高效寬帶波形生成和信號處理設計的製作方法

2023-06-17 18:01:16 2

專利名稱：高效寬帶波形生成和信號處理設計的製作方法
技術領域：
本發明涉及雷達系統。更具體地說，本發明涉及在多波束電子掃描天線陣列雷達系統內的數字波形生成和接收波束形成。
背景技術：
某些雷達應用設備同時使用多個發射和接收波束以提高它們的搜索率能力。使用多個同時波束有助於維持位置的獲知能力，並允許先進的處理技術，例如地物幹擾消除和先進的抗幹擾能力。
可以使用電子掃描天線陣(ESA)來生成多個同時波束。一個ESA是共同工作以形成所希望的整體天線方向圖的多個單獨天線振子的陣列。每個天線振子輻射在相位上改變的公共信號。可以通過改變驅動單個天線振子的信號的相位來控制天線波束的方向。因而，要求沿著信號源和天線振子之間的每條路徑的信號具有一個受控的相位。
常規上，ESA使用模擬天線多支管來在發射模式中將具有正確相位調整的輸出信號分配給天線振子，和在接收模式中相干地組合天線振子信號分量。這種多支管包括複雜的電路，例如饋電天線、饋電分配網絡和共同饋電。這些多支管可能與天線陣列內振子的數量成正比地變得很大和笨重。
已經使用巴特勒矩陣來給用於生成多個同時波束的天線陣列饋電。然而，巴特勒矩陣的缺點在於相對於當前要求更高的應用來說不足的帶寬，以及本來就很複雜和笨重的設備。
因此，在本技術領域中需要一種提供寬帶寬、低成本和重量輕的用於多波束電子掃描天線陣列的高效波形生成的系統或方法。

發明內容
本技術領域的這種需要通過本發明的用於電子掃描天線陣列(ESA)雷達系統的高效數字寬帶波形生成和信號處理設計來解決。
在發射時，數字波形生成器生成將由天線陣列的各個振子發射的信號的數字形式。為每個振子生成不同的信號。每個數位訊號通過數模轉換器(D/A)和每個天線振子上的射頻(RF)濾波器。所獲得模擬信號分別由功率放大器放大，然後通過寬帶環行器發送給天線振子。
數字波形生成器首先生成一系列的對應於將要發射波形的相位的波形相位角。這對於所有的天線振子都是相同的。然後，為每個天線振子，通過添加時延和相位調整來調整波形相位角以控制此波束。然後，通過將餘弦函數應用於已調整的相位角，為每個天線振子生成數位訊號。在說明性的實施例中，這通過使用餘弦查找表來實現。然後，將每個數字餘弦波裝載到串行存儲緩衝器，並讀出到D/A轉換器。
一旦接收，在每個天線振子上，寬帶線性放大器和射頻濾波器提供帶外信號的拒絕，同時為隨後的模數轉換器(A/D)提供放大和信號調整。通過數字頻率信道化器發送所獲得的數位訊號(每個振子一個數位訊號)。然後，組合來自每個天線振子的類似的頻率信道以形成多個數字同時波束。當在發送鏈路中，可以使用時延和相位調整的組合來進行波束形成。


圖1是根據本發明的教導設計的寬帶多波束數字雷達的發射電路的方框圖。
圖2是根據本發明的教導設計的數字波束控制系統的流程圖。
圖3是根據本發明的教導設計的寬帶多波束數字雷達的接收電路的方框圖。
圖4是根據本發明的教導設計的數字波束形成系統的流程圖。
具體實施例方式
現在將參考附圖描述說明性的實施例和示例性的應用以公開本發明的有利的教導。
雖然在此參考具體應用的說明性實施例描述了本發明，應當理解本發明並不限制於此。具有本領域的普通技術和理解在此所提供的教導的人員將認識到在本發明範圍內的其它修改、應用和實施例以及本發明將有顯著用途的其它領域。
本發明是一種用於電子掃描天線陣列(ESA)雷達系統的高效數字寬帶波形生成和信號處理設計。
在數位技術上的改進，尤其是在模數(A/D)轉換器上可用的更寬的帶寬和更高處理能力的處理器，現在允許實際上實現數字天線多支管，即在發射上的數字波形生成和在接收上的數字波束形成。
圖1是根據本發明的教導設計的寬帶多波束數字ESA雷達系統的發射電路100的方框圖。數字波形生成器50生成將由天線陣列的各個振子(26A至26L)發射的信號的數字形式。為每個振子生成不同的信號。每個數位訊號通過D/A(18A至18L)和射頻濾波器(20A至20L)。所獲得的模擬信號分別由功率放大器(22A至22L)放大，然後通過寬帶環行器(24A至24L)發送給相應的天線振子(26A至26L)。天線陣列包括L個單獨的振子(26A至26L)，其中L是一個整數。在一個說明性的例子中，天線陣列包含1000個振子，D/A轉換器在40GHz的抽樣頻率上工作，所發射的能量具有10GHz的中心頻率。
假設所發射的信號是餘弦(或正弦)波形，數字波形生成器首先生成與將要發射的波形的相位對應的一系列相位角。這由波形相位角生成器10執行，如圖1所示。波形相位角生成器10生成的該系列相位角公用於所有的天線振子。然後，波形相位角由數字波束控制單元12調整以通過為每個天線振子(26A至26L)添加時延和相位調整來控制波束。因而，為每個天線振子(26A至26L)生成一系列的已調整相位角。然後，通過將餘弦函數應用於已調整的相位角，為每個天線振子(26A至26L)生成一個數位訊號。在圖1所示的說明性實施例中，這通過使用餘弦查找表14來實現。然後，將每個數字餘弦波裝載到串行存儲緩衝器(16A至16L)內，並讀出到D/A轉換器(18A至18L)。
波形相位角生成器10生成與將在雷達脈衝內發射的信號的相位對應的一系列相位角φ(n)。這些相位角φ(n)公用於此陣列的所有天線振子。波形相位角生成器10可以通過直接數字合成器(DDS)或類似的設備實現。
然後，將波形相位角φ(n)輸入給數字波束控制單元12。數字波束控制單元12為每個天線振子添加時延和相位調整。時延允許在寬帶寬上均勻的波束指向，相位調整補償中心頻率上的時延量化。為了控制所發射的雷達波束，每個天線振子必須具有添加給公共波形信號的特定相位角。這類似於在模擬波束控制系統內需要的相移，除了它是通過數字實現的。還需要數字延遲以會聚所發射的波束。否則，波束將相對於頻率傾斜，即邊沿頻率將不指向與中心頻率相同的方向。
為每個振子，將不同的相位調整和時延與波形相位角生成器10生成的波形相位角φ(n)組合以形成已調整的相位角θl(n)，l＝1至L，其中下標l代表此信號所用於的天線振子(26A至26L)，L是天線陣列內各個振子的總數。
圖2是根據本發明的教導設計的數字波束控制單元12的流程圖。數字波束控制單元12的輸入是一系列波形相位角θ(n)。輸出是已調整相位角θl(n)，其中l＝1至L。
首先，在步驟T1，使用下面的等式計算時延t1tl=xlu^Tc---(1)]]>其中 是沿著發射波束的單位矢量， 是天線振子l相對於天線陣列中心的位置，和c是光速。
在步驟T2，使用下面的等式計算量化的抽樣偏移ilil＝round(tl/tq) (2)其中tq是波形相位角生成器10的時間量化。
在步驟T3，使用下面的等式計算殘餘時間trltrl＝tl-iltq(3)
在步驟T4，為振子l計算相位偏移γlγl＝2πfctrl(4)其中fc是所發射波束的中心頻率。
最後，在步驟T5，將時延tl和相移γl應用于波形相位角φ(n)，生成輸出信號θl(n)θl(n)＝φ(n-tl)+γl(5)為所有的天線振子l＝1至L重複這些步驟。
在優選實施例中，用軟體實現數字波束控制單元12。可以使用單個計算機為所有的天線振子執行數字波束控制，或者可以分別為每個振子執行，為每個振子使用一個分立的處理器。
圖2圖示數字波束控制單元12的實現，通過它來計算時延和相位調整。可選擇地，可以預先計算時延和相位調整並存儲在查找表內，或者可以為某些離散的位置予以計算並存儲，並通過內插推導出中間位置的數值。因而，可以通過計算、查找表或者表格與內插的組合來實現數字波束控制單元12。
在執行數字波束控制之後，隨後通過將餘弦函數應用於已調整相位角θl(n)(l＝1至L)序列中的每個已調整相位角，為每個天線振子(26A至26L)生成數位訊號yl(n)yl(n)＝cos[θl(n)] (6)在說明性的實施例中，這使用餘弦查找表14來實現。
然後，將每個數字餘弦yl(n)波裝載到串行雙存儲緩衝器(16A至16L)內，準備轉換成模擬信號。因為波形通常在若干脈衝上是重複的，而波束控制命令對於最低1毫秒來說通常是固定的，所以可以在遠低於40GHz的速率上更新串行存儲器。
為了每個脈衝，串行存儲緩衝器(16A至16L)被在抽樣速率(在該例子中是40GHz)上讀出到D/A轉換器(18A至18L)。射頻濾波器(20A至20L)在每個D/A(18A至18L)之後以拒絕D/A生成的帶外頻率。然後，由功率放大器(22A至22L)執行功率放大，並通過寬帶環行器將信號發送給天線振子(26A至26L)。功率放大器和環行器公用於ESA系統。
使用本發明的數字系統，每個振子僅需要D/A轉換器、射頻濾波器和功率放大器。數字波形生成器可以使用單個計算機來實現。如本領域的普通技術人員公知的，還需要高速時鐘信號來驅動每個振子上的所有數字裝置。不再需要模擬系統的複雜天線多支管。
圖3是根據本發明的教導設計的寬帶多波束數字雷達的接收電路200的方框圖。所發射的信號由天線振子(26A至26L)和相應環行器(24A至24L)接收。所接收的信號由每個天線振子的線性放大器(30A至30L)放大，繼之以射頻濾波器(32A至32L)，它提供帶外信號的拒絕，模數(A/D)轉換器(34A至34L)，它將所接收的模擬信號轉換成數位訊號。在數位化之後，可以使用單個計算機或多個處理器執行隨後的步驟。
來自每個天線振子(26A至26L)的數字數據被饋送給相應的頻率信道化器(36A至36L)，它將每個信號劃分成N個不同的頻帶。例如，假設所接收的信號在8GHz至12GHz的範圍內，每個頻帶可以具有100GHz的帶寬，以便第一頻率信道的範圍在8.0至8.1GHz，第二信道在8.1至8.2GHz範圍內，依此類推。這可以使用快速傅立葉變換(FFT)來實現。本領域的普通技術人員將理解可以在這一步驟上選擇執行其它操作，例如幅度加權以降低旁瓣、零添加、等等。
在頻率信道化之後，數字波束形成單元(38A至38N)從每個天線振子提取類似的頻率信道，並組合它們以形成多個數字同時波束。為每個頻率信道分別地執行數字波束形成。因此，存在N個數字波束形成單元(38A至38N)，其中N是頻率信道的總數。每個數字波束形成單元(38A至38N)具有L個輸入和M個輸出，其中L是天線振子的總數，M是所希望的每個信道的數字波束的數量。將來自每個天線振子的類似頻率信道輸入給數字波束形成單元(38A至38N)。例如，對應於第一頻率信道的數字波束形成單元38A輸入來自頻率信道化器36A的第一信道輸出(來自第一天線振子26A)、來自頻率信道化器36B的第一信道輸出(來自第二天線振子26B)，依此類推，直到來自頻率信道化器36A的第一信道輸出(來自最後一個天線振子26L)。然後，每個數字波束形成單元(38A至38L)輸出M個同時數字波束，構成總共M×N個波束。
圖4是根據本發明的教導設計的數字波束形成單元38的流程圖。第i數字波束形成單元38的輸入是來自與頻率信道i對應的L個頻率信道化器(36A至36L)的輸出zi，l(n)，l＝1至L。
首先，在步驟R1，計算信道i的中心頻率fcifci=fsampiNFFT+f0---(7)]]>其中fsamp是A/D轉換器的抽樣速率，NFFT是FFT的大小，和f0是本振頻率。
在步驟R2，計算信道i對於每個接收波束k＝1至M和天線振子l＝1至L的相移φi，k，li,k,l=fcicxiu^k---(8)]]>其中 是天線振子l相對於天線陣列中心的位置， 是沿著第k個接收波束的單位矢量，和c是光速。
在步驟R3，通過在所有振子上應用相移和相加信號來計算信道i的接收波束νi，k(n)，k＝1至Mvi,k(n)=leji,k,lzi,l(n)---(9)]]>其中zi，l(n)是來自對應於頻率信道i的第l個頻率信道化器的輸出。
為所有的信道i＝1至N重複這些步驟。
可選擇地，當執行精確的頻率信道化和需要在所關注的區域上的全部波束覆蓋時，可以執行在所有振子上的FFT。
然後，可以由雷達、通信或EW處理單元(40A-1至40N-M)照常處理所形成的每個波束。這些系統主要用於雷達，但是也可以用於通信或EW(電磁波)應用設備。
注意到在此所述的數字雷達的實現放寬了對D/A和A/D的動態範圍的要求。例如，為了使用1000個振子和20％的佔空因數波形實現-140dB/Hz的頻譜純度，4比特的D/A就足夠了。在類似大小的陣列接收時，6比特的A/D足以實現接近有源ESA系統內線性放大器的動態範圍。
因而，在此已經參考具體應用的特定實施例描述了本發明。具有本領域的普通技術和獲得本教導的人員將認識在其範圍內的其它修改、應用和實施例。
因此，權利要求書將覆蓋在本發明範圍內的任何和全部的這些應用、修改和實施例。
權利要求
1.一種用於生成用於驅動電子掃描天線陣列(ESA)的各個振子的信號的系統，包括信號生成器(10)，用於生成第一數位訊號；和數字波束控制單元(12)，在所述第一數位訊號上操作以生成用於所述天線陣列的每個單獨振子的一個第二數位訊號。
2.如權利要求1的發明，其中所述第一數位訊號是代表將由所述ESA發射的公共信號的相位角的一系列波形相位角。
3.如權利要求1的發明，其中所述數字波束控制單元(12)包括用於向用於所述天線陣列的每個單獨振子的所述第一數位訊號添加相位調整的代碼。
4.如權利要求3的發明，其中根據等式γl＝2πfctrl來計算用於天線振子l的所述相位偏移γl，其中fc是所發射波束的中心頻率，trl是振子l的殘餘時間。
5.如權利要求1的發明，其中所述數字波束控制單元(12)包括用於向用於所述天線陣列的每個單獨振子的所述第一數位訊號添加時間延遲的代碼。
6.如權利要求5的發明，其中根據等式tl=xlu^Tc]]>來計算用於天線振子l的所述時間延遲tl，其中 是沿著發射波束的單位矢量， 是天線振子l相對於天線陣列中心的位置，和c是光速。
7.如權利要求1的發明，其中所述系統還包括程序(14)，用於生成用於所述天線陣列的每個單獨振子的第三數位訊號，其中所述第三數位訊號是所述第二數位訊號的函數。
8.如權利要求10的發明，其中所述函數是餘弦。
9.如權利要求10的發明，其中所述函數通過使用查找表來實現。
10.如權利要求1的發明，其中所述系統還包括串行存儲緩衝器(16A-16L)，用於在轉換成模擬之前存儲所述數位訊號。
11.如權利要求1的發明，其中所述系統還包括用於每個天線振子的數模(D/A)轉換器(18A-18L)，用於將所述數位訊號轉換成模擬信號。
全文摘要
一種用於多波束點掃描天線陣列(ESA)雷達系統的高效數字寬帶波束生成和信號處理系統。數字波形生成器(50)首先生成對應於將由ESA發射的公共信號的相位角的一系列波形相位角。然後，為了每個天線振子，通過添加時延和相位調整來調整波形相位角以控制波束。然後，通過將餘弦函數應用於已調整的相位角，為每個天線振子生成數位訊號。在說明性的實施例中，這使用餘弦查找表(14)來實現。然後，將每個數字餘弦波存儲在串行存儲緩衝器(16A至16L)內，準備轉換成數字的。每個數位訊號通過每個天線振子上的數模轉換器(18A至18L)和射頻濾波器(20A至20L)。所獲得的模擬信號由功率放大器(22A至22L)分別放大，然後通過寬帶環行器(24A至24L)發送給天線振子(26A至26L)。一旦接收，在每個天線振子(26A至26L)上，寬帶線性放大器(30A至30L)和射頻濾波器(32A至32L)提供帶寬信號的拒絕，同時為隨後的模數轉換器(34A至34L)提供放大和信號調整。通過(36A至36L)發送所獲得的數位訊號(分別用於每個振子)，它將每個數位訊號劃分成N個頻率信道。然後，通過組合來自每個天線振子的類似頻率信道與添加的相位調整，用於每個頻率信道的數字波束形成單元(38A至38N)形成多個數字同時波束。
文檔編號G01S7/282GK1610840SQ03801838
公開日2005年4月27日 申請日期2003年3月26日 優先權日2002年3月26日
發明者凱普瑞爾·V·可瑞克瑞恩, 羅伯特·A·羅森 申請人:雷斯昂公司