數(shù)字波束形成子陣間的同步方法
【專利摘要】本發(fā)明提出的一種數(shù)字波束形成子陣間的同步方法，旨在提供一種簡單可靠、耗費(fèi)硬件資源小,能夠消除數(shù)字波束形成子陣間隨機(jī)相位的方法。本發(fā)明通過下述技術(shù)方案予以實現(xiàn)：在對多波束形成陣列所有信道進(jìn)行幅相校正前，先對各個多波束形成子陣做標(biāo)校同步，利用標(biāo)校同步獲取各個波束形成子陣直接數(shù)字合成器DDS的初始相位；在對多波束形成陣列所有信道進(jìn)行幅相校正后，各個信道校正相位包含對上述多波束形成子陣DDS的初始相位的補(bǔ)償；在數(shù)字多波束系統(tǒng)重新啟動加電后，重新對各個多波束形成子陣做標(biāo)校同步，利用標(biāo)校同步獲取各個多波束形成子陣DDS的此次加電的相位變化值，將該相位變化值補(bǔ)償?shù)綄?yīng)各個信道。本發(fā)明消除了數(shù)字波束形成子陣間隨機(jī)相位。
【專利說明】數(shù)字波束形成子陣間的同步方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及航天測控領(lǐng)域中一種測控體制的數(shù)字波束形成子陣間的同步方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 數(shù)字波束形成技術(shù)被視為新一代雷達(dá)所必須采用的技術(shù)，它保留了天線陣列單元 信號的全部信息，并可采用先進(jìn)的數(shù)字信號處理技術(shù)對陣列信號進(jìn)行處理，可以獲得優(yōu)良 的波束性能，方便地得到超分辨和低副瓣的性能，實現(xiàn)波束掃描、自校準(zhǔn)和自適應(yīng)波束形成 等。數(shù)字波束形成技術(shù)的工程化過程中，遇到的問題主要包括：數(shù)據(jù)傳輸量太大，較多的陣 元數(shù)限制了信道的增加；來波方向估計和權(quán)值更新計算量大，使得權(quán)值更新速度比較慢，無 法在一些高速運(yùn)動的載體上使用。當(dāng)陣列數(shù)較多時，高速實時波束形成器的復(fù)乘運(yùn)算耗費(fèi) 較多的資源，尤其是需要形成多個波束的情況下?，F(xiàn)有技術(shù)DBF系統(tǒng)就遇到數(shù)據(jù)傳輸瓶頸 問題，采樣數(shù)據(jù)只能通過PCI總線進(jìn)行傳輸，無法保證所有信道的數(shù)據(jù)都實時傳輸，因而只 能做需求數(shù)據(jù)較少的測向工作，并不能做實時波束形成。為了實現(xiàn)所有信道的同步，采集 板均工作在外部信號觸發(fā)模式，外部采樣時鐘完全同步。來波方向估計和權(quán)值更新計算由 DSP權(quán)值計算板完成，運(yùn)算需要的每個信道數(shù)據(jù)量通常并不大，ICS554將測向所需數(shù)據(jù)通 過PCI總線傳送給DSP權(quán)值計算板；FPGA波束形成板要實現(xiàn)全陣的波束形成，就要對每個 信道的數(shù)據(jù)復(fù)加權(quán)求和，得到最終所需的波束，因而需要傳輸數(shù)據(jù)量很大，4塊ICS554通過 LVDS將高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)紽PGA波束形成板；權(quán)值由DSP權(quán)值計算板計算完成后，通過自定義 的串口通信發(fā)送到FPGA波束形成板。波束的形成，其實就是對A/D變換后數(shù)字信號進(jìn)行幅 度和相位加權(quán)，波束的特性如波束指向、副瓣電平、主瓣寬度等完全由權(quán)值決定。權(quán)值計算 主要考慮兩方面的因素，首先要對各信道進(jìn)行幅相校準(zhǔn)，克服各信道不一致和互耦的影響， 然后實現(xiàn)空域濾波，完成希望的波束指向。全空域電掃多目標(biāo)測控系統(tǒng)是為了更好的滿足 衛(wèi)星編隊飛行、空間站交會對接、虛擬衛(wèi)星等多目標(biāo)復(fù)雜航天任務(wù)任務(wù)而提出的一種具備 多目標(biāo)運(yùn)行管理、多目標(biāo)同時測控支持能力的新形測控體制。在全空域電掃多目標(biāo)測控系 統(tǒng)中由于陣元數(shù)目巨大（從幾千至上萬個），其信號的數(shù)字波束形成往往需要由多個數(shù)字 波束形成子陣處理單元組成，每個獨(dú)立的數(shù)字波束子陣處理單元處理一部分陣元的信號。 數(shù)字波束形成的一個核心就能對每一路信號進(jìn)行采樣，并能對采樣后的信號的相位按需要 進(jìn)行調(diào)整。在數(shù)字信號處理板卡中為了調(diào)整信號相位，需要使用內(nèi)置直接數(shù)字合成器DDS 產(chǎn)生混頻信號。這就導(dǎo)致一個問題，DDS產(chǎn)生的信號的相位隨每次對信號處理板卡重新加 電而隨機(jī)變化，因此數(shù)字波束形成子陣間就存在一個隨機(jī)相位，如果無法消除該隨機(jī)變化 的相位則信號的數(shù)字波束形成就無法實現(xiàn)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的是針對上述數(shù)字波束形成技術(shù)存在的問題，提供一種簡單可靠、耗 費(fèi)硬件資源小，能夠消除數(shù)字波束形成子陣間隨機(jī)相位的方法。
[0004] 本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：一種數(shù)字波束形成子陣間的同步方 法，其特征在于包括如下步驟：在對波束形成陣列所有信道進(jìn)行幅相校正前，先對各個多波 束形成子陣做標(biāo)校同步，利用標(biāo)校同步獲取各個波束形成子陣直接數(shù)字合成器DDS的初始 相位；在對多波束形成陣列所有信道進(jìn)行幅相校正后，各個信道校正相位包含對上述多波 束形成子陣DDS的初始相位的補(bǔ)償；在數(shù)字多波束系統(tǒng)重新啟動加電后，重新對各個多波 束形成子陣做標(biāo)校同步，利用標(biāo)校同步獲取各個多波束形成子陣DDS的此次加電的相位變 化值，將該相位變化值補(bǔ)償?shù)綄?yīng)各個信道；利用多波束形成子陣DDS的初始相位值與每 次開關(guān)機(jī)重新加電后多波束形成子陣DDS的隨機(jī)相位值，得到每個多波束形成子陣DDS的 相位變化值Δ 0,并利用Δ 0抵消每次設(shè)備重新加電后設(shè)備相位的隨機(jī)變化，完成數(shù)字多波 束形成子陣的同步。
[0005] 本發(fā)明的有益效果是： 提高了可靠性。本發(fā)明巧妙的利用了多波束形成子陣DDS的初始相位值與每次開關(guān)機(jī) 重新加電后多波束形成子陣DDS的隨機(jī)相位值，得到每個波束形成子陣DDS的相位變化值 Λ 0，并利用Δ0抵消每次設(shè)備重新加電后設(shè)備相位的隨機(jī)變化，完成數(shù)字多波束形成子陣 的同步，滿足了數(shù)字多波束形成系統(tǒng)應(yīng)用的需求。消除了數(shù)字波束形成子陣間隨機(jī)相位。解 決了測控系統(tǒng)中數(shù)字波束形成子陣間的同步問題。
[0006] 實現(xiàn)簡單、資源占用較少。利用本發(fā)明不需要復(fù)雜電路，實現(xiàn)方法比較簡單。不需 要在設(shè)備加電后對每個陣元信道進(jìn)行重新校正，只需要對單獨(dú)每個數(shù)字多波束子陣進(jìn)行開 機(jī)同步標(biāo)校，數(shù)字多波束子陣數(shù)目一般比陣元數(shù)目低兩個數(shù)量級，因此使用該方法耗費(fèi)時 間不到原有耗費(fèi)時間的百分之一。
[0007] 降低了成本。由于信道標(biāo)校設(shè)備是數(shù)字波束系統(tǒng)必須使用的設(shè)備，而本發(fā)明利用 原有設(shè)備，不增加附加硬件，完成數(shù)字多波束形成子陣間的同步，不需要額外增加設(shè)備量和 使用額外的硬件，節(jié)省了硬件資源和硬件成本。
[0008] 本發(fā)明操作簡便快捷，便于自動化設(shè)計。備開機(jī)加電后只做數(shù)字波束形成子陣同 步而不需要做所有陣元的標(biāo)校工作，節(jié)省大量時間。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0009] 下面結(jié)合附圖和實施實例對本發(fā)明進(jìn)一步說明。
[0010] 圖1是數(shù)字波束形成處理示意圖。
[0011] 圖2是數(shù)字多波束形成系統(tǒng)標(biāo)校示意圖。
[0012] 圖3是本發(fā)明數(shù)字多波束形成子陣間的同步示意圖。

【具體實施方式】
[0013] 參閱圖1。在波束形成陣列中，數(shù)字多波束形成子陣1 (DDS01 )…數(shù)字多波束 形成子陣n (DDS0n)將所有信道陣元信號1 (Θ11)…陣元信號lm (θ?ηι)、···、陣元信號 1η (θη? )…陣元信號nm (θηηι)通過高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)浆F(xiàn)場可編程門陣列FPGA波束形成板； 波束形成的權(quán)值由直接數(shù)字合成器DSP權(quán)值計算板計算完成后，通過自定義的串口通信發(fā) 送到FPGA波束形成板。根據(jù)本發(fā)明，在使用信道標(biāo)校設(shè)備對波束形成陣列所有信道進(jìn)行幅 相校正前，先對各個波束形成子陣做標(biāo)校同步，利用標(biāo)校同步獲取各個波束形成子陣直接 數(shù)字合成器DDS的初始相位；在對多波束形成陣列所有信道進(jìn)行幅相校正后，各個信道校 正相位包含對上述多波束形成子陣DDS的初始相位的補(bǔ)償；在數(shù)字多波束系統(tǒng)重新啟動加 電后，重新對各個多波束形成子陣做標(biāo)校同步，利用標(biāo)校同步獲取各個多波束形成子陣DDS 的此次加電的相位變化值，將該相位變化值補(bǔ)償?shù)綄?yīng)各個信道。保證設(shè)備每次重新加電 后各個陣元信道相位補(bǔ)償一致性，確保波束形成有效。利用多波束形成子陣DDS的初始相 位值與每次開關(guān)機(jī)重新加電后多波束形成子陣DDS的隨機(jī)相位值，得到每個波束形成子陣 DDS的相位變化值Δ 0，并利用.Λ 0抵消每次設(shè)備重新加電后設(shè)備相位的隨機(jī)變化，完成數(shù) 字多波束形成子陣的同步。
[0014] 參閱圖2。數(shù)字波束系統(tǒng)信道標(biāo)校時，數(shù)字多波束信道1 (01)…數(shù)字多波束信道 nm (0nm)通過信道標(biāo)校設(shè)備進(jìn)行標(biāo)校。標(biāo)校后對系統(tǒng)的Lk信道的標(biāo)校值為該信道信號相 位值：eLk+0 L，信道標(biāo)校設(shè)備重新加電后Lk信道相位變化為：eLk+0# Δ 0L。加電后數(shù)字 多波束形成子陣同步如圖3所示，可通過子陣同步后得到Lk信道相位變化A0 L，通過軟件 加載該相位變化A 0L后，系統(tǒng)的Lk信道的相位標(biāo)校值對應(yīng)變化為：eU+0L+ Δ 0L。因此通 過數(shù)字多波束形成子陣同步，可保證數(shù)字波束形成系統(tǒng)重新加電后，設(shè)備正常工作。
【權(quán)利要求】
1. 一種數(shù)字波束形成子陣間的同步方法，其特征在于包括如下步驟：在對多波束形成 陣列所有信道進(jìn)行幅相校正前，先對各個多波束形成子陣做標(biāo)校同步，利用標(biāo)校同步獲取 各個波束形成子陣直接數(shù)字合成器DDS的初始相位；在對多波束形成陣列所有信道進(jìn)行 幅相校正后，各個信道校正相位包含對上述多波束形成子陣DDS的初始相位的補(bǔ)償；在數(shù) 字多波束系統(tǒng)重新啟動加電后，重新對各個多波束形成子陣做標(biāo)校同步，利用標(biāo)校同步獲 取各個多波束形成子陣DDS的此次加電的相位變化值，將該相位變化值補(bǔ)償?shù)綄?yīng)各個信 道；利用多波束形成子陣DDS的初始相位值與每次開關(guān)機(jī)重新加電后多波束形成子陣DDS 的隨機(jī)相位值，得到每個多波束形成子陣DDS的相位變化值Δ 0，并利用Δ 0抵消每次設(shè)備 重新加電后設(shè)備相位的隨機(jī)變化，完成數(shù)字多波束形成子陣的同步。
2. 按權(quán)利要求1所述的數(shù)字波束形成子陣間的同步方法，其特征在于：在波束形成陣 列中，數(shù)字多波束形成子陣1 (DDS01 )…數(shù)字多波束形成子陣n (DDS0n)將所有信道陣 元信號1 (01)…陣元信號lm (0m)、陣元信號In (0nl)…陣元信號nm (0nm) 4通過高 速數(shù)據(jù)傳輸?shù)浆F(xiàn)場可編程門陣列FPGA波束形成板；形成波束的權(quán)值由DSP權(quán)值計算板計算 完成后，通過自定義的串口通信發(fā)送到FPGA波束形成板按權(quán)利要求2所述的數(shù)字波束形成 子陣間的同步方法，其特征在于：數(shù)字波束系統(tǒng)信道標(biāo)校時，數(shù)字多波束形成子陣1 ( 01 )、 數(shù)字多波束信道m(xù) ( 0m)…數(shù)字多波束信道nl (0nl )、數(shù)字多波束信道nm (0nm)通過信 道標(biāo)校設(shè)備進(jìn)行標(biāo)校。
3. 按權(quán)利要求1所述的數(shù)字波束形成子陣間的同步方法，其特征在于：標(biāo)校后對系統(tǒng) 的第Lk陣元信號通道的標(biāo)校值為該信道信號相位值：eL k+0L，信道標(biāo)校設(shè)備重新加電后Lk 信道相位變化為：eu+0i+Δ 0L。
4. 其中：θ"是系統(tǒng)的第Lk陣元信號通道的待修正相位，0L是第L個波束形成子陣在 通道校正時的直接數(shù)字合成器DDS的初始相位，Δ 0L是第L個波束形成子陣重新加電后直 接數(shù)字合成器DDS的初始相位偏離量。
5. 按權(quán)利要求1所述的數(shù)字波束形成子陣間的同步方法，其特征在于：子陣同步后得 到Lk信道相位變化A 0L，通過軟件加載該相位變化Δ 0L后，Lk信道的相位標(biāo)校值對應(yīng)變化 為：ΘΙ^ 十0L十 Δ 0L。
【文檔編號】G01S7/02GK104090267SQ201410238503
【公開日】2014年10月8日 申請日期:2014年5月30日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月30日
【發(fā)明者】王文政 申請人:中國電子科技集團(tuán)公司第十研究所