基于相位中心补偿的多阵面切换波束形成方法及装置

技术领域

本发明涉及一种基于相位中心补偿的多阵面切换波束形成方法，属于阵列信号处理领域。

背景技术

随着阵列信号处理、阵列自适应抗干扰等技术的不断发展，全空域指向的有源天线技术越来越受到人们的广泛关注。全空域指向的有源天线能够在载体不同姿态下实现波束指向，并且能够实现宽带干扰抑制，在卫星通信、移动通信等领域应用逐渐增强，并且对全空域指向的有源天线波束形成的相位一致性的要求很高。

目前应用全空域指向的有源天线主要是采用机械扫描技术和全向单天线技术。这两种技术各自的特点如下：

机械扫描：波束指向调整周期较长。

全向天线：无法采用阵列实现高增益和阵列抗干扰处理。

为了解决以上两种技术的缺点，全空域指向的有源天线技术应运而生，它既解决了机械扫描技术波束指向调整周期较长的问题，也解决了全向天线无法采用阵列实现高增益和阵列抗干扰处理的问题，但采用该技术后，多阵面天线阵列切换的过程中容易产生相位抖动的问题，由此容易产生相位不一致的问题。

发明内容

针对多阵面天线阵列切换的过程中容易产生相位抖动的问题，由此容易产生相位不一致的问题，本发明目的在于提供一种多阵面切换波束形成方法及装置，保证全空域多阵面天线阵列之间波束形成的相位连续性。

为实现本发明目的，本发明提供了基于相位中心补偿的多阵面切换波束形成方法，采取技术方案如下：

所述方法包括如下步骤：

步骤1.将N个天线阵面分别间隔M度均匀分布在载体四周，其中N×M＝360，以保证N个阵面能将360度全部覆盖；

步骤2.采用迟滞的方式切换阵面，即当入射信号从越过两个阵面的临界面加θ度后再切换到下一个阵面；

步骤3.当判断天线阵面切换时，计算入射信号到切换前后两个天线阵面之间的相位差

步骤4.根据计算得到的相位差，对导向矢量进行相位补偿；

步骤5.结合生成的相位补偿后的导向矢量A

进一步的，采样矩阵求逆算法结合生成的相位补偿后的导向矢量A

进一步的，对所述导向矢量进行相位补偿方法如下：

设入射信号到两个阵面的距离为ΔD，假设通信信号的频率为Fr，光速为C，卫星信号到阵面A和阵面B的相位差

假设原导向矢量为A

根据本发明的又一方面，本发明提供了基于相位中心补偿的多阵面切换波束形成装置。

所述装置包括N个天线阵面、模拟下变频和信号处理板，N个天线阵面分别间隔M度均匀分布在载体四周，其中N×M＝360。

所述信号处理板包括AD芯片以及数字信号处理模块。

所述天线阵面接收信号，通过模拟下变频模块，经过A/D转换形成数字信号后传输给数字信号处理模块，所述数字信号处理模块判断接收信号的入射角，当入射信号平行于两个阵面交界面时，再判断入射信号偏移角度是否满足规定的偏移角度θ，若满足，对导向矢量进行相位补偿，结合生成的相位补偿后的导向矢量,计算权值，与原信号进行加权后得到合路信号，将所述合路信号输出给基带进行处理。

本发明提供的基于相位中心补偿的多阵面切换波束形成方法和装置，实现接收波束的全空域覆盖；阵面切换时采用相位中心补偿算法，保证全空域多阵面天线阵列之间波束形成的相位连续性。

附图说明

所包括的附图用来提供对本发明实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本发明的实施例，并与文字描述一起来阐释本发明的原理。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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了根据本发明的具体实施例提供的天线阵面分布示意图；

图2示出了根据本发明的具体实施例提供的入射信号与天线阵面的示意图；

图3示出了根据本发明的具体实施例提供的基于相位中心补偿的多阵面切换波束形成流程图；

图4示出了根据本发明的具体实施例提供的基于相位中心补偿的多阵面切换波束形成装置示意图；

图5示出了根据本发明的具体实施例提供的延迟5度切换阵面时相位跳变示意图；

图6示出了根据本发明的具体实施例提供的相位补偿后全空域不同角度下的接收信号的相位。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

作为本发明实施例提供的基于相位中心补偿的多阵面切换波束形成方法，采取技术方案包括以下步骤：

步骤1.将N个天线阵面分别间隔M度均匀分布在载体四周，其中N×M＝360，以保证N个阵面能将360度全部覆盖，如图1所示。

步骤2.采用迟滞的方式切换阵面。

在阵面的切换过程中，采用迟滞切换的方式，来避免当入射信号相对于某个阵面的俯仰角在M/2度附近小范围波动时，造成阵面频繁切换的问题。如图2所示，当入射信号从阵面N-1(即阵面A)入射逐渐变为从阵面N(即阵面B)入射的过程中，当入射信号平行于阵面N-1与阵面N交界面时，入射信号相对于阵面N-1(即阵面A)和阵面N(即阵面B)的俯仰角都为M/2度，理论上此时阵面就可以从N-1切换到N，而实际采用的是当入射信号移动到平行于Y轴时，再继续偏转一个小的角度θ之后，再将阵面从N-1切换到N。

步骤3.迟滞切换时阵面相位差的解算

在载体坐标系下，假设卫星的坐标为(Xo,Yo,Zo),阵面A的相位中心的坐标为(Xa,Ya,Za),阵面B的相位中心的坐标为(Xb,Yb,Zb),根据阵列天线的基本原理可知，仅考虑远场信号的情况下，卫星信号到阵面A和阵面B的距离分别为Da和Db：

入射信号到阵面A和阵面B的距离差ΔD为：

ΔD＝Da-Db(3)

假设通信信号的频率为Fr，光速为C(C＝3×10

步骤4.导向矢量补偿相位

当判断天线阵面切换，对导向矢量进行相位补偿。

假设原导向矢量为A

步骤5.利用采样矩阵求逆算法结合步骤4生成的相位补偿后的导向矢量A

步骤6.将步骤5计算所得权值与原信号进行加权后得到合路信号，将该合路信号输出给基带进行处理。

基于相同的构思，本发明还提供基于相位中心补偿的多阵面切换波束形成的装置。

下面对本发明提供的基于相位中心补偿的多阵面切换波束形成的装置进行描述，下文描述的基于相位中心补偿的多阵面切换波束形成的装置与上文描述的基于相位中心补偿的多阵面切换波束形成的方法可相互对应参照。

本发明提供的一种基于相位中心补偿的多阵面切换波束形成的装置，所述装置包括N个天线阵面，模拟下变频模块，信号处理板，如图3所示。

所述天线阵面采用多阵元的平面圆阵，N个天线阵面分别间隔M度均匀分布在载体四周，其中N×M＝360，以保证N个阵面能将360度全部覆盖。

所述信号处理板包括AD芯片以及数字信号处理模块。

所述天线阵面接收信号，通过模拟下变频，经过A/D转换形成数字信号后传输给数字信号处理模块，所述数字信号处理模块判断接收信号的入射角，当判断当入射信号平行于阵面N-1与阵面N交界面时，再判断入射信号偏移角度是否满足规定的偏移角度θ，若满足，对导向矢量进行相位补偿，利用采样矩阵求逆算法结合生成的相位补偿后的导向矢量,计算权值，与原信号进行加权后得到合路信号，将该合路信号输出给基带进行处理。

下面结合一具体实施例对本发明进一步说明。

本实例中，天线阵列采用7阵元的平面圆阵，采用中心频率Fr＝2GHz的信号作为阵列接收射频信号，具体实施步骤如下：

步骤一：将3个阵面分别间隔120度均匀分布在载体四周，每个阵面覆盖120度空域，完成全空域覆盖。

步骤二：采用延迟5度切换方式，即当入射信号平行于Y轴时，从越过两个阵面的临界点5度后再切换到下一个阵面。所述天线阵面接收信号，进行模拟下变频，经过A/D转换形成数字信号传输给数字信号处理模块，所述数字信号处理模块判断接收信号的入射角，当判断当入射信号平行于Y轴时，再判断入射信号偏移角度是否满足规定的偏移角度5度，若满足，对导向矢量进行相位补偿。

步骤三：以延迟角度5度，信号相对于阵面A俯仰为5度，方位角为90度，计算相位差，本实例为：在载体坐标系下，卫星的坐标为(0,2614672.3,29885840.9),阵面A的相位中心的坐标为(0,-0.2165,0.125),阵面B的相位中心的坐标为(0,0.2165,0.125),根据阵列天线的基本原理可知，仅考虑远场信号的情况下，卫星信号到阵面A和阵面B的距离分别为Da和Db：

卫星信号到阵面A和阵面B的距离差ΔD为：

ΔD＝29999999.85328655-29999999.81554811＝0.037738438695669本实例通信信号的频率为Fr＝2Ghz，光速为C(C＝3×10

图5示出了延迟5度切换阵面时相位跳变示意图。

步骤四：数字信号处理模块对导向矢量进行相位补偿。假设原导向矢量为A

图6示出了相位补偿后的示意图。

步骤五：数字信号处理模块利用采样矩阵求逆算法结合生成的相位补偿后的导向矢量,计算权值，与原信号进行加权后得到合路信号，将该合路信号输出给基带进行处理。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。