CN113691292B - 一种宽带二维可重构数字波束形成方法 - Google Patents

一种宽带二维可重构数字波束形成方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种宽带二维可重构数字波束形成方法，将原本在空间中一维排布的波束拓展为二维排布，并可以对波束指向进行实时重构，从而实现对单脉冲信号到达角的实时精确测量。将相控阵面按需求分为多个分阵分别进行波束合成，并对波束指向进行合理的设置，从而实现方位、俯仰两个维度均有多个波束覆盖，从而方便的实现对单脉冲信号到达角的实时精确测量。

Description

一种宽带二维可重构数字波束形成方法
技术领域
本发明属于数字波束形成技术，具体为一种宽带二维可重构数字波束形成方法。
背景技术
数字波束形成(Digital Beam Forming，DBF)是在模拟波束形成原理的基础上引入数字信号处理方法后建立起来的一门雷达、电子战领域新技术。对于天线单元在空间位置不同带来的电磁波传播路程差而导致的通道间相位差，传统的模拟波束形成过程是在中频载波或射频载波上对各阵元信号进行移相和模拟合成，而数字波束形成是把阵列天线输出的信号进行AD采样数字化，再使用数字波束形成器进行复加权以补偿通道间相位差，实现信号同相叠加，从而实现特定方向上的最大能量接收，获得超分辨率和低副瓣的性能。
随着数字波束形成技术在电子侦察领域应用的深入，传统的波束一维排布，结合阵面电扫进行空域覆盖的方法，逐渐暴露出了以下问题：由于一维排布在俯仰维度只有一层波束，无法准确测出信号俯仰到达角。只能根据一段时间内的统计结果对目标俯仰角进行估计。无法对单个脉冲信号实时、准确地测出其俯仰到达角，该问题成为制约***测向精度提高的一大因素。
发明内容
本发明的目的在于提供了一种宽带二维可重构数字波束形成方法。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种宽带二维可重构数字波束形成方法，包括以下步骤：
步骤1：构建由M个阵元组成的二维平面相控阵天线，所述二维平面相控阵天线在方位上由N个子阵组成，每个子阵的信号由俯仰上的L个阵元经过模拟合成得到；
步骤2：根据设备控制单元发来的控制命令，将二维平面相控阵分为J个1/J阵，分别进行波束合成及波位排布，每个1/J阵由N/J个子阵组成，N为J的倍数；
步骤3：根据合成的数字波束数据完成信号检测及测向。
优选地，子阵的俯仰指向通过各阵元TR组件内部的移相器进行控制。
优选地，将每个1/J阵的俯仰指向分别控制为不同的角度，数字波束合成单元接收各个子阵的信号，形成K个数字波束，并将K个数字波束分为J组，每组由K/J个波束组成，K为J的倍数，J组数字波束的方位指向角相同每组数字波束的合成加权系数矩阵维度均为
优选地，所述数字波束合成单元采用数字信号处理器与现场可编程门阵列混合处理架构，其中数字信号处理器根据控制命令，计算波束合成加权系数，计算完成后将权值系数通过高速串行接口写入到各个现场可编程门阵列的内部存储器中，现场可编程门阵列使用权系数来完成波束形成工作。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：本发明将将阵面分为J个1/J阵，分别进行波束形成，在现有硬件架构下实现了对单个脉冲信号到达角的实时精确测量。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
图1是本发明运用实例的流程示意图
图2是半阵模式下的数字波束排布图。
图3是1/4阵模式下的数字波束排布图。
具体实施方式
如图1所示，一种宽带二维可重构数字波束形成方法，将原本在空间中一维排布的波束拓展为二维排布，并可以对波束指向进行实时重构，从而实现对单脉冲信号到达角的实时精确测量，包括以下步骤：
步骤1：构建由M个阵元组成的二维平面相控阵天线，所述二维平面相控阵天线在方位上由N个子阵组成，每个子阵的信号由俯仰上的L个阵元经过模拟合成得到。
进一步的实施例中，子阵的俯仰指向通过各阵元TR组件内部的移相器进行控制。
步骤2：根据设备控制单元发来的控制命令，将阵面分为J个1/J阵，分别进行波束合成及波位排布，N为J的倍数。
进一步的实施例中，将二维平面相控阵分为J个1/J阵，每个1/J阵由N/J个子阵组成(设N为J的倍数)，将每个1/J阵的俯仰指向分别控制为不同的角度。数字波束合成单元接收各个子阵的信号，形成K个数字波束，并将K个数字波束分为J组，每组由K/J个波束组成(设K为J的倍数)，J组数字波束的方位指向角相同。每组数字波束的合成加权系数矩阵维度均为
进一步的实施例中，所述数字波束合成单元采用数字信号处理器(DigitalSignal Processor,DSP)与现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array，FPGA)混合处理架构。其中，DSP根据控制命令，计算波束合成加权系数，计算完成后将权值系数通过高速串行接口(Serial Rapid IO,SRIO)写入到各个FPGA的内部存储器中，FPGA使用权系数来完成波束形成工作。
优选地，数字波束的方位指向由波束形成单元内的波束合成加权系数控制。常规窄带DBF合成的原理如以下公式所示：
上式可表示为Y＝AX，其中Y为波束合成的输出向量，维度k表示合成最终的波束数目，X为每个天线经过变频之后的中频量化信号向量，维度n表示参与合成的通道数目；A为合成加权系数，权值系数矩阵维度[K*N]与合成波束数目以及参与合成通道数相关。
进一步的实施例中，当J为2时，定义为半阵模式，包括以下特征：将二维平面相控阵分为左右两个半阵，每个半阵由N/2个子阵组成(设N为偶数)，将两个半阵的俯仰指向分别控制为不同的角度。数字波束合成单元接收各个子阵的信号，形成K个数字波束，并将K个数字波束分为两组，每组由K/2个波束组成(设K为偶数)，两组数字波束的方位指向角相同。每组数字波束的合成加权系数矩阵维度均为合成加权系数矩阵可用以下公式表示：
矩阵中的每个元素ak,n表示：第k个数字波束，在第n个子阵所使用的数字波束合成加权系数值，ak,n＝0时表示第n个子阵的加权系数为0，该子阵数据不参与波束k的形成。
进一步的实施例中，当J为4时，定义为1/4阵模式，包括以下特征：将二维平面相控阵分为4个1/4阵，每个1/4阵由N/4个子阵组成(设N为4的倍数)，将每个1/4阵的俯仰指向分别控制为不同的角度。数字波束合成单元接收各个子阵的信号，形成K个数字波束，并将K个数字波束分为四组，每组由K/4个波束组成(设K为4的倍数)，四组数字波束的方位指向角相同。每组数字波束的合成加权系数矩阵维度均为合成加权系数矩阵具体为：
步骤3：根据K个数字波束输出的波束数据完成信号检测及测向工作。
根据信号检测得到的同一脉冲在不同波束接收到的幅度并结合数字波束排布方式，即可实时测出信号的到达角。
实施例
一种宽带二维可重构数字波束形成方法，具体步骤为：
步骤1：构建由512个阵元组成的二维平面相控阵天线，在方位上由32个子阵组成，每个子阵的信号由俯仰上的16个阵元经过模拟合成得到。每个子阵的俯仰指向通过各阵元TR组件内部的移相器进行控制。
步骤2：由设备控制单元向相控阵面与波束形成单元下发控制命令，根据主控发来的控制命令，将阵面分为J个1/J阵，分别进行波束合成及波位排布，N为J的倍数。
将二维平面相控阵分为左右两个半阵，每个半阵由16个子阵组成，将两个半阵的俯仰指向分别控制为不同的角度。数字波束合成单元接收各个子阵的信号，形成16个数字波束，将16个数字波束分为两组，每组由8个波束组成，这两组数字波束的方位指向角相同。每组数字波束的合成加权系数矩阵维度均为[8*16]。波束合成权系数可用以下公式表示：
此时的波束排布图如图2所示。方位上有8个波束瞬时覆盖，俯仰上由2层波束覆盖。当外界信号由两层波束之间入射时，可使用两波束比幅测向的方法方便地求出俯仰入射角。
将二维平面相控阵依次分为4个1/4阵，每个1/4阵由8个子阵组成，将每个1/4阵的俯仰指向分别控制为不同的角度。数字波束合成单元将16个数字波束分为四组，每组由4个波束组成，这四组数字波束的方位指向角相同。每组数字波束的合成加权系数矩阵维度均为[4*8]。波束合成权系数可以下公式表示：
此时的波束排布图如图3所示。方位上有4个波束瞬时覆盖，俯仰上由4层波束覆盖。当外界信号由任意两层波束之间入射时，可使用两波束比幅测向的方法方便地求出俯仰入射角。此时的俯仰瞬时覆盖空域与1/2阵模式相比更大，但信号接收灵敏度和测向精度等指标会相对劣化。
针对更大规模的阵面可应用自定义模式，如针对128个子阵的相控阵面，可形成48个波束的数字合成单元。可将相控阵面分为8个1/8阵，每个1/8阵由16个子阵组成，将每个1/8阵的俯仰指向分别控制为不同的角度。数字波束合成单元将48个数字波束分为8组，每组由6个波束组成，这四组数字波束的方位指向角相同。每组数字波束的合成加权系数矩阵维度均为[6*16]。对应的波束合成权系数类似其他模式，不再赘述。
步骤3：根据数字波束输出的波束数据完成信号检测工作，根据信号检测得到的同一脉冲在不同波束接收到的幅度并结合数字波束排布方式，即可实时测出信号的到达角。

Claims (4)

1.一种宽带二维可重构数字波束形成方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：构建由M个阵元组成的二维平面相控阵天线，所述二维平面相控阵天线在方位上由N个子阵组成，每个子阵的信号由俯仰上的L个阵元经过模拟合成得到；
步骤2：根据设备控制单元发来的控制命令，将二维平面相控阵分为J个1/J阵，分别进行波束合成及波位排布，每个1/J阵由N/J个子阵组成，N为J的倍数，具体为：
将每个1/J阵的俯仰指向分别控制为不同的角度，数字波束合成单元接收各个子阵的信号，形成K个数字波束，并将K个数字波束分为J组，每组由K/J个波束组成，K为J的倍数，J组数字波束的方位指向角相同，每组数字波束的合成加权系数矩阵维度均为
当J为2时，将二维平面相控阵分为左右两个半阵，每个半阵由N/2个子阵组成，将两个半阵的俯仰指向分别控制为不同的角度，数字波束合成单元接收各个子阵的信号，形成K个数字波束，并将K个数字波束分为两组，每组由K/2个波束组成，两组数字波束的方位指向角相同，两组数字波束的合成加权系数矩阵维度均为数字合成加权系数矩阵为：
矩阵中的每个元素ak,n表示：第k个数字波束，在第n个子阵所使用的数字波束合成加权系数值；
步骤3：根据合成的数字波束数据完成信号检测及测向。
2.如权利要求1所述的宽带二维可重构数字波束形成方法，其特征在于，子阵的俯仰指向通过各阵元TR组件内部的移相器进行控制。
3.如权利要求1所述的宽带二维可重构数字波束形成方法，其特征在于，所述数字波束合成单元采用数字信号处理器与现场可编程门阵列混合处理架构，其中数字信号处理器根据控制命令，计算波束合成加权系数，计算完成后将权值系数通过高速串行接口写入到各个现场可编程门阵列的内部存储器中，现场可编程门阵列使用权系数来完成波束形成工作。
4.如权利要求1所述的宽带二维可重构数字波束形成方法，其特征在于，当n为4时，将二维平面相控阵分为4个1/4阵，每个1/4阵由N/4个子阵组成，将每个1/4阵的俯仰指向分别控制为不同的角度，数字波束合成单元接收各个子阵的信号，形成K个数字波束，并将K个数字波束分为四组，每组由K/4个波束组成，四组数字波束的方位指向角相同，每组数字波束的合成加权系数矩阵维度均为合成加权系数矩阵具体为：
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