τ_1,m第m个天线阵元链路中相应的第1级阶梯的持续时间；

步骤2-2，根据设计需求的不同，对相邻天线阵元链路中时间调制器的调制频率间隔Δf进行相应的配置；当Δf≠0时，表示各时间调制器配置的调制频率f_pm不相同，即调制周期T_pm不相同。

4.根据权利要求3所述的基于时间调制的频分共用射频单通道天线阵元信息重构方法，其特征在于，步骤2-1中只有当谐波次数满足条件时，A_m,q≠0；其中第m个时间调制器的第1次谐波对应的A_m,1的幅度最大；其余不满足条件的谐波次数对应的傅里叶系数受到抑制为零。

5.根据权利要求4所述的基于时间调制的频分共用射频单通道天线阵元信息重构方法，其特征在于，步骤3所述建立频分幅度加权条件下的单边带时间调制阵列接收信号模型，并获得在单射频通道中混频下变的频分中频信号模型，具体过程包括：

频分幅度加权条件下的单边带时间调制天线阵列接收的信号y(t)在射频单通道中表示为：

式中，x_m(t)为第m个天线阵元接收到的载波频率为f₀的K个远场不相关窄带信号，表示为：

其中，s_k(t)表示从第k个角度θ_k入射的信号复包络，β为自由空间中的波数，d表示相邻天线阵元之间的距离，N(t)是方差为σ²的零均值高斯白噪声，K表示不同入射角度的个数；

则在单射频通道中，频分幅度加权的单边带时间调制天线阵列接收的信号与本振混频下变，得到的频分中频信号y_IF(t)表示为：

式中，x_bm(t)为第m个天线阵元的信息，f_IF为混频下变后频分中频信号的中心频率。

6.根据权利要求5所述的基于时间调制的频分共用射频单通道天线阵元信息重构方法，其特征在于，步骤4所述经过单个模数转换器的一次数据采样，在数字域中通过正交数字下变频重构天线阵元信息，具体过程包括：

步骤4-1，通过单个模数转换器对频分中频信号进行一次数据采样，得到数字域频分中频信号y_IF[n]表示为：

式中，n表示数字域中采样点的序号，T_s为模数转换器的采样周期，x_bm[n]为数字域中第m个天线阵元的信息；

设基带信号带宽为B，M个天线阵元链路中的时间调制器调制频率递增，为避免采样过程中发生信号的混叠现象，采样周期需要满足带通采样定理：

其中，G＝1,2,…,G_max,f_pM为M个天线阵元链路中时间调制器的最高调制频率；

步骤4-2，对数字域中频分中频信号的实部进行正交数字下变频处理，得到第m个天线阵元对应的时间调制基带信号的实部，表示为：

式中，表示取实部，*表示卷积运算，h_LP[n]为数字域低通滤波器的响应函数，/>为第m个天线阵元对应的第1次谐波的傅里叶系数的实部，/>为第m个天线阵元信息的实部；其中包含时间调制基带信号实部的即q＝1项可以被解调，而其余项被滤除；

同理，时间调制基带信号的虚部也能通过上述方法取虚部得到；

由此，时间调制复数基带信号表示为：

式中，为第m个天线阵元对应的时间调制基带信号的虚部，第m个天线阵元对应的第1次谐波的傅里叶系数/>

步骤4-3，对第m个天线阵元的信息进行重构，表示为x_bm[n]：

由此，天线阵元信息重构矩阵X[n]表示为：

式中，x_b1[n]、x_b2[n]、...、x_bM[n]分别表示从频分单通道中重构的第1个、第2个、...、第M个天线的阵元信息，A_1,1、A_2,1、...、A_M,1分别表示第1个、第2个、...、第M个天线阵元对应的第1次谐波的傅里叶系数，y_1,1[n]、y_2,1[n]、...、y_M,1[n]分别表示第1个、第2个、...、第M个天线阵元对应的时间调制基带信号；b_s,1、b_s,2、...、b_s,M分别表示第1个、第2个、...、第M个天线阵元链路中相应的第s级阶梯的幅度值，b_s-1,1、b_s-1,2、...、b_s-1,M分别表示第1个、第2个、...、第M个天线阵元链路中相应的第s-1级阶梯的幅度值，τ_s,1、τ_s,2、...、τ_s,M分别表示第1个、第2个、...、第M个天线阵元链路中相应的第s级阶梯的持续时间，τ_1,1、τ_1,2、...、τ_1,M分别表示第1个、第2个、...、第M个天线阵元链路中相应的第1级阶梯的持续时间，T_p1、T_p2、...、T_pM分别表示第1个、第2个、...、第M个时间调制器的多阶复调制信号的调制周期。

7.基于权利要求1至6任意一项所述方法的基于时间调制的频分共用射频单通道天线阵元信息重构系统，其特征在于，所述系统包括：

第一模块，用于根据优化的时间调制控制参数，设计具有潜在幅度加权的多阶梯复调制信号；

第二模块，用于为时间调制器配置具有特定频率间隔的调制频率，以满足共用射频单通道所需的频分特性；

第三模块，用于建立频分幅度加权条件下的单边带时间调制阵列接收信号模型，并获得在单射频通道中混频下变的频分中频信号模型；

第四模块，用于经过单个模数转换器的一次数据采样，在数字域中通过正交数字下变频重构天线阵元信息。