基于子阵划分的大规模相控阵差波束形成系统的制作方法
本发明涉及一种基于子阵划分的大规模相控阵差波束形成方法。
背景技术：
随着现代信号处理和超大规模集成电路等技术的飞速发展相控阵天线技术也取得了长足的进步，为了获得更远的作用距离和足够的空间分辨能力，阵列天线朝着大型化发展，几百上千乃至上万个阵元的天线数见不鲜。子阵级自适应波束形成常用于大型阵列天线。如果在这种大型阵列中，在阵元级上应用波束形成方法，这样就得对每一个天线阵元的接收信号进行单独处理，即每一个阵元组成一个接收通道。由于每一个接收通道都必须包含几次放大、混频，最后是视频处理或模数a/d转换。可想而知，这样硬件成本将会成倍增加。对采用基于阵元级的数字阵列宽带信号波束形成方法，阵列天线每个阵元都对应一个接收通道进行相应的数字移相和数字时延调整，对大规模数字阵列信号处理会带来巨大的系统复杂性和实现成本。子阵越大，其相位中心距离也就越大，使得栅瓣出现周期距离变短，在主瓣波束扫描时，栅瓣就会移进子阵主波束内或落进高的子阵旁瓣中，将严重破坏阵列的天线性能。且天线波束的扫描范围也会受到限制，子阵包括的单元数越多，扫描范围就越小。通常将成千上万个阵列阵元按特定的规律划分为多个组，各组中有一部分阵元，此类阵元组就叫做子阵。阵列被分割成子阵后，子阵数显然少于阵元数，每个子阵作为一个接收通道，而后在子阵级上进行自适应阵列处理。虽然子阵级自适应波束形成降低了自适应权向量的维数(即系统自由度)，但是大型相控阵阵元数非常多，远远大于要抑制的干扰和噪声数目，因此子阵划分类型多种多样。子阵数目需要在硬件复杂性、计算代价和期望的性能之间折衷。由于子阵上的时间延迟，导致了宽带静态方向图的旁瓣电平明显升高。因此，运用划分子阵的方法来处理拥有上千甚至上万个阵元的相控阵天线已变得越来越普遍。
子阵的划分方法为子阵级自适应波束形成的基础，主要有3种子阵划分规则：规则不重叠子阵、规则重叠子阵和不规则不重叠子阵。规则不重叠子阵又叫做均匀邻接子阵、不规则不重叠子阵又叫做非均匀邻接子阵。然而，均匀子阵划分会导致栅瓣，这是因为子阵的等效相位中心间隔超过半波长。栅瓣占据较大辐射能量，使天线增益降低。当扫描域很大时，从栅瓣观测到的目标与从主瓣观测的目标容易混淆，导致目标位置模糊。规则是指各子阵中阵元数相同，且子阵内阵元的排布也一样；“重叠”是指同一阵元被不同的子阵共用。不重叠子阵因不存在阵元共用，易于微波阶段进行控制，工程上更容易实现；但规则子阵会出现栅瓣、栅零点效应，影响自适应波束形成效果。不规则不重叠子阵因为破坏了阵列波束的周期性，所以能有效克服栅瓣、栅零点效应。规则重叠子阵通过子阵的划分，将阵列波束形成信号处理分成了阵元级和子阵级。常规通过划分子阵方式的数字阵列宽带信号单脉冲和差波束形成方法是采用阵元移相加、子阵间数字时延、子阵级方位差俯仰差对称取反加权的波束形成结构。通过优化子阵划分方式和子阵数目，可以获得逼近阵元级算法性能的和差方向图。该结构下的子阵划分方式和子阵规模同样受孔径渡越时间限制，子阵的孔径渡越时间限制了整个系统的瞬时带宽。该结构下的子阵划分方式和子阵规模同样限制了系统的方位差和俯仰差波束的零深和中心位置，从而限制了整个系统的单脉冲跟踪性能。一方面子阵数量对波束的副瓣有影响，子阵形状则影响波束的栅瓣。另一方面，子阵划分形式影响子阵接收通道的噪声输出功率，从而影响自适应波束的性能。
在实际的工程实现中，子阵划分方式和子阵规模直接影响系统的复杂度和成本，也决定了整个系统的瞬时带宽和单脉冲跟踪性能。针对系统瞬时带宽较窄应用时，子阵的孔径渡越时间允许更大，相应可以划分的单个子阵阵元数目会更多，子阵个数变少，简化子阵级的通道数目，系统实现硬件成本下降，但同时系统的方位差和俯仰差波束的零深抬高，导致系统的单脉冲跟踪性能下降。传统单脉冲测角算法建立在白噪声背景下单个目标的基础上，当存在宽带干扰时，特别是干扰靠近目标时会产生很大的角度估计误差，如果不对干扰进行有效的控制，将无法检测与跟踪目标。如果在共形阵列中，受阵列形状和结构设计的约束，子阵的划分可能无法特别规则。传统的窄带阵列结构利用阵元级移相器实现各个天线阵元与参考天线阵元间的阵内相位差，能够灵活准确的控制阵列的波束指向，然而对于宽带阵列，仅用移相器已不能满足带宽内不同频率的相位差要求，将会导致宽带阵列波束指向的偏移和主波束宽度的展宽。因此一个有效的解决办法是在天线输出后采用时间延迟单元来实现不同频率在各个天线单元上的时间差，然而对于由几千个天线单元组成的相控阵，为了降低运算复杂度和成本，通常将天线单元划分为若干子阵后，在子阵内部采用移相器，在子阵后采用时间延迟单元，即子阵级延迟宽带阵列结构。子阵级时间延迟结构能够保证宽带阵列波束指向，然而由于在子阵级上采用时间延迟单元，将会引起栅瓣，从而导致宽带方向图的旁瓣电平明显升高。由于干扰具有一定的带宽，子阵级adbf需要有足够的空间自由度才能对其进行有效抑制，而且会在干扰方向形成较宽的零陷；这一方面浪费了空间自由度，另一方面破坏了波束形状，因而具有很大的局限性。常规子阵级差波束直接对各个子阵和波束信号按照方位俯仰坐标轴划分区域对称取反后进行加减处理。采用常规的基于子阵和波束实现方位差和俯仰差波束方法以天线相位中心为原点建立方位俯仰坐标轴，确定各个子阵相位中心在坐标中的象限，采用对称取反方式对子阵和波束输出进行加减得到方位差和俯仰差波束。由于子阵的划分无法特别规则，建立的坐标轴可能会穿越过部分子阵，使得这种基于子阵的实现方式和基于阵元级的划分方式差异较大，得到的差波束零深大小和位置与采用阵元级划分实现的差波束的误差变大，同样导致系统的单脉冲跟踪性能下降。在需要更高跟踪精度需求的系统设计需求条件下，需要考虑如何优化现有的基于子阵划分的单脉冲方位差和俯仰差波束实现方法，在能够尽量减少子阵通道数目的条件下，使形成的子阵级方位差和俯仰差波束零深尽可能的逼近阵元级算法，保证单脉冲跟踪的性能。
技术实现要素：
本发明的目的是针对基于子阵的波束形成架构存在的不足之处，提供一种能够适应共形阵列子阵划分不规整性、逼近阵元级差波束性能和单脉冲跟踪精度，实现简单，便于工程实现的基于子阵划分的大规模相控阵差波束成形系统。
本发明实现一种包括：划分为m个子阵，每个子阵包含n个阵元，共有n×m个天线阵元的阵面，n×m个天线阵元对应串联射频处理模块、数字预处理模块、初级子阵内波束形成模块1和次级差波束子阵跨区域拆分处理加权合成模块4，其特征在于：每个初级子阵内波束形成模块1由阵元幅度相位加权单元2串联子阵和波束合成单元3构成；次级差波束子阵跨区域拆分处理加权合成模块4包含分别与每个子阵和波束合成单元3相连的方位维子阵跨区域拆分处理单元5和俯仰维子阵跨区域拆分处理单元6、与方位维子阵跨区域拆分处理单元5级联的子阵对称取正方位差波束加权处理单元7和子阵对称取负方位差波束加权处理单元8、与俯仰维子阵跨区域拆分处理单元6级联的子阵对称取正俯仰差波束加权处理单元9和子阵对称取负俯仰差波束加权处理单元10、与子阵对称取正方位差波束加权处理单元7和子阵对称取负方位差波束加权处理单元8级联的方位差波束合成单元11、与子阵对称取正俯仰差波束加权处理单元9和子阵对称取负俯仰差波束加权处理单元10级联的俯仰差波束合成单元12；次级差波束子阵跨区域处理加权合成模块4的方位差波束合成单元11、俯仰差波束合成单元12完成对方位差和俯仰差波束的合成，最终输出整个阵列天线的方位差波束和俯仰差波束。
本发明相比于现有技术具有如下有益效果。
适应共形阵列子阵划分不规整性。本发明针对常规的差波束形成处理系统，特别是针对瞬时带宽要求很宽，实现宽带和差波束形成时需要通过划分子阵并在子阵和波束输出进行实时时延调整来实现的大规模相控阵。增加子阵跨区域拆分处理单元，通过该单元能够克服子阵不规则划分带来的差波束零深大小和位置较阵元级差波束形成性能恶化，保证基于子阵划分差波束形成的单脉冲跟踪性能。能够有效避免阵列子阵划分不规整带来单脉冲跟踪性能恶化的限制，从而放宽对子阵划分和子阵结构设计的限制。因此该差波束形成方法同时适用于均匀或非均匀子阵划分的大规模平面或者共形相控阵，也同时适用于窄带和宽带瞬时带宽信号的大规模共形相控阵。较常规基于子阵划分波束形成方法具有更广的适用性。
逼近阵元级差波束性能和单脉冲跟踪精度。本发明与常规子阵级差波束直接对各个子阵和波束信号按照方位俯仰坐标轴划分区域对称取反后进行加减处理不同，该方法首先判断各个子阵根据阵元级和差划分区域判定子阵是否跨区域，如果跨区域，根据子阵内各个阵元信号量化后的幅度计算和波束信号在两个区域所占比例，根据比例系数进行幅度加权拆分得到两个区域的和波束子信号，然后再采用方位俯仰坐标轴划分区域对称取反方式进行加减处理得到方位差俯仰差波束。该方法能够进一步逼近阵元级差波束形成算法的性能和单脉冲跟踪精度。
本发明实现简单，便于工程实现。只需要在常规的差波束形成处理系统中在子阵级处理增加子阵跨区域拆分处理单元，对拆分后的两路信号再分别进行加权和合成；子阵跨区域处理方法只需要在传统常规子阵级差波束形成系统中增加子阵跨区域拆分处理单元，其余处理单元不需要重新设计。所增加的单元实现对资源消耗少，可以在常规基于子阵划分的差波束形成处理系统中优化实现。从复杂度和资源开销的角度，相较常规波束形成算法，在算法实现时，权值计算时需要根据阵元级区域划分界限额外计算子阵内阵子跨区域的比例系数，在可编程门阵列芯片(fpga)上实现时，只需消耗部分乘法器、加法逻辑和存储器资源根据比例系数对子阵和波束进行拆分。
附图说明
下面结合附图和实施实例对本发明进一步说明。
图1是本发明基于子阵划分的大规模相控阵窄带差波束形成系统原理框图。
图2是图1子阵跨区域拆分处理单元4的计算差波束形成原理框图。
下面结合附图和实施例对发明进一步说明。
具体实施方式
参阅图1和图2。在以下描述的实施例中，一种基于子阵划分的大规模相控阵差波束成形系统，包括：划分为m个子阵，每个子阵包含n个阵元，共有n×m个天线阵元的阵面，n×m个天线阵元对应串联射频处理模块、数字预处理模块、初级子阵内波束形成模块1和次级差波束子阵跨区域拆分处理加权合成模块4，其中，每个初级子阵内波束形成模块1由阵元幅度相位加权单元2串联子阵和波束合成单元3构成；次级差波束子阵跨区域拆分处理加权合成模块4包含分别与每个子阵和波束合成单元3相连的方位维子阵跨区域拆分处理单元5和俯仰维子阵跨区域拆分处理单元6、与方位维子阵跨区域拆分处理单元5级联的子阵对称取正方位差波束加权处理单元7和子阵对称取负方位差波束加权处理单元8、与俯仰维子阵跨区域拆分处理单元6级联的子阵对称取正俯仰差波束加权处理单元9和子阵对称取负俯仰差波束加权处理单元10、与子阵对称取正方位差波束加权处理单元7和子阵对称取负方位差波束加权处理单元8级联的方位差波束合成单元11、与子阵对称取正俯仰差波束加权处理单元9和子阵对称取负俯仰差波束加权处理单元10级联的俯仰差波束合成单元12。
每个初级子阵内波束形成模块1将子阵内所有数字零中频复信号进行相应初级幅度相位加权，再将所有加权后的信号在子阵内相加合成，输出子阵和波束到次级差波束子阵跨区域处理加权合成模块4；然后通过相连取正加权单元14和取负加权单元15的子阵跨区域比例系数计算单元13，判断各个子阵根据阵元级和差划分区域判定子阵是否跨区域，如果跨区域，根据子阵内各个阵元信号量化后的幅度计算和波束信号在两个区域所占比例，取正加权单元14和取负加权单元15根据比例系数对初级子阵内波束形成模块1的输出进行幅度加权拆分得到取正和取负两个区域的和波束子信号。子阵对称取正方位差波束加权处理单元7和子阵对称取负方位差波束加权处理单元8完成对方位维子阵跨区域拆分处理单元5拆分后的两路分别加权，级联的方位差波束合成单元11输出方位差波束；子阵对称取正俯仰差波束加权处理单元9和子阵对称取负俯仰差波束加权处理单元10完成对俯仰维子阵跨区域拆分处理单元6拆分后的两路分别加权，级联的俯仰差波束合成单元12输出俯仰差波束。
数字预处理模块输出到初级子阵内幅相加权模块1的数字零中频复信号，
初级子阵内幅相加权模块1内的阵元幅度相位加权单元2对接收到的数字零中频复信号xmn(t)进行幅度相位加权，然后子阵和波束合成单元3对加权输出进行相加得到子阵和波束输出。初级子阵内幅相加权模块1第m个子阵和波束输出信号
次级差波束子阵跨区域处理加权合成模块4的方位维子阵跨区域拆分处理单元5和俯仰维子阵跨区域拆分处理单元6分别实现对整个阵列基于方位差和俯仰差划分后每个子阵取正取负比例系数的计算，然后对初级子阵内幅相加权模块1的子阵和波束按照该比例系数加权拆分。
参阅图2。子阵跨区域拆分处理单元4根据取正加权单元14和取负加权单元15和与其相连的子阵跨区域比例系数计算单元13，将取正比例系数和取负比例系数分别送入取正加权单元14和取负加权单元15，取正加权单元14和取负加权单元15根据子阵k和波束，加权输出子阵k取正区域和波束和子阵k取负区域和波束，子阵跨区域比例系数计算单元13运用差波束形成算法计算归一化取正比例系数、归一化取负比例系数
次级差波束子阵跨区域处理加权合成模块4的子阵对称取正方位差波束加权处理单元7、子阵对称取负方位差波束加权处理单元8、子阵对称取正俯仰差波束加权处理单元9、子阵对称取负俯仰差波束加权处理单元10完成每个子阵的次级方位差俯仰差波束的加权处理。子阵m对称取正方位差波束加权处理单元7输出信号可以表示为，子阵m对称取负方位差波束加权处理单元8的输出信号可以表示为
次级差波束子阵跨区域处理加权合成模块4的方位差波束合成单元11、俯仰差波束合成单元12完成对方位差和俯仰差波束的合成，最终输出整个阵列天线的方位差波束和俯仰差波束。整个阵列天线的方位差波束输出信号可以表示为
以上对本发明实施例进行了详细介绍，本文中应用了具体实施方式对本发明进行了阐述，以上实施例的说明中，天线阵面规模、子阵数目、子阵内阵元数目、窄带信号初级子阵内幅相加权、次级子阵差波束幅相加权等只是用于帮助理解本发明的方法及系统；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在进行基于非均匀子阵划分或者宽带信号形式的波束形成方法实现等应用场景的实施时，根据具体应用范围，其实施方式均会有改变之处，综上所述，本说明书实施例的内容不应理解为对本发明的限制。
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