一种适用于大规模阵列波束赋形的模块化高精度控制系统及方法与流程

本发明涉及一种波束控制技术，尤其涉及一种大规模阵列波束赋形的模块化高精度控制系统及方法。

背景技术：

相控阵作为当今一种先进的相位控制技术，在雷达，军事领域得到了广泛的应用。典型的相控阵利用电子计算机控制移相器改变天线孔径上的相位分布，使得各阵元间的相位差与到达信号的相位差相抵消,则天线阵即以最大增益接收来自该方向的辐射，从而实现波束在空间的电扫描，与传统的机械扫描相比较相控阵具有扫描速度快、控制灵活的优势。如今相控阵技术的广泛应用不仅仅体现在相控阵雷达上，还用在超声波相控阵无损检测、相控超声波水下探测、检测、卫星通信等方面。

如何控制每个单元的相位来完成波束形成是相控阵技术的关键，随着相控阵规模的不断扩大和对波束赋形要求的提高，波束控制系统也变得越来越复杂，这会在大型相控阵系统的研发和设计阶段产生一定的风险，增加测试与验证难度，同时也无法在后期满足系统高可靠性要求。

技术实现要素：

本发明技术解决问题：克服现有技术的不足，提供了一种适用于大规模阵列波束赋形的模块化高精度控制系统及方法，实现了相控阵波束控制系统的模块化设计，通过模块扩展可完成对大规模阵列的波束赋形与电扫描，能够有效降低系统设计风险与设计复杂度，具有集成度高、小型化、低功耗的优点，可广泛应用于大规模相控阵雷达及扫描式辐射计系统中。

本发明是通过以下技术方法实现的。

一种适用于大规模阵列波束赋形的模块化高精度控制系统，包括多个波束控制模块、上位机和移相器；采用内存储查找表的方式实现对需要配置的相位电压数据的存储与索引；上位机首先根据系统配置信息及工作模式计算生成对应的电压控制字，并以txt文本形式发送给波束控制模块，之后继续发送配置信息等相关内容；每个波束控制模块接收并将txt文本和配置信息存入其内部相应内存空间后向上位机返回状态信息，表明数据已接收完毕；接着在上位机的控制下，波束控制模块通过接收上位机的波束位置信息从文本中读取对应的电压控制字，在同步信号的作用下按照数模转换的数据配置格式和读写时序要求完成对移相器控制电压的数模转换，将转换后的模拟电压输送给移相器，实现对每个阵列单元的相位调节，进而完成对二维面上的波束切换与电扫。

所述电压控制字为：根据波束扫描距离和扫描区域，计算得到每个扫描面上对于每一个位置点阵列单元需要补偿的相位值，再根据移相器的电压-相位关系表得到对应的控制电压值并根据dac转换芯片将电压值转换为控制字形式写入文本存储。

所述波束控制模块包括主控芯片、dac转换芯片、运算放大器和网口，接口可以为串口、jtag口等，所述主控芯片通过以太网口和tcp/ip协议接收从上位机发送的电压控制字数据和系统配置等相关控制信息，并在同步控制信号作用下通过时序操作以串行spi形式将电压控制字数据输出至dac转换芯片的数据输入端，dac接收电压控制字数据，将电压控制字数据转换为模拟电压后经过4倍运放电路后输送至移相器的控制端。

所述主控芯片的型号为zynq-7020,dac转换芯片的型号为ad5668。

所述主控芯片的arm端基于linux系统通过以太网与上位机连接进行通信，数字逻辑部分在dac时钟的下降沿将电压控制字输出给dac转换芯片，dac转换芯片有2个，每个能够独立控制8路电压转换。

所述控制信号包括距离信息和同步信号，其中距离信息以串口形式发送，同步信号形式为具有一定宽度的脉冲，通过距离信息从存储区读取相应地址的电压数据，在同步信号的上升沿开始进行dac转换芯片的电压数据的配置，实现多模块的同步移相。

每个所述波束控制模块与上位机之间均采用以太网接口进行数据传输与指令交互，各个模块之间独立互相不受影响。

所述大规模阵列具有64个波束控制模块，每个波束控制模块独立控制16路移相器进行相位调节，上位机通过交换机实现对每个波束控制模块的控制。

本发明一种适用于大规模阵列波束赋形的模块化高精度控制方法，一种适用于大规模阵列波束赋形的模块化高精度控制方法，其特征在于：每个波束控制模块基于linux建立socket服务器，与上位机客户端通过以太网相连接，上位机根据阵列系统对波束扫描区域及扫描形式的需求，由波束形成原理计算每个通道需要改变的相位值，并根据模拟移相器工作特性曲线和dac转换芯片特性将其转化为对应的电压控制字数据，通过tcp/ip协议经以太网口以txt文本形式发送给波束控制模块，波束控制模块在接收到电压控制字数据后将其存到ram存储区中，实现上位机与波束控制模块间对电压控制字数据的传输与存储。当需要开始进行波束扫描时，所有波束控制模块在同步控制信号的作用下，根据不同波束扫描模式以查找表的方法从各自ram中读取对应地址内的电压控制字数据，在数字逻辑时序控制下依次完成对16路移相器32bit的spi电压配置，经数模转换及运放电路后将模拟控制电压输出给移相器。工作时钟25mhz条件下，完成每个通道电压配置所需时钟数为32，约为1.2us，可实现快速波束响应与波束切换。通过对多模块移相器的工作电压进行同步控制完成对所有通路的相位调节，实现整个阵列在二维平面上的波束聚焦与波束扫描。

本发明与现有技术相比的有益效果在于：本发明采用模拟移相器来实现相比于数字移相器更为精确的、连续的相位调节，有利于实现高精度的波束指向；通过soc片上系统进行波束控制模块的设计，充分利用arm和fpga数字逻辑资源的各自优势，将相位计算放在上位机中实现对波束聚焦点的相位电压索引，避免系统在工作过程中实时相位计算带来时间资源的消耗，降低波束系统响应时间，能够实现快速波束扫描与波束切换，并通过同步控制信号实现多模块的同步性，同时具有集成度高、功耗低、体积小的特点；分模块设计，每个模块可独立地实现与上位机的数据传输与指令交互，可提高系统稳定性，降低大规模阵列的设计风险与复杂度，同时易于后期系统规模的扩展。本发明可广泛应用于相控阵雷达、卫星通信、毫米波安检成像等领域。

附图说明

图1是整个波束控制结构图；

图2是上位机与控制模块的连接图；

图3是波束控制模块与16路移相器的连接图；

图4是波束控制模块组成硬件图；

图5是dac转换芯片原理图；

图6是运放电路原理图；

图7是上位机波束控制模块时序图；

图8是图7中上位机与波束控制模块进行网络通信的流程图。

具体实施方式

下面以1024阵列毫米波辐射计成像系统为例对本发明进行进一步的详细说明。本实施例在以本发明技术方案为前提下实施，应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，但本发明的保护范围不局限于以下所述。

如图1所示，本发明控制系统包括上位机1、64个波束控制模块2和1024个移相器3，每个波束控制模块2独立控制16个移相器。在系统上电后，上位机1首先通过以太网将相位电压配置数据和系统工作模式等相关配置信息发送给波束控制模块，波束控制模块接收并将其存入主控芯片内部相应的存储空间，当需要进行成像时，通过上位机发送控制指令和同步信号给波束控制模块，根据控制信息主控芯片的fpga一侧开始从存储空间中读取对应地址的电压数据，依次完成对16路移相器3的spi电压配置，在同步信号的作用下配置电压生效，dac转换芯片将数字电压转换为模拟电压，经过4倍运放电路后输出给移相器3，移相器3对前端接收到的信号进行移相，完成对当前位置的波束形成，接着继续等待控制信号和同步信号的到来，等待对下一个波束位置进行dac电压配置。

如图2所示，上位机和64个波束控制模块分别经交换机通过以太网连接，在设置上位机和波束控制模块的ip地址时，应使所有的ip地址处于同一网段，每个波束控制模块是一个服务器，上位机是客户端，上位机可以对任意模块发起连接或断开请求。

参见图3，每个波束控制模块控制16路移相器，移相器的工作频率为13ghz，控制电压在0-10v范围内，在控制信息和同步信号的作用下波束控制模块通过对16路移相器的控制电压进行配置与输出来实现对移相器工作状态的控制。

如图4所示，波束控制模块主要由主控芯片zynq-7020，dac转换芯片ad5668，运放电路、网口组成。zynq-7020的arm端通过网口与上位机通信，fpga通过da_clk，da_sync、da_load、da_in实现对dac芯片的控制,fpga端工作时钟50mhz。由于每个dac芯片有8路输出，而每个运放有4路输出，因此每个dac芯片输出接2路运放。经运放后的输出电压为vb1-vb16，作为16路移相器的控制电压输入。ad5668转换位数为16位，满量程输出2.5v，输出电压最小步进是经4倍运放电路输出后的电压步进为0.038mv×4＝0.152mv,由于移相器在0-10v控制电压范围内的移相范围约为180°，因此对于单位度数所需的电压值为要实现对射频前端全360°范围的移相，由前面分析计算可得到理论上可控的相位精度为：

能够满足系统对移相精度的指标要求。

如图5所示，ad5668电路原理图。芯片选用ad5668，它是8通道输出的spi型电压数模转换芯片。供电管脚vdd接3.3v电压，参考电压管脚通过0.1uf的电容c206接地，采用芯片内部基准参考源作为参考电压，参考电压为2.5v。sync为使能信号，低电平有效，ldac为加载信号，低电平有效，表示使当前配置的电压信息输出生效，sdin为数据输入端口，为串行输入，sclk为dac芯片工作时钟，其时钟频率不超过50mhz，这里选用25mhz,clr为寄存器清零信号，低电平有效。vout1至vout8为8个电压输出端，各个通道之间相互独立，dac芯片接受来自主控芯片的串行电压数据并在主控芯片的控制下依次完成8通道的电压数模转换，然后将输出的模拟电压信号送给运放电路进行4倍放大。

图6为运放电路原理图。采用lm2902pw运放芯片，供电电压11.5v，根据反相比例放大器原理可知，输出电压vo_1＝(1+r286/r287)×davo_1＝(1+10/3.3)×davo_1＝4davo_1。运放电路对dac芯片的输出模拟电压信号进行4倍放大后输出给移相器的控制端，同时增大dac芯片输出电流的驱动能力。

如图7所示，为上位机与波束控制模块的工作时序图。在系统上电后，上位机发送start开始命令，波束控制模块接收距离控制信息distance并对地址进行更新baseaddr_update后进入写电压状态dac_write，开始对dac芯片进行电压数据的配置，每个通道的电压配置数据为32bit，其中数据位数16bit，地址位数4bit。在完成对所有通道的电压配置后，等待同步控制信号trigger,在trigger的上升沿将dac_load信号拉低，使dac转换芯片输出电压生效，此时即完成对一个位置点的波束形成。开始对下一个位置点进行相位控制电压的配置。当完成当前距离上的波束扫描后继续接收距离信号。

如图8所示，是上位机与波束控制模块进行网络通信的流程图。系统上电后，主控芯片运行linux系统，初始化波束控制模块的ip地址和端口号，进入侦听状态，当收到上位机客户端的连接请求后，与上位机建立网络连接，通过以太网和tcp/ip协议接收上位机下传的电压数据和系统相关配置信息，并发送反馈信息给上位机以表示通信是否正常。服务器可以随时相应上位机客户端的连接及断开请求。

以上所述仅为本发明的较佳实例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。