基于稀疏阵列的有源相控阵天线波束控制方法与流程

[0001]
本发明涉及相控雷达处理技术领域，具体涉及一种基于稀疏阵列的有源相控阵天线波束控制方法。


背景技术：

[0002]
稀疏阵列有源相控阵天线波束控制主要是通过接收信号处理机传送过来的波束指向指令，计算并控制tr组件的幅度和相位值，完成稀疏阵列有源相控阵天线波束指向功能。
[0003]
目前，专利cn107768831a(“一种相控阵天线波控算法”)公开了一种相控阵天线波控算法。该算法采用舍整取余的方法计算移相值，只计算小数位，避免了大量的冗余计算，占用资源少，能在较短时间内解算出各天线单元的相位控制码，提高了波束控制系统的动态性能。但是该算法仍然是由外部传入了三角函数、除法等复杂计算的结果，舍整取余的计算也只是应用在乘加计算上。
[0004]
专利cn106450761a(“基于fpga的集中式相控阵列波束控制装置”)公开了一种基于fpga的集中式相控阵列波束控制装置，包括fpga模块、下位发送模块和下位接收模块，所述fpga模块通过所述下位接收模块来自天线阵列获得数据，并行实现各天线阵列的相位计算，进而通过所述下位发送模块并行实现各天线波束扫描的配置。该方案可适用于稀疏阵列，但计算速度较慢、精度较低。
[0005]
专利cn205122829u(“一种有源相控阵天线波控系统”)公开了一种有源相控阵天线波控系统，包括波控母板用于接收天线后端发送的波控指令，tr模块波控子板用于接收所述波控指令，实现对tr模块的控制功能，还包括波控成型线缆，所述成型线缆连接所述波控母板与tr模块波控子板，用于将所述波控母板发出的波控指令传递给所述r模块波控子板。该方案采用线缆连接的方式使得波控系统安装操作变得简单，使得系统的tr模块拓展性变得更好。但该发明主要介绍一种采用波控线缆代替波控分配板以及一对一线缆即可实现波控命令的正常传输波控系统，并不涉及如何实现计算并控制tr组件的幅度和相位值，完成稀疏阵列有源相控阵天线波束指向功能。


技术实现要素：

[0006]
本发明的目的是提供一种基于稀疏阵列的有源相控阵天线波束控制方法，旨在利用fpga完成计算并控制t/r组件的幅度和相位值，完成有源相控阵天线波束指向功能。
[0007]
为实现上述目的，本发明提供一种基于稀疏阵列的有源相控阵天线波束控制方法，采用fpga波束控制软件实现，所述fpga波束控制软件包括rs422接收模块、通信解码模块、波控码计算模块及tr组件信号控制模块，所述方法包括：
[0008]
所述rs422接收模块接收信号处理机传送过来的波束指向指令；
[0009]
所述通信解码模块按照通信协议从所述波束指向指令中解析出目标信息，包括波束指向的角度、频点号；
[0010]
所述波控码计算模块实时计算各阵列单元相对于一基准单元的相位差量化得到实时计算的波控码，并结合各通道幅相一致性补偿数据计算得到目标波控码；
[0011]
所述tr组件信号控制模块根据所述目标波控码确定tr组件的幅度和相位值，以完成稀疏阵列有源相控阵天线的波束指向功能。
[0012]
进一步的，在上述基于稀疏阵列的有源相控阵天线波束控制方法中，所述fpga波束控制软件是以ise平台的fpga软件实现的。
[0013]
进一步的，在上述基于稀疏阵列的有源相控阵天线波束控制方法中，所述基于稀疏阵列的有源相控阵天线的排列方式采用三角排布，在计算所述实时计算的波控码时，所述波控码计算模块将三角排布等效为矩形阵列排布。
[0014]
进一步的，在上述基于稀疏阵列的有源相控阵天线波束控制方法中，所述各通道幅相一致性补偿数据从预设的通道幅相一致性补偿数据表中查表得到。
[0015]
进一步的，在上述基于稀疏阵列的有源相控阵天线波束控制方法中，所述预设的通道幅相一致性补偿数据表包含不同频点下的补偿数据，所述波控码计算模块根据所述目标信息中的频点号从所述预设的通道幅相一致性补偿数据表中查找该频点对应的补偿数据。
[0016]
进一步的，在上述基于稀疏阵列的有源相控阵天线波束控制方法中，所述预设的通道幅相一致性补偿数据表存储在所述fpga波束控制软件的rom核中。
[0017]
进一步的，在上述基于稀疏阵列的有源相控阵天线波束控制方法中，所述波控码计算模块采用所述fpga波束控制软件中自带的ip核，利用定点、浮点计算相结合的方式进行计算。
[0018]
进一步的，在上述基于稀疏阵列的有源相控阵天线波束控制方法中，所述波控码计算模块采用虚位技术计算所述实时计算的波控码。
[0019]
进一步的，在上述基于稀疏阵列的有源相控阵天线波束控制方法中，所述tr组件信号控制模块采用6位数字式移相器确定tr组件的幅度和相位值；
[0020]
所述波控码计算模块采用虚位技术计算所述实时计算的波控码时，按照0.3516进行量化后四舍五入，变为10位波控码后只取前面6位作为所述tr组件的移相值。
[0021]
本发明的有益效果如下：
[0022]
本发明提出的一种基于稀疏阵列的有源相控阵天线波束控制方法，通过接收信号处理机传送过来的波束指向指令，在fpga中计算并控制t/r组件的幅度和相位值，完成稀疏阵列有源相控阵天线波束指向功能进一步的，本发明与现有技术相比，还具有以下优点：实时计算波控码时充分利用fpga工程软件中自带的ip核，利用定点、浮点计算相结合的方式提高计算速度和精度；采用三角排布的稀疏阵列，与传统的矩形排列相控阵相比，在不影响天线性能的情况下使用了更少的单元数，并且降低了系统成本、减少了系统热耗，在大型相控阵单元中有明显优势。
附图说明
[0023]
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一个实施例，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的附图：
[0024]
图1为本发明一实施例提供的一种基于稀疏阵列的有源相控阵天线波束控制方法的流程图；
[0025]
图2为本发明一实施例提供的fpga波束控制软件的信号处理过程图；
[0026]
图3为本发明一实施例提供的三角排布的稀疏阵列天线分布示意图；
[0027]
图4为本发明一实施例提供的采用fpga软件自带的ip核计算目标波控码的计算过程图。
具体实施方式
[0028]
以下结合附图1～4和具体实施方式对本发明提出的基于稀疏阵列的有源相控阵天线波束控制方法、电子设备及可读存储介质作进一步详细说明。根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。需要说明的是，附图采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施方式的目的。为了使本发明的目的、特征和优点能够更加明显易懂，请参阅附图。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。
[0029]
本发明的核心思想在于提供一种基于稀疏阵列的有源相控阵天线波束控制方法，通过接收信号处理机传送过来的波束指向指令，在fpga中计算并控制tr组件的幅度和相位值，完成稀疏阵列有源相控阵天线波束指向功能。因此，本发明采用fpga波束控制软件实现，所述fpga波束控制软件包括rs422接收模块、通信解码模块、波控码计算模块及tr组件信号控制模块。优选的，所述fpga波束控制软件是以ise平台的fpga软件实现的，更优选的，所述的fpga为xilinx的xc7k325t。
[0030]
如图1所示，本发明提供的一种基于稀疏阵列的有源相控阵天线波束控制方法，包括如下步骤：
[0031]
步骤s100，所述rs422接收模块接收信号处理机传送过来的波束指向指令。
[0032]
在本发明的优选实施例中，所述rs422接收模块采用rs422串行异步全双工通讯方式，接收来自信号处理机的通信数据信息，通讯波特率为5mbps，偶校验，并以此为例，结合图2详细阐述本发明的波束控制方法。所述信号处理机例如为数字信号处理器(digital signal processing，dsp)。
[0033]
步骤s200，所述通信解码模块按照通信协议从所述波束指向指令中解析出目标信息，包括波束指向的角度、频点号。
[0034]
在本发明的优选实施例中，所述的解码模块按照通信协议解出所需的目标信息，包括波束指向的角度(包括方位角俯仰角θ)、频点号f
d
以及发射或接收信息等。
[0035]
步骤s300，所述波控码计算模块实时计算各阵列单元相对于一基准单元的相位差量化得到实时计算的波控码，并结合各通道幅相一致性补偿数据计算得到最终的目标波控码。
[0036]
在本发明的优选实施例中，最终的目标波控码包含阵列单元相对于某基准单元的相位差量化得到的波控码及各通道间幅相一致性补偿数据之和，所述阵列单元相位差由
fpga波束控制软件的波控码计算模块实时计算所得，所述各通道幅相一致性补偿数据从预设的通道幅相一致性补偿数据表中查表得到。所述预设的通道幅相一致性补偿数据表存储在所述fpga波束控制软件的rom核中，根据需要实时读取。
[0037]
其中，当稀疏阵列天线排列方式为矩形阵列排布时，所述阵列单元相位差按照以下正弦空间内二维相控阵波控码计算原理计算得到：
[0038]
根据相控阵雷达技术原理，对于m行n列的平面相控阵天线来说，阵列中位于第m行第n列的单元相对于第(0,0)单元(即基准单元)的相位差为：
[0039]
c(m，n)＝makd1u+nakd2v，m＝0,1,
…
,m-1，n＝0,1,
…
,n-1。
[0040]
其中，所述的a＝-180/π，k＝2π/λ，v＝sinθ，d1、d2分别为相邻阵列单元之间的行、列间距，m、n分别为平面相控阵的行数、列数。
[0041]
在本发明的优选实施例中，令阵列中奇数行单元为一个矩形阵列，其阵列单元相位差为c1(m，n)＝makd1u+nakd2v，那么偶数行单元的阵列单元相位差可以表示为c2(m，n)＝c1(m，n)+δ，其中δ＝mak(d1/2)u+nak(d2/2)v。
[0042]
对于k位数字式移相器，波束控制信号只提供二进制信号。在本发明的优选实施例中，数字移相器为6位，即最小移相量为2π/26，因此通过阵列单元相位差量化得到实时计算的波控码b为c1(m，n)或c2(m，n)对360求模并除以5.625之后取整的结果。
[0043]
在上述计算过程中，其中阵列单元位置与tr组件通道对应关系存储在fpga波束控制软件的rom核中，对tr组件配相时要遍历所有通道，实时读取所对应的阵列单元位置(m,n)，并实时计算各组件通道对应阵列单元的波控码。
[0044]
其中，所述的通道幅相一致性补偿数据表包含不同频点下的补偿数据，所述波控码计算模块根据所述目标信息中的频点号从所述预设的通道幅相一致性补偿数据表中查找该频点对应的补偿数据。
[0045]
在本发明的优选实施例中，所述的通道幅相一致性补偿数据为测得的该通道幅相值相对于一基准通道幅相值之差，幅度校准值最小单位为0.5，相位校准值最小单位为5.625，均用6位二进制数值表示，与数字移相器位数保持一致。
[0046]
优选的，为不影响天线性能并且使用更少的单元数，基于稀疏阵列的有源相控阵天线的排列方式采用三角排布，在计算实时计算的波控码时，所述波控码计算模块将三角排布等效为矩形阵列排布。阵列三角排布如图3所示，将三角排布的稀疏阵列天线等效为矩形阵列排布的方式，可以更简单方便的计算得到各阵列单元对应的波控码。
[0047]
优选的，所述波控码计算模块采用所述fpga波束控制软件中自带的ip核，利用定点、浮点计算相结合的方式进行计算，提高计算速度和精度。
[0048]
fpga软件中的计算通常为定点数计算，且除法计算延时较大，本发明采用所述fpga波束控制软件中自带的floating-point和cordic ip核，利用定点、浮点计算相结合的方式可以提高计算速度和精度。
[0049]
在本发明的优选实施例中，用定点、浮点计算相结合的方法计算akd1u、akd2v以及δ，其结果输出为定点数表示。其中，计算过程如图4所示，为提高精度，信号处理机dsp传入的波束指向为扩大了100倍的角度值。
[0050]
其中，所述的floating-point ip核可选延迟时钟个数，在本发明的优选实施例中，延迟设为1个时钟，本发明中采用的是50mhz的时钟，故延迟为0.02us。
[0051]
其中，所述的cordic ip核用来计算三角函数值，在本发明的优选实施例中，其输入为32位数据，包括3位整数位和29位小数位，其输出为32位数据，包括2位整数位和30位小数位，应用时需格外注意。所述的cordic ip核在32位输入数据的情况下延迟时钟个数为36个时钟，本发明中采用的是50mhz的时钟，故延迟为0.72us。
[0052]
由此，所述波控码计算模块采用所述fpga波束控制软件中自带的ip核，利用定点、浮点计算相结合的方式进行计算所用时间为0.89us。
[0053]
优选地，所述波控码计算模块采用虚位技术计算所述实时计算的波控码，提高波束指向(差波束)的一致性。
[0054]
在本发明的优选实施例中，采用的是6位数字式移相器，计算时按照0.3516(360/2
10
)进行量化后四舍五入，变为10位波控码后只取前面6位作为tr组件移相值。
[0055]
其中，所述的先按照10位量化，具体计算方式为：阵列单元相位差除以0.3516，可以等效为阵列单元相位差除以8192再乘以23299，实施方式为阵列单元相位差先用乘法器计算乘以23299，再截掉低13位，即完成除以0.3516的操作。
[0056]
在本发明的优选实施例中，最终采用的是6位数字式移相器，因此上述计算结果还需截掉低4位。
[0057]
步骤s400，所述tr组件信号控制模块根据所述目标波控码确定tr组件的幅度和相位值，以完成稀疏阵列有源相控阵天线的波束指向功能。
[0058]
在本发明的优选实施例中，所述tr组件信号控制模块采用6位数字式移相器对所述目标波控码进行处理，得到tr组件的幅度和相位值。
[0059]
综上所述，本发明所提供的基于稀疏阵列的有源相控阵天线波束控制方法，通过接收信号处理机传送过来的波束指向指令，在fpga中计算并控制t/r组件的幅度和相位值，完成稀疏阵列有源相控阵天线波束指向功能。进一步的，本发明与现有技术相比，还具有以下优点：
[0060]
1、传统的有源相控阵天线波束控制系统多为dsp完成复杂计算，fpga只进行简单的乘加计算，本发明实时计算波控码时充分利用fpga工程软件中自带的ip核，利用定点、浮点计算相结合的方式提高计算速度和精度实时；
[0061]
2、传统相控阵多为矩形排列方式，本发明是针对三角排布的稀疏阵列进行波束控制，在不影响天线性能的情况下使用了更少的单元数，并且降低了系统成本、减少了系统热耗，在大型相控阵单元中有明显优势。
[0062]
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
[0063]
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。