一種相控陣接收天線系統(tǒng)及其運行方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及相控陣天線技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種具有自適應(yīng)波束成形功能、可脫離 接收機(jī)獨立運行低成本的相控陣接收天線系統(tǒng)及其運行方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 傳統(tǒng)相控陣一般是一個陣元對應(yīng)一個接收機(jī)，但隨著陣元數(shù)的增加，接收機(jī)的數(shù) 量也要增加，從而導(dǎo)致接收系統(tǒng)造價成本高昂。另外，接收機(jī)數(shù)量太多也會給系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和空 間布局帶來困難。MUSIC、ESPRIT等經(jīng)典DOA估計或自適應(yīng)波束成形算法都是基于協(xié)方差 矩陣的，為獲得協(xié)方差矩陣，要求對每個陣元接收到的信號進(jìn)行下變頻、濾波、AD采樣操作， 以獲得每個通道的幅相信息。因此，傳統(tǒng)的多通道相控陣的成本較高，一般只應(yīng)用在軍事領(lǐng) 域，在對成本極為敏感的民用市場難以推廣應(yīng)用。為了降低相控陣天線的成本，后來有人提 出了基于單接收機(jī)的相控陣方案，其基本思想是多個陣元與單接收機(jī)之間用多向微波開關(guān) 連接，利用微波開關(guān)的切換，使各個陣元與接收機(jī)在不同時刻連接，從而獲得每個陣元接收 信號的幅相信息，構(gòu)成協(xié)方差矩陣，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行DOA估計和自適應(yīng)波束成形。與多通道 系統(tǒng)相比，單接收機(jī)系統(tǒng)在價格和復(fù)雜性方面具有明顯的優(yōu)勢，并且避免了接收通道不一 致帶來的幅相誤差，是一種高性價比的信號接收方案。然而，它通過開關(guān)切換，逐個測量各 個陣元的幅相信息，處理時間過長，難以應(yīng)用到實時性要求較高的快速響應(yīng)場景。另外，無 論是多通道系統(tǒng)還是上述的單接收機(jī)系統(tǒng)，相控陣天線總是與接收機(jī)一起工作，難以獨立 運行，應(yīng)用上的靈活性受到一定影響。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 根據(jù)以上現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提出一種相控陣接收天線系統(tǒng)及其運行方法， 通過自適應(yīng)DOA估計與波束成形功能，解決了相控陣天線必須結(jié)合接收機(jī)工作的問題，具 有可脫離接收機(jī)獨立運行的，且低成本的優(yōu)點。
[0004] 為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案為：一種相控陣接收天線系統(tǒng)，相控陣 接收天線系統(tǒng)包括接收信號的多個信號接收單元、連接多個信號接收單元的功率合路器、 連接功率合路器計算功率合路器輸出功率值的功率計算單元、連接功率計算單元的自適應(yīng) 波形成形模塊，自適應(yīng)波形成形模塊計算得出的移相值輸入到信號接收單元，使得天線波 束指向來波方向。
[0005] 上述系統(tǒng)中，所述信號接收單元包括天線陣元和移相器，天線陣元連接對應(yīng)的移 相器，移相器將經(jīng)過相位調(diào)整后的信號輸入到功率合路器。所述功率合路器有一個輸出端 和多個輸入端，輸入端連接多個信號接收單元接收各路信號接收單元的信號，功率合路器 將各路信號合成為一路從輸出端輸出。所述功率計算單元包括功率耦合器和功率探測器， 功率耦合器的輸入端連接功率合路器的輸出端，經(jīng)過功率耦合器耦合后的信號輸入到功率 探測器，功率探測器計算出功率合路器的輸出功率值，功率探測器的輸出端連接自適應(yīng)波 形成形模塊，功率合路器的輸出功率值被送入自適應(yīng)波形成形模塊。所述自適應(yīng)波形成形 模塊采用并行隨機(jī)梯度下降法進(jìn)行DOA估計和波束成形，同時細(xì)微調(diào)整所有信號接收單元 的移相值，并根據(jù)該調(diào)整所引起的功率合路器輸出功率的變化來確定移相值的下一步調(diào)整 方向，經(jīng)過多次循環(huán)迭代，天線波束指向來波方向。所述相控陣接收天線系統(tǒng)應(yīng)用于信號接 收系統(tǒng)，信號接收系統(tǒng)包括接收機(jī)和相控陣接收天線系統(tǒng)，接收機(jī)連接相控陣接收天線系 統(tǒng)的輸出端。
[0006] -種相控陣接收天線系統(tǒng)的運行方法，所述方法包括：步驟一、天線陣元接收到的 信號被送入到與天線陣元連接的移相器，經(jīng)過相位調(diào)整，各路信號被送入同一個功率合路 器；步驟二、各路信號合成為一路信號后經(jīng)功率合路器輸出口輸出，位于功率合路器輸出口 的功率耦合器接收功率合路器的輸出信號；步驟三、功率耦合器耦合接收到的信號輸出至 功率探測器，功率探測器將信號功率等比例地轉(zhuǎn)換為電平輸出，結(jié)合功率耦合器的耦合系 數(shù)和功率探測器的輸出電平，獲得功率合路器輸出功率值；步驟四、功率合路器輸出功率值 送入自適應(yīng)波束成形模塊，自適應(yīng)波束成形模塊采用并行隨機(jī)梯度下降法進(jìn)行DOA估計和 波束成形，根據(jù)合路器輸出功率值調(diào)整各個移相器的移相值；步驟五、各個移相器的移相值 改變后，天線的波束發(fā)生變化，合路器輸出功率值隨之變化，算法根據(jù)合路器輸出功率值的 變化再次調(diào)整各移相器的移相值；步驟六、循環(huán)迭代步驟五，直至天線方向圖增益最強(qiáng)方向 指向來波方向，自適應(yīng)地完成來波方向估計與跟蹤。
[0007] 上述方法中，所述步驟六迭代過程中，根據(jù)上一次的移相擾動值和合路器輸出功 率變化值，計算本次的移相值。所述并行隨機(jī)梯度下降法步驟包括：（1)在第k次迭代中，對 各移相器的移相值加載一個隨機(jī)擾動值，各個移相器的擾動值是相對獨立的；（2)測量功 率合路器輸出口的功率值，計算出輸出功率的變化值；（3)根據(jù)第k次的移相擾動值和功率 合路器輸出功率變化值，計算第k+Ι次的移相值；(4)重復(fù)以上迭代，直至合路器輸出功率 值相對變化小于〇. 001時，天線完成波束成形步驟，天線方向圖的最強(qiáng)方向指向來波方向。 所述功率合路器輸出口的功率值是自適應(yīng)波束成形模塊的唯一輸入量，也是調(diào)整所有移相 器移相值的唯一判據(jù)。
[0008] 本發(fā)明有益效果是：本發(fā)明所公布的相控陣接收天線系統(tǒng)是一套獨立的閉環(huán)系 統(tǒng)，它可以脫離接收機(jī)單獨運行，因此應(yīng)用方式比較靈活，可與各類接收機(jī)配套使用，快速 構(gòu)建接收系統(tǒng)。本發(fā)明所公布的相控陣天線采用并行隨機(jī)梯度下降算法作為自適應(yīng)DOA估 計和波束成形方法，將各陣元接收信號的合路輸出功率值作為并行隨機(jī)梯度下降算法的唯 一判據(jù)，在降低系統(tǒng)復(fù)雜度和成本造價的同時，還具有較快的DOA估計與跟蹤速度。
【附圖說明】
[0009] 下面對本說明書附圖所表達(dá)的內(nèi)容及圖中的標(biāo)記作簡要說明：
[0010] 圖1為本發(fā)明【具體實施方式】的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖；
[0011] 圖2為本發(fā)明【具體實施方式】的例所用的陣列模型；
[0012] 圖3為本發(fā)明【具體實施方式】的仿真實驗的相控陣天線方向圖；
[0013] 圖4為本發(fā)明【具體實施方式】的仿真實驗的相控陣天線方向圖在來波方向的局部 放大圖；
[0014] 圖5為本發(fā)明【具體實施方式】的合路器輸出功率隨迭代次數(shù)的變化示意圖；
[0015] 圖6為本發(fā)明【具體實施方式】的達(dá)到收斂狀態(tài)所需的最少迭代次數(shù)直方圖。
【具體實施方式】
[0016] 下面對照附圖，通過對實施例的描述，本發(fā)明的【具體實施方式】如所涉及的各構(gòu)件 的形狀、構(gòu)造、各部分之間的相互位置及連接關(guān)系、各部分的作用及工作原理、制造工藝及 操作使用方法等，作進(jìn)一步詳細(xì)的說明，以幫助本領(lǐng)域技術(shù)人員對本發(fā)明的發(fā)明構(gòu)思、技術(shù) 方案有更完整、準(zhǔn)確和深入的理解。
[0017] -種相控陣接收天線系統(tǒng)，相控陣接收天線系統(tǒng)包括接收信號的多個信號接收單 元、連接多個信號接收單元的功率合路器、連接功率合路器計算功率合路器輸出功率值的 功率計算單元、連接功率計算單元的自適應(yīng)波形成形模塊，自適應(yīng)波形成形模塊計算得出 的移相值輸入到信號接收單元，使得天線波束指向來波方向。其中信號接收單元包括天線 陣元和移相器，天線陣元連接對應(yīng)的移相器，移相器將經(jīng)過相位調(diào)整后的信號輸入到功率 合路器，功率合路器有一個輸出端和多個輸入端，輸入端連接多個信號接收單元接收各路 信號接收單元的信號，功率合路器將各路信號合成為一路從輸出端輸出。功率計算單元包 括功率耦合器和功率探測器，功率耦合器的輸入端連接功率合路器的輸出端，經(jīng)過功率耦 合器耦合后的信號輸入到功率探測器，功率探測器計算出功率合路器的輸出功率值，功率 探測器的輸出端連接自適應(yīng)波形成形模塊，功率合路器的輸出功率值被送入自適應(yīng)波形成 形豐吳塊。
[0018] 相控陣天線系統(tǒng)的具體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，相控陣天線系統(tǒng)包括多個陣元（為 后續(xù)論述方便，將陣元數(shù)量由N表示）、與陣元數(shù)量相同的移相器，功率合路器、功率耦合 器、功率探測器以及自適應(yīng)波束成形模塊，各個陣元對應(yīng)連接每個移相器，移相器的輸出端 連接功率合路器，功率合路器的輸出信號輸入到功率耦合器，功率耦合器可選擇性的連接 到接收機(jī)，也可以直接連接功率探測器至自適應(yīng)波束成形模塊，自適應(yīng)波束成形模塊的輸 出端連接至移相器，調(diào)整移相器的移相值，從而找到天線方向圖增益最強(qiáng)方向指向來波方 向，本發(fā)明中可以不使用接收機(jī)，相控接收天線單獨作為整體能夠獨立運行工作，也可以接 入其他接收機(jī)進(jìn)行配合工作，靈活性在一定程度上提高很大。
[0019] 相控天線的具體工作如下：各個陣元接收到的信號被送入到與陣元連接的移相 器，經(jīng)過相位調(diào)整后，各路信號被送入同一個功率合路器，然后各路信號合成一路后經(jīng)功率 合路器輸出口輸出。位于功率合路器輸出口的耦合器接收功率合路器的輸出信號，功率耦 合器耦合少部分功率合路器的輸出信號（功率合路器輸出信號的剩余大部分信號被送入 后端的接收機(jī)），然后將其送入功率探測器，功率探測器可將信號功率等比例地轉(zhuǎn)換為電平 輸出。結(jié)合耦合器的耦合系數(shù)和功率探測器的輸出電平，就可以獲得功率合路器輸出功率 值。該功率值被送入自適應(yīng)波束成形模塊，自適應(yīng)波束成形模塊采用并行隨機(jī)梯度下降法 進(jìn)行DOA估計和波束成形，該功率值是并行隨機(jī)梯度下降算法的判據(jù)，算法根據(jù)合路器輸 出功率值調(diào)整各個移相器的移相值。各個移相器的移相值被改變后，天線的波束發(fā)生變化， 合路器輸出功率值也會隨之變化，算法根據(jù)合路器輸出功率值的變化再次調(diào)整各移相器的 移相值，如此循環(huán)迭代，直至天線方向圖增益最強(qiáng)方向指向來波方向。整個天線構(gòu)成一個閉 環(huán)系統(tǒng)，可以不依賴接收機(jī)，自適應(yīng)地完成DOA估計與跟蹤，當(dāng)來波方向改變時，天線將自 動調(diào)整波束指向，實現(xiàn)自適應(yīng)波束成形。
[0020] -種相控陣接收天線系統(tǒng)