雷达天线阵列中的波束形成技术研究

雷达天线阵列中的波束形成技术研究

康亚玲,,张旋,,杨恒飞

西安电子工程研究所 陕西省西安市 710100

摘要：讨论卫星跟踪和数据传输系统中的多波束形成算法;自适应模型和相位调整，分析如何控制波束和实现波束形成。

关键词:TDRSS;多波束形成

相控阵雷达具有多功能模式,多目标跟踪和多功能模式。这些发展优势和战术特点与多波束能力可行性有关。相控阵天线可以发送和接收多个波束，波束的大小如何,的方向可以迅速变化,并且波束形状可以根据不同的操作方式灵活变化,这是一个重要相控阵天线优点。

一、相控阵雷达与多波束形成

根据相控阵雷达它不仅可以发送接收波束,还可以以各种形式变化,这改变了它的工作方式。基本上,相位阵列雷达的性能在很大程度上取决于其能力和多波束成形方法。目前有多种方法可用于相控阵天线的多个波束，根据雷达和现有技术设施的要求,可以选择多波束产生方法,随着数字技术和集成电路技术的发展,数字多波束形成技术已应用于相控阵雷达。该技术提供了一种使用电子转换和数字波束的形成,接收和传输电子射线的方法,从而为雷达系统的进一步发展提供了技术基础。

二、多波束形成算法

在多址卫星数据传输系统中,服务对象通常分布在低地球轨道上。如果用户的恒星轨道位于地面以下3000公里处,则中继星波束可以覆盖地球周围26°用户星宽度。当用户星以10公里/秒的最高速度移动时,通过3.5°宽合成波形所需的最短时间为205秒。因此,波束角速度似乎是最低的,新的是合成波束3.5°宽度水平为05%,为10.5秒步进间隔。一旦计算机将相位矩阵的用户星为10.5 s创建相位加权系数,具体取决于位置。根据目标的启动和跟踪过程,多波束有三种操作模式:主波束、扫描及自跟踪方式。如优先验目标的当前位置的信息,目标在空中的轨道方程计算,可以作为一个主波束控制。计算机可以根据其高度和方向实时计算出加权系数矢量,并将其发送到多波束处理器完成波束加权。用户星相对中继星来说缓慢移动角度,随着移动用户星,权系数矢量计算机计算,并实时跟踪每个点的主波束。如果存在主波束(目标捕获,自动跟踪)等信息,当目标初始位置的初步信息不清楚时,波束扫描方法可以采用,根据先前给出的空间角度扫描图,对每个角度位置矢量进行加权,当空中扫描扫描目标时,波束合成器发送最大信号,并指示目标采集器完成目标的初始平衡,然后进入波束自跟踪模式。由于阵元、合成波束宽度为26°、3.5°因此扫描间隔需要很短的时间才能到达目标。多波束自跟踪需要自适应跟踪算法,自适应LMS优先方法和自适应相位调整方法,自适应LMS方法具有内置的主光束对准,可指向光束形成自适应天线,具有较强的空间滤波能力,并降低了对数据光束点的压力。LMS的收敛与步长的调整有关,并且当步长的计算长度增加以减少响应时间时,步长变得太大而无法发散计算和跟踪目标。自适应波束也可以始终对准目标,从而产生最大的输出信号噪比,快速收敛速度,没有发散问题,并且与较低的计算能力相比,硬件实现相对简单。在相位模式下,将阵元中的每个信号与标准信号进行比较,并自动调整阵元信号的各个部分以获得相同的状态。虽然自动相位调整不影响波束0点对齐,但它也允许以较低的成本合成具有最大信噪比波束合成。

1.LMS自适应。TDRSS通常在空间和时间经常变化的环境中工作,而中继星受各种地面电子,特别是近场干扰的影响。通过使用自适应阵干扰滤除,可以减少扩频接收机压力。当主波束自适应方向到达目标时,波瓣零点不能自动引导不同方向的干扰。天线适应位置,地形,传输介质,离子和大气的变化,并随时调整权系数,以确保设备在最佳条件下工作。不同的标准通常用于不同的应用,包括最大噪比水平,最大噪比水平和最小平均误差。使用最大信号速率标准时,共布局的最大值对应于有用信号的方向,每个布局接近零,但标准要求多个,图凹口对准各个干扰源。在有效连续通信的情况下,阵元上的输出是有用的信号,而合成信号是干扰和噪声,而有用的信号干扰或噪声,无论时间如何,本标准的应用都是非常有限的。调整局部参考信号(活动信号高度)并调整阵列权重,以减少输出和参考信号之间的平均误差,如果,阵列输出信号倍增器中的有用信号强度较高，或输出最大信号干扰比。

2.自适应相位调整方式。PN解码功能使用TDRSS系统的多个SMA代码地址来抑制来自不同用户的信号,因此自动调整只能响应来自特定用户的信号。阵元的每个分支都配置了一个控制相位器,该控制器通过比较相位和信号来调整矩阵的每个输出信号,并过滤出错误的输出信号以匹配原始矩阵信号,从而使每个信号的输出相同,并且可以在不影响预安装通道漂移和天线几何形状的情况下达到最大信号。此外,每个移相器调整值等于接收天线的相移量电波,如果确定了阵结构,则只能通过入射波的方向来确定,相位调整值然后可以通过移相器来估计信号方向,以补充目标方向的测量。信号不受信道载波相位漂移影响,并具有自适应自动相位补偿。但是,通道产生的相移会影响位移补偿,并影响波方向测量的准确性。要做到这一点，还需要减小信道和校准相位漂移,或者通过实际从零度测量中减去实时值来执行零度测量,即零值仅由无线电波的方向引起,然后测量目标的方向。

为了保证设备的稳定运行,有必要选择具有最大工作速度和容量的FPGA器件。卫星监控数据传输系统从根本上解决了航天器信息覆盖率高、监控多功能、经济性高等问题,可广泛应用于军事和民用领域。在TDRSS终端的各种信号处理项目中,用相控阵天线多波束形成是最复杂的,需要研究。

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