数字波束形成子阵间的同步方法
【专利摘要】本发明提出的一种数字波束形成子阵间的同步方法，旨在提供一种简单可靠、耗费硬件资源小,能够消除数字波束形成子阵间随机相位的方法。本发明通过下述技术方案予以实现：在对多波束形成阵列所有信道进行幅相校正前，先对各个多波束形成子阵做标校同步，利用标校同步获取各个波束形成子阵直接数字合成器DDS的初始相位；在对多波束形成阵列所有信道进行幅相校正后，各个信道校正相位包含对上述多波束形成子阵DDS的初始相位的补偿；在数字多波束系统重新启动加电后，重新对各个多波束形成子阵做标校同步，利用标校同步获取各个多波束形成子阵DDS的此次加电的相位变化值，将该相位变化值补偿到对应各个信道。本发明消除了数字波束形成子阵间随机相位。
【专利说明】数字波束形成子阵间的同步方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及航天测控领域中一种测控体制的数字波束形成子阵间的同步方法。
【背景技术】
[0002] 数字波束形成技术被视为新一代雷达所必须采用的技术，它保留了天线阵列单元 信号的全部信息，并可采用先进的数字信号处理技术对阵列信号进行处理，可以获得优良 的波束性能，方便地得到超分辨和低副瓣的性能，实现波束扫描、自校准和自适应波束形成 等。数字波束形成技术的工程化过程中，遇到的问题主要包括：数据传输量太大，较多的阵 元数限制了信道的增加；来波方向估计和权值更新计算量大，使得权值更新速度比较慢，无 法在一些高速运动的载体上使用。当阵列数较多时，高速实时波束形成器的复乘运算耗费 较多的资源，尤其是需要形成多个波束的情况下。现有技术DBF系统就遇到数据传输瓶颈 问题，采样数据只能通过PCI总线进行传输，无法保证所有信道的数据都实时传输，因而只 能做需求数据较少的测向工作，并不能做实时波束形成。为了实现所有信道的同步，采集 板均工作在外部信号触发模式，外部采样时钟完全同步。来波方向估计和权值更新计算由 DSP权值计算板完成，运算需要的每个信道数据量通常并不大，ICS554将测向所需数据通 过PCI总线传送给DSP权值计算板；FPGA波束形成板要实现全阵的波束形成，就要对每个 信道的数据复加权求和，得到最终所需的波束，因而需要传输数据量很大，4块ICS554通过 LVDS将高速数据传输到FPGA波束形成板；权值由DSP权值计算板计算完成后，通过自定义 的串口通信发送到FPGA波束形成板。波束的形成，其实就是对A/D变换后数字信号进行幅 度和相位加权，波束的特性如波束指向、副瓣电平、主瓣宽度等完全由权值决定。权值计算 主要考虑两方面的因素，首先要对各信道进行幅相校准，克服各信道不一致和互耦的影响， 然后实现空域滤波，完成希望的波束指向。全空域电扫多目标测控系统是为了更好的满足 卫星编队飞行、空间站交会对接、虚拟卫星等多目标复杂航天任务任务而提出的一种具备 多目标运行管理、多目标同时测控支持能力的新形测控体制。在全空域电扫多目标测控系 统中由于阵元数目巨大（从几千至上万个），其信号的数字波束形成往往需要由多个数字 波束形成子阵处理单元组成，每个独立的数字波束子阵处理单元处理一部分阵元的信号。 数字波束形成的一个核心就能对每一路信号进行采样，并能对采样后的信号的相位按需要 进行调整。在数字信号处理板卡中为了调整信号相位，需要使用内置直接数字合成器DDS 产生混频信号。这就导致一个问题，DDS产生的信号的相位随每次对信号处理板卡重新加 电而随机变化，因此数字波束形成子阵间就存在一个随机相位，如果无法消除该随机变化 的相位则信号的数字波束形成就无法实现。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的是针对上述数字波束形成技术存在的问题，提供一种简单可靠、耗 费硬件资源小，能够消除数字波束形成子阵间随机相位的方法。
[0004] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种数字波束形成子阵间的同步方 法，其特征在于包括如下步骤：在对波束形成阵列所有信道进行幅相校正前，先对各个多波 束形成子阵做标校同步，利用标校同步获取各个波束形成子阵直接数字合成器DDS的初始 相位；在对多波束形成阵列所有信道进行幅相校正后，各个信道校正相位包含对上述多波 束形成子阵DDS的初始相位的补偿；在数字多波束系统重新启动加电后，重新对各个多波 束形成子阵做标校同步，利用标校同步获取各个多波束形成子阵DDS的此次加电的相位变 化值，将该相位变化值补偿到对应各个信道；利用多波束形成子阵DDS的初始相位值与每 次开关机重新加电后多波束形成子阵DDS的随机相位值，得到每个多波束形成子阵DDS的 相位变化值Δ 0,并利用Δ 0抵消每次设备重新加电后设备相位的随机变化，完成数字多波 束形成子阵的同步。
[0005] 本发明的有益效果是： 提高了可靠性。本发明巧妙的利用了多波束形成子阵DDS的初始相位值与每次开关机 重新加电后多波束形成子阵DDS的随机相位值，得到每个波束形成子阵DDS的相位变化值 Λ 0，并利用Δ0抵消每次设备重新加电后设备相位的随机变化，完成数字多波束形成子阵 的同步，满足了数字多波束形成系统应用的需求。消除了数字波束形成子阵间随机相位。解 决了测控系统中数字波束形成子阵间的同步问题。
[0006] 实现简单、资源占用较少。利用本发明不需要复杂电路，实现方法比较简单。不需 要在设备加电后对每个阵元信道进行重新校正，只需要对单独每个数字多波束子阵进行开 机同步标校，数字多波束子阵数目一般比阵元数目低两个数量级，因此使用该方法耗费时 间不到原有耗费时间的百分之一。
[0007] 降低了成本。由于信道标校设备是数字波束系统必须使用的设备，而本发明利用 原有设备，不增加附加硬件，完成数字多波束形成子阵间的同步，不需要额外增加设备量和 使用额外的硬件，节省了硬件资源和硬件成本。
[0008] 本发明操作简便快捷，便于自动化设计。备开机加电后只做数字波束形成子阵同 步而不需要做所有阵元的标校工作，节省大量时间。
【专利附图】
【附图说明】
[0009] 下面结合附图和实施实例对本发明进一步说明。
[0010] 图1是数字波束形成处理示意图。
[0011] 图2是数字多波束形成系统标校示意图。
[0012] 图3是本发明数字多波束形成子阵间的同步示意图。
【具体实施方式】
[0013] 参阅图1。在波束形成阵列中，数字多波束形成子阵1 (DDS01 )…数字多波束 形成子阵n (DDS0n)将所有信道阵元信号1 (Θ11)…阵元信号lm (θ?ηι)、···、阵元信号 1η (θη? )…阵元信号nm (θηηι)通过高速数据传输到现场可编程门阵列FPGA波束形成板； 波束形成的权值由直接数字合成器DSP权值计算板计算完成后，通过自定义的串口通信发 送到FPGA波束形成板。根据本发明，在使用信道标校设备对波束形成阵列所有信道进行幅 相校正前，先对各个波束形成子阵做标校同步，利用标校同步获取各个波束形成子阵直接 数字合成器DDS的初始相位；在对多波束形成阵列所有信道进行幅相校正后，各个信道校 正相位包含对上述多波束形成子阵DDS的初始相位的补偿；在数字多波束系统重新启动加 电后，重新对各个多波束形成子阵做标校同步，利用标校同步获取各个多波束形成子阵DDS 的此次加电的相位变化值，将该相位变化值补偿到对应各个信道。保证设备每次重新加电 后各个阵元信道相位补偿一致性，确保波束形成有效。利用多波束形成子阵DDS的初始相 位值与每次开关机重新加电后多波束形成子阵DDS的随机相位值，得到每个波束形成子阵 DDS的相位变化值Δ 0，并利用.Λ 0抵消每次设备重新加电后设备相位的随机变化，完成数 字多波束形成子阵的同步。
[0014] 参阅图2。数字波束系统信道标校时，数字多波束信道1 (01)…数字多波束信道 nm (0nm)通过信道标校设备进行标校。标校后对系统的Lk信道的标校值为该信道信号相 位值：eLk+0 L，信道标校设备重新加电后Lk信道相位变化为：eLk+0# Δ 0L。加电后数字 多波束形成子阵同步如图3所示，可通过子阵同步后得到Lk信道相位变化A0 L，通过软件 加载该相位变化A 0L后，系统的Lk信道的相位标校值对应变化为：eU+0L+ Δ 0L。因此通 过数字多波束形成子阵同步，可保证数字波束形成系统重新加电后，设备正常工作。
【权利要求】
1. 一种数字波束形成子阵间的同步方法，其特征在于包括如下步骤：在对多波束形成 阵列所有信道进行幅相校正前，先对各个多波束形成子阵做标校同步，利用标校同步获取 各个波束形成子阵直接数字合成器DDS的初始相位；在对多波束形成阵列所有信道进行 幅相校正后，各个信道校正相位包含对上述多波束形成子阵DDS的初始相位的补偿；在数 字多波束系统重新启动加电后，重新对各个多波束形成子阵做标校同步，利用标校同步获 取各个多波束形成子阵DDS的此次加电的相位变化值，将该相位变化值补偿到对应各个信 道；利用多波束形成子阵DDS的初始相位值与每次开关机重新加电后多波束形成子阵DDS 的随机相位值，得到每个多波束形成子阵DDS的相位变化值Δ 0，并利用Δ 0抵消每次设备 重新加电后设备相位的随机变化，完成数字多波束形成子阵的同步。
2. 按权利要求1所述的数字波束形成子阵间的同步方法，其特征在于：在波束形成阵 列中，数字多波束形成子阵1 (DDS01 )…数字多波束形成子阵n (DDS0n)将所有信道阵 元信号1 (01)…阵元信号lm (0m)、阵元信号In (0nl)…阵元信号nm (0nm) 4通过高 速数据传输到现场可编程门阵列FPGA波束形成板；形成波束的权值由DSP权值计算板计算 完成后，通过自定义的串口通信发送到FPGA波束形成板按权利要求2所述的数字波束形成 子阵间的同步方法，其特征在于：数字波束系统信道标校时，数字多波束形成子阵1 ( 01 )、 数字多波束信道m ( 0m)…数字多波束信道nl (0nl )、数字多波束信道nm (0nm)通过信 道标校设备进行标校。
3. 按权利要求1所述的数字波束形成子阵间的同步方法，其特征在于：标校后对系统 的第Lk阵元信号通道的标校值为该信道信号相位值：eL k+0L，信道标校设备重新加电后Lk 信道相位变化为：eu+0i+Δ 0L。
4. 其中：θ"是系统的第Lk阵元信号通道的待修正相位，0L是第L个波束形成子阵在 通道校正时的直接数字合成器DDS的初始相位，Δ 0L是第L个波束形成子阵重新加电后直 接数字合成器DDS的初始相位偏离量。
5. 按权利要求1所述的数字波束形成子阵间的同步方法，其特征在于：子阵同步后得 到Lk信道相位变化A 0L，通过软件加载该相位变化Δ 0L后，Lk信道的相位标校值对应变化 为：ΘΙ^ 十0L十 Δ 0L。
【文档编号】G01S7/02GK104090267SQ201410238503
【公开日】2014年10月8日 申请日期:2014年5月30日 优先权日:2014年5月30日
【发明者】王文政 申请人:中国电子科技集团公司第十研究所