一种雷达共形阵相控阵波控码计算方法与流程

本发明涉及雷达信号处理的技术领域，尤其涉及一种雷达共形阵相控阵波控码计算方法。

背景技术：

波束控制系统的主要功能是计算阵面上每个阵元移相器的移相量，波控系统的设计结构较多，按照波束控制的算法，可以分为查表法及实时解算法。查表法一般采用全硬件的设计方法，适用于系统简单，功能单一，指向角较少，指向精度要求不高的场合，其优点是系统简单，可靠性高，成本低，缺点是随着阵元数目的增加和指向角的增多，存储的数据量大大增加，故难以实现大型阵列高指向精度和复杂工作模式的场合；实时计算法需要同时计算轴向配相和径向配相，其中径向配相存在乘法和除法，在fpga实现比较困难，同时占用逻辑资源较大，硬件实现较为困难。那么，如何在大型阵列高指向精度和复杂工作模式的场合实现快速波束控制、高可靠性等性能是我们亟待解决的问题。

技术实现要素：

本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。

鉴于上述现有存在的问题，提出了本发明。

因此，本发明解决的技术问题是：硬件或逻辑资源消耗大，功能单一，指向角少且波束指向精度低，可靠性低。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：基于共形线阵及三角线阵的配相方案得到共形面阵的配相，在matlab中完成径向配相的计算，并将计算结果存储在现场可编程逻辑门阵列中；根据阵列中与参考点的相对位置通过在现场可编程逻辑门阵列中调用乘法器完成轴向配相的计算；读取出存储在所述现场可编程逻辑门阵列中的对应某一波束指向的径向配相，同时读取出预先设置好的校正相位，将所述径向配相、所述轴向配相和所述校正相位三项相加得到所述相对位置的阵元的波控码。

作为本发明所述的雷达共形阵相控阵波控码计算方法的一种优选方案，其中：所述共形面阵的配相包括，径向上，定义阵列为32个共形线阵，所述线阵的导向矢量为vecconf，所述线阵的阵元根据所述共形线阵的配相方案配相，使所述32个共形线阵全部偏转角度，即全部指向vecconf；轴向上，定义阵列为16个三角线阵，所述线阵的导向矢量为veclinear，根据所述三角线阵的配相方案配相，使线阵全部偏转，即全部指向veclinear；所述共形面阵在径向上，所述共形线阵均指向vecconf，轴向上，所述三角线阵均指向veclinear，两个矢量所在的平面相交于vecsteering所在直线，即所述共形面阵指向vecsteering，实现了所述共形面阵波束的控制。

作为本发明所述的雷达共形阵相控阵波控码计算方法的一种优选方案，其中：所述共形面阵的配相进一步包括，所述配相导向矢量的分解：

其中，表示导向矢量，、分别表示平面、的平面导向矢量，、表示角度。

作为本发明所述的雷达共形阵相控阵波控码计算方法的一种优选方案，其中：所述波束的形成包括，将要扫描的区域按照一定原则进行划分，在每个扫描分区中，以所述分区内统一的一级阵权值以及各扫描角下的二级阵列权值为变量，利用优化算法进行优化，用优化的权系数将对应扫描角下的阵元加权求和，输出即为所述扫描角下的波束图。

作为本发明所述的雷达共形阵相控阵波控码计算方法的一种优选方案，其中：所述优化算法包括，

其中，y表示优化系数，表示权系数，d表示阵元间距，表示一级阵列权值，表示二级阵列权值，l表示损失函数，表示步长。

作为本发明所述的雷达共形阵相控阵波控码计算方法的一种优选方案，其中：所述在matlab中完成径向配相的计算过程包括，定义0.1度为步进，一共计算k个波束指向角度，每个角度计算32个垂直于轴上同一平面上32个阵元的径向配相，即在matlab中完成k*32次径向配相的计算。

作为本发明所述的雷达共形阵相控阵波控码计算方法的一种优选方案，其中：所述阵元的相位包括，

其中，r表示观察方向。

作为本发明所述的雷达共形阵相控阵波控码计算方法的一种优选方案，其中：定义阵面上第(m,n)号阵元对于第（0,0）号单元的波控码包括，

其中，，为常数系数，remained(m,2)表示m除以2的余数，表示阵面上第(m,n)号单元的波程校正和移相器本身的校正之和，(m,n)表示相对位置坐标。

作为本发明所述的雷达共形阵相控阵波控码计算方法的一种优选方案，其中：所述共形面阵的相位包括，定义包含1024个阵元的共形面阵的相位为一个32*32的相位矩阵p。

本发明的有益效果：本发明提高了波束指向精度，降低了资源的消耗，波束指向角灵活，且计算速度和准确度都有所提高，可靠性高。

附图说明

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，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：

图1为本发明一个实施例提供的一种雷达共形阵相控阵波控码计算方法的基本流程示意图；

图2为本发明一个实施例提供的一种雷达共形阵相控阵波控码计算方法的计算流程示意图；

图3为本发明一个实施例提供的一种雷达共形阵相控阵波控码计算方法的共形面阵阵元排布示意图；

图4为本发明一个实施例提供的一种雷达共形阵相控阵波控码计算方法的等距线阵示意图；

图5为本发明一个实施例提供的一种雷达共形阵相控阵波控码计算方法的共形阵配相原理示意图；

图6为本发明一个实施例提供的一种雷达共形阵相控阵波控码计算方法的改进的共形阵配相原理示意图；

图7为本发明一个实施例提供的一种雷达共形阵相控阵波控码计算方法的配相导向矢量的分解示意图；

图8为本发明一个实施例提供的一种雷达共形阵相控阵波控码计算方法的共形面阵阵元编号规则示意图；

图9为本发明一个实施例提供的一种雷达共形阵相控阵波控码计算方法的三角阵阵元排布示意图

图10为本发明一个实施例提供的一种雷达共形阵相控阵波控码计算方法的共形线阵阵元排布示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明，显然所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明的保护的范围。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。

本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

同时在本发明的描述中，需要说明的是，术语中的“上、下、内和外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一、第二或第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

本发明中除非另有明确的规定和限定，术语“安装、相连、连接”应做广义理解，例如：可以是固定连接、可拆卸连接或一体式连接；同样可以是机械连接、电连接或直接连接，也可以通过中间媒介间接相连，也可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1

参照图1~8，为本发明的一个实施例，提供了一种雷达共形阵相控阵波控码计算方法，包括：

s1：基于共形线阵及三角线阵的配相方案得到共形面阵的配相，在matlab中完成径向配相的计算，并将计算结果存储在现场可编程逻辑门阵列（flash）中；需要说明的是，

共形面阵的配相包括，

如图3所示，共形面阵的导向矢量vecsteering位于面和面的交线上，共形面阵的配相可以分解为两个部分：径向上，定义阵列为32个共形线阵，线阵的导向矢量为vecconf，线阵的阵元根据共形线阵的配相方案配相，使32个线阵全部偏转角度，即全部指向vecconf；轴向上，定义阵列为16个三角线阵，线阵的导向矢量为veclinear，根据三角线阵的配相方案配相，使线阵全部偏转，即全部指向veclinear；

共形面阵在径向上，共形线阵均指向vecconf，轴向上，三角线阵均指向veclinear，两个矢量所在的平面相交于vecsteering所在直线，即共形面阵指向vecsteering，实现了共形面阵波束的控制。

其中，三角线阵的配相方案为（共形线阵的配相方案同理）：如图4所示，当线阵波束指向时，假设阵元1为线阵的参考相位(相位设为0)，阵元2，3，4…与阵元1所相差的空间相位差对应的长度即为，，…，为了抵消空间相位差，让阵元全部指向，则阵元的馈电相位则分别为：

对阵元间距均为d的等间距线阵，由几何关系得到阵元的配相为：

本实施例设计的共形阵列与常规的共形阵列结构并不完全相同，阵列阵元没有完全位于共形柱面上，因此配相原理也有所不同。为了简化分析，首先考虑如图5所示的六元共形阵列，参考线阵的配相原理，以阵元1为基准(相位为0)，当指向时，阵元2，3，4，5，6与阵元1所相差的空间相位差对应的长度即为：

则各阵元对应的馈电相位为：

由于几何关系的推导相对复杂，为了简化配相实现的难度，将参考点设在共形面阵的几何中心，即共形阵外接圆的圆心，如图6所示，当阵列指向角度时，每个阵元需要抵消的空间相位差对应的长度为每个阵元的位置矢量在导向矢量上的投影，所以，阵元的相位分别为：

其中，r表示观察方向。

其中，导向矢量为：

共形面阵的配相进一步包括，配相导向矢量的分解：

其中，表示导向矢量，、分别表示平面、的平面导向矢量，、表示角度,其分解图如图7所示。

基于本实施例设计的共形面阵的1024个阵元按上述配相方案进行配相，将阵元如图8编号，阵元(i,i)对应相位记为pi,i，则共形面阵的相位可以表示为一个32*32的相位矩阵p，阵元先按共形线阵的配相，所有线阵指向vecconf，此时p为：

其中，代表veci在vecsteering上的投影：

再按照三角线阵的配相对1024个阵元进行配相，让所有三角线阵指向veclinear，将vecsteering简记为vecs，此时相位矩阵p为：

p的1024个元素即为共形阵对应1024个阵元的最终的馈电相位，可见每个阵元的相位激励是两项之和，第一项，为阵元与参考点之间的径向配相，第二项为波束指向相邻阵元的轴向的配相差，所以每一个阵元的配相都由轴向和径向的配相两部分组成。

进一步的，矩阵p可看作是波束指向为方向时32*32共形阵的相位激励矩阵，每个阵元的相位激励可以看作是两项之和，第一项为阵元与参考点之间的径向配相，其值为弧线线阵上第m个阵元与参考点之间的指向向量在波束指向方向上的投影有关，且矩阵p中每一列的径向配相都相同；第二项为波束指向相邻阵元的轴向配相差，轴向配相与俯仰角、阵元间隔d和轴向位置n有关，每一个阵元的配相都由轴向和径向的配相两部分组成。在矩阵p中的每一列中，为共形阵中垂直于轴向上的同一平面上32个阵元所需配相，不同平面的32个径向配相是相同的，所以可以根据阵元间隔信息、波束指向范围及精度预先利用matlab等数学计算工具得到精确的计算值，这样能有效减小fpga的计算复杂度，同时提高计算速度和准确度，同时占用内存大小也是可以接受的。

具体的，在matlab中完成径向配相的计算过程包括，

定义0.1度为步进，一共计算k个波束指向角度，每个角度计算32个垂直于轴上同一平面上32个阵元的径向配相，即在matlab中完成k*32次径向配相计算。

更进一步的，波束的形成包括，

将要扫描的区域按照一定原则进行划分，在每个扫描分区中，以分区内统一的一级阵权值以及各扫描角下的二级阵列权值为变量，利用优化算法进行优化，用优化的权系数将对应扫描角下的阵元加权求和，输出即为扫描角下的波束图。

其中，扫描区域划分原则为按照不同的波段进行区域的划分；

进一步的，优化算法包括，

其中，y表示优化系数，表示权系数，d表示阵元间距，表示一级阵列权值，表示二级阵列权值，l表示损失函数，表示步长。

s2：根据阵列中与参考点的相对位置（m,n）通过在现场可编程逻辑门阵列（flash）中调用乘法器完成轴向配相的计算；

需要说明的是，乘法器是一种完成两个互不相关的模拟信号相乘作用的电子器件，它可以将两个二进制数相乘，它是由更基本的加法器组成的，乘法器可以通过使用一系列计算机算数技术来实现。乘法器不仅作为乘法、除法、乘方和开方等模拟运算的主要基本单元，而且还广泛用于电子通信系统作为调制、解调、混频、鉴相和自动增益控制；另外还可用于滤波、波形形成和频率控制等场合，是一种用途广泛的功能电路；其中，flash是由macromedia公司推出的交互式矢量图和web动画的标准，是一种创作工具。

s3：读取出存储在现场可编程逻辑门阵列中的对应某一波束指向的径向配相，同时读取出预先设置好的校正相位，将径向配相、轴向配相和校正相位三项相加得到相对位置的阵元的波控码；需要说明的是，

定义阵面上第（m,n）号阵元对于第（0,0）号单元的波控码包括，

其中，为常数系数，remained(m,2)表示m除以2的余数，表示阵面上第(m,n)号单元的波程校正和移相器本身的校正之和，(m,n)表示相对位置坐标。

本发明利用改进的配相原理对阵元进行配相及利用优化算法对阵权值进行优化，提高了波束指向精度及指向角的灵活性，采用查表法和实时计算法相结合的方法，降低了资源的消耗，提高了波控码计算的可靠性。

实施例2

参照图9~10为本发明另一个实施例，为对本方法中采用的技术效果加以验证说明，本实施例采用模拟仿真实验验证本发明方法的可行性，以科学论证的手段验证本方法所具有的真实效果。

验证线阵配相方案的可行性，对配相方案进行仿真验证：本实施例验证共形面阵配相方案的可行性，采用实施例1的方案对本发明的共形面阵进行配相，共形面阵外接圆半径32.98cm，共八个子阵，每个子阵4个阵元，阵元间距18.2cm，阵元排列如图10所示，当阵列指向-45度、-30度、-15度、-9度、-3度、0度、3度、9度、15度、30度、45度时，阵列的阵因子验证了共形面阵配相方案的可行性；对不同角度的和绘制阵列的阵因子验证配相方案的可行性：分别对角度,、、、、绘制阵列的阵因子，验证该方案可行。

在配相方案可行的情况下采用传统的波控码计算方法与本发明方法进行对比测试以科学论证的手段对比试验结果，以验证本方法所具有的真实效果。

传统的技术方案：波束指向精度低，计算速度慢和准确度低，为验证本方法相对传统方法具有较高波束指向精度、计算速度和准确度，本实施例中将采用传统波控码计算方法和本方法分别对波束的指向精度及波控码计算速度及准确率进行实时测量对比。测试环境：在仿真平台模拟雷达信号的发送与接收，分别利用传统方法与本发明方法，开启自动化测试设备并运用matlb软件编程实现两种方法的仿真测试，根据实验结果得到仿真数据。每种方法各测试50组数据，计算获得每组数据波束指向精度，与仿真模拟输入的实际指向精度进行对比计算误差，结果如下表所示：

表1：实验结果对比表。

从上表可以看出，本发明方法相较于传统方法有较高的指向精度及准确率，消耗的时间较少，体现了本发明方法的有效性。

应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。