一种机电一体的信号波束自适应跟瞄系统、方法

1.本发明涉及自适应跟瞄技术领域，具体而言，涉及一种机电一体的信号波束自适应跟瞄系统、方法。


背景技术：

2.相控阵雷达通过控制每个辐射单元的相位来得到所需的辐射方向图和波束指向。每个辐射单元相位的改变是由移相器来实现的，而相位改变的数值则是根据实际应用需求经过计算机计算出来的。随着辐射单元的增加，计算机的运算量也会增加，这不仅对计算机的性能提出了更高的要求，整个雷达系统的功耗也会随之增加。这样不仅会导致整个系统成本的提升，还会提高系统的工作温度，降低工作稳定性。
3.但是，现有的技术方案都是以优化波束赋形算法或者提升计算机的性能来降低计算量与计算时间，且基于增加若干个移相器的方式大大增加了系统硬件成本以及系统功耗，因此，亟需提出一种采用模拟电路的结构来实现波束跟踪的方案。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明实施例的目的在于提供采用模拟电路的结构以及机械的方式来实现波束跟踪，实现节省放大器和移相器。
5.本发明的第一方面提供一种机电一体的信号波束自适应跟瞄系统，所述系统包括参考通道以及调控通道，所述参考通道包括第一天线，调控通道包括第二天线、电机、压控振荡器以及鉴相器；所述第一天线、第二天线接收同一发射信号；所述电机用于调节第二天线的高度；
6.确定所述发射信号至第一天线、第二天线的初始路径差；
7.鉴相器根据第一天线对应的第一信号、以及第二天线对应的第二信号以及初始路径差，生成正比于输入的第一信号、第二信号相位差的输出电压；
8.根据所述输出电压调节所述压控振荡器的输出频率、电机的长度，并根据所述输出频率补偿所述第二天线对应的第二信号，根据电机的长度调节第二天线的高度。
9.进一步，所述参考通道还包括第一混频器、第一滤波器以及第一功分器；所述调控通道还包括第二混频器、第二滤波器以及第二功分器、低通滤波器；
10.确定发射信号a0表示为则到达第一天线的发射信号表示为到达第二天线的发射信号表示为
11.其中，a0表示发射信号的幅度，ω0表示发射信号的频率，表示发射信号的相位，t表示发射信号的发射时间，t1表示发射信号发射至第一天线的时间间隔，t2表示发射信号发射至第二天线的时间间隔。
12.所述参考通道，将被第一天线接收的发射信号与本振信号a1混频，经过滤波器滤
除高频分量后得到频率较低的第一信号b1；其中，本振信号
[0013][0014]
其中，a1表示本振信号的幅度，ω1表示本振信号的频率，表示本振信号的相位；
[0015]
所述调控通道，将第二天线接收的第二信号与压控振荡器输出信号a2混频，经过滤波器滤除高频分量后得到频率较低的第二信号b2；其中，压控振荡器输出信号
[0016][0017]
其中，a2表示输出信号的幅度，ω2表示输出信号的频率，表示输出信号的相位；
[0018]
第一信号b1和第二信号b2分别输入功分器后，共同输入鉴相器。
[0019]
进一步，基于鉴相器生成正比于输入的第一信号、第二信号相位差的输出电压；
[0020]
所述输出电压表示为：
[0021]
ud＝kdθe[0022]
其中，kd是鉴相器的增益系数；θe是b1和b2的相位差；
[0023][0024]
由于t
2-t1＝δt＝d/c，c是光速，则输出电压进一步表示为：
[0025][0026]
其中，由于和是信号a1和a2的初始相位。
[0027]
进一步，所述系统还包括放大器；
[0028]
所述放大器，用于对所述输出电压进行放大，放大后的输出电压表示为：
[0029]vpd
＝adud；
[0030]
其中，ad是放大器的放大倍数。
[0031]
进一步，所述根据所述输出电压调节所述压控振荡器的输出频率、电机的长度，并根据所述输出频率补偿所述第二天线对应的第二信号，包括：
[0032]
压控振荡器的输出频率表示为：
[0033]
ω
vco
＝k
vcovpd
＝k
vcoad
ud[0034]
其中，k
vco
表示压控振荡器的灵敏度；
[0035]
设置ω2＝ω
vco
，并基于输出频率补偿所述第二天线对应的第二信号b2。进一步，根据所述输出电压调节电机的长度，电机的长度l表示为：
[0036]
l＝k
lvpd
+l0；
[0037]
其中，k
l
是电机升降灵敏度。
[0038]
此外，本发明还提出一种信号波束自适应调节方法，所述方法基于权利要求1-6任一项所述的机电一体的信号波束自适应跟瞄系统来实现，所述方法包括：
[0039]
s1，在系统工作初期，设定ω1＝ω2，此时是一个正常数，电机长度l增加，第二天线上升；
[0040]
s2，第一天线、第二天线的路径差d的减小会导致输出电压ud减小，从而直接引起压控振荡器的输出频率ω
vco
的降低；由于ω2＝ω
vco
，因此ω
1-ω2不再等于0，而是会随着ω2的减小而增加，从而导致ud的增大；在第一天线和第二天线路径差d的作用下，第二天线由于电机的长度l的作用一直上升，最终停留位置为：
[0041][0042]
s3，由于信号入射角不同导致的第一天线和第二天线路径差d被转换为电压v
pd
，通过调节输出频率和电机的长度l来进行了补偿，实现机电一体化调控。
[0043]
本发明的方案中，通过系统包括参考通道以及调控通道，所述参考通道包括第一天线，调控通道包括第二天线、电机、压控振荡器以及鉴相器；所述第一天线、第二天线接收同一发射信号；所述电机用于调节第二天线的高度；确定所述发射信号至第一天线、第二天线的初始路径差；鉴相器根据第一天线对应的第一信号、以及第二天线对应的第二信号以及初始路径差，生成正比于输入的第一信号、第二信号相位差的输出电压；根据所述输出电压调节所述压控振荡器的输出频率、电机的长度，并根据所述输出频率补偿所述第二天线对应的第二信号，根据电机的长度调节第二天线的高度。相比于现有技术，不同天线接收信号的路径差可以用机械的方式进行补偿，可以节省放大器和移相器。
附图说明
[0044]
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
[0045]
图1是本发明实施例1公开的机电一体的信号波束自适应跟瞄系统结构原理示意图；
[0046]
图2是本发明实施例1公开的信号的波形描述图；
[0047]
图3是本发明实施例1公开的机电一体化调控的原理图；
[0048]
图4是本发明实施例1公开的基于机械的方式进行补偿天线接收发射信号相互间的路径差执行补偿的示意图。
具体实施方式
[0049]
现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施方式使得本技术将更加全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。
[0050]
此外，所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施例中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本技术的实施例的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本技术的技术方案而没有特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法、组元、装置、步骤等。在其它情况下，不详细示出或描述公知方法、装置、实现或者操作以避免模糊本技术的各方面。
[0051]
附图中所示的方框图仅仅是功能实体，不一定必须与物理上独立的实体相对应。
即，可以采用软件形式来实现这些功能实体，或在一个或多个硬件模块或集成电路中实现这些功能实体，或在不同网络和/或处理器装置和/或微控制器装置中实现这些功能实体。
[0052]
附图中所示的流程图仅是示例性说明，不是必须包括所有的内容和操作/步骤，也不是必须按所描述的顺序执行。例如，有的操作/步骤还可以分解，而有的操作/步骤可以合并或部分合并，因此实际执行的顺序有可能根据实际情况改变。
[0053]
需要说明的是：在本文中提及的“多个”是指两个或两个以上。
[0054]
以下对本技术实施例的技术方案的实现细节进行详细阐述：
[0055]
请参阅图1，图1是本发明实施例公开的一种机电一体的信号波束自适应跟瞄系统结构原理示意图。如图1所示，本发明实施例的机电一体的信号波束自适应跟瞄系统包括参考通道以及调控通道，参考通道包括第一天线(天线1)，调控通道包括第二天线(天线2)、电机、压控振荡器以及鉴相器；所述第一天线(天线1)、第二天线(天线2)接收同一发射信号a0；电机设置于天线2的下方，用于调节天线2的高度。需要说明的是，参考通道还包括混频器1、滤波器1以及功分器1；调控通道还包括混频器2、滤波器2以及功分器2、低通滤波器以及放大器等部件。
[0056]
本实施例，如图1所示，从目标发射的信号a0分别被天线1和天线2接收，接收时间分别为t1和t2。由于天线2距离较远，因此t2》t1。确定所述发射信号至天线1和天线2的初始路径差，假设信号到2个天线的路径差为d，那么对应的时间差δt＝d/c，其中c是光速，所以t2＝t1+δt。
[0057]
假设那么到达天线1和天线2的信号分别为和其中，本实施例对所述发射信号采用余弦波信号的方式来表示，其中，如图2所示为本实施例对于信号的波形描述的图形，其中，对于一个余弦波信号，a代表信号的幅度，ω代表信号的频率，代表信号的相位，t表示信号周期，其中频率ω＝2π/t。本实施例对于所涉及的信号均采用余弦波形式来表示，那么，对于目标发射的信号a0，a0表示发射信号的幅度，ω0表示发射信号的频率，表示发射信号的相位，t表示发射信号的发射时间，t1表示发射信号发射至第一天线的时间间隔，t2表示发射信号发射至第二天线的时间间隔。
[0058]
被天线1接收的信号首先与本振信号a1混频，经过滤波器滤除高频分量后得到频率较低的第一信号b1，假设那么：
[0059][0060]
其中，a1表示本振信号的幅度，ω1表示本振信号的频率，表示本振信号的相位。
[0061]
假设同理可得，经过滤波器滤除高频分量后得到频率较低的第二信号b2：
[0062][0063]
其中，a2表示输出信号的幅度，ω2表示输出信号的频率，表示输出信号的相位。
[0064]
第一信号b1和第二信号b2分别输入功分器后，共同输入鉴相器，鉴相器接收第一天线对应的第一信号、以及第二天线对应的第二信号，并生成正比于输入的第一信号、第二信
号相位差的输出电压。b1和b2分别输入功分器后，一部分信号直接送入后端数字单元进行信号处理，此功能与大多数雷达接收机类似。另一部分信号共同输入鉴相器。
[0065]
进一步，鉴相器根据天线1对应的第一信号b1、以及天线2对应的第二信号b2相关的参数以及初始路径差d，生成正比于输入的第一信号、第二信号相位差的输出电压。由于鉴相器可以产生正比于输入信号相位差的电压，因此其输出电压可以表示为：
[0066]
ud＝kdθe[0067]
其中，kd是鉴相器的增益系数，单位v/rad。θe是b1和b2的相位差，等于：
[0068][0069]
由于，t
2-t1＝δt＝d/c，所以
[0070][0071]
其中，其中，和是信号a1和a2的初始相位，其值是固定的，因此也是固定的。所以，鉴相器的输出电压只随着(ω
1-ω2)t变化。为了简化公式，这里设
[0072]
当ud电压太小无法驱动后面的压控振荡器和电机时，可以通过额外增加放大器对其进行放大，放大后的电压为v
pd
＝adud，其中ad是放大器的放大倍数。该电压同时控制压控振荡器和电机。
[0073]
进一步，根据所述输出电压调节所述压控振荡器的输出频率、电机的长度，并根据所述输出频率补偿所述第二天线对应的第二信号，根据电机的长度调节第二天线的高度。
[0074]
本实施例中，首先分析输出电压v
pd
控制压控振荡器的情况。压控振荡器是一种输出频率与输入电压存在对应关系的震荡电路，其输出频率可以表示为：
[0075]
ω
vco
＝k
vcovpd
＝k
vcoad
ud[0076]
其中，k
vco
是压控振荡器的灵敏度，单位是hz/v。输入电压越大输出频率越高，反之输出频率越小。从系统框图可以看出，ω2＝ω
vco
。
[0077]
其次，电压输出电压v
pd
还可以控制电机的长度l，其关系可以表示为：
[0078]
l＝k
lvpd
+l0[0079]
其中，k
l
是电机升降灵敏度，单位m/v。l0是电机位置的初值。
[0080]
综上，本实施例进一步介绍机电一体化调控的原理。在系统工作初期，假设ω1＝ω2，此时是一个正常数。如图2所示为本实施例的机电一体化调控的原理图，这时电机长度l增加，天线2上升，两个天线的路径差d减小。d的减小会导致ud减小，从而直接引起ω
vco
的降低。由于ω2＝ω
vco
，因此ω
1-ω2不再等于0，而是会随着ω2的减小而增加，从而导致ud的增大。由于ud的减小和增加效果相互抵消，ud维持不变。因此在天线1和天线2距离差d的作用下，天线2由于l的作用一直上升，最终停留位置为：
[0081][0082]
至此，由于信号入射角不同导致的天线2与1的距离差d被转换为电压v
pd
，通过调节电参量ω2和物理参量l来进行了补偿，实现了机电一体化调控。
[0083]
进一步，如图3所示，为本实施例基于机械的方式进行补偿天线接收发射信号相互间的路径差执行补偿的示意图。由于入射角的原因，导致每个天线接收的信号之间存在路径差，路径差直接引起幅度差和相位差。相对于现有技术的幅度差通常采用不同增益的放大器来补偿，相位差通常采用移相器来补偿，本实施例不同天线接收信号的路径差可以用机械的方式进行补偿，可以节省放大器和移相器。
[0084]
实施例2
[0085]
本实施例提出一种信号波束自适应调节方法，所述方法基于实施例1所述的机电一体的信号波束自适应跟瞄系统来实现，所述方法包括：
[0086]
s1，在系统工作初期，设定ω1＝ω2，此时是一个正常数，电机长度l增加，第二天线上升；
[0087]
s2，第一天线、第二天线的路径差d的减小会导致输出电压ud减小，从而直接引起压控振荡器的输出频率ω
vco
的降低；由于ω2＝ω
vco
，因此ω
1-ω2不再等于0，而是会随着ω2的减小而增加，从而导致ud的增大；在第一天线和第二天线路径差d的作用下，第二天线由于电机的长度l的作用一直上升，最终停留位置为：
[0088][0089]
s3，由于信号入射角不同导致的第一天线和第二天线路径差d被转换为电压v
pd
，通过调节输出频率和电机的长度l来进行了补偿，实现机电一体化调控。
[0090]
本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
[0091]
在本技术所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另外，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口、装置或单元的间接耦合或通信连接，也可以是电的，机械的或其它的形式连接。
[0092]
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
[0093]
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以
是各个单元单独物理存在，也可以是两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
[0094]
所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分，或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网格设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(rom，read-only memory)、随机存取存储器(ram，random access memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
[0095]
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。