[發明專利]一種基于FPGA的可控多波束形成方法

有效

• 申請號: 202010696026.X
• 申請日: 2020-07-20
• 公開（公告）號: CN111812627B
• 公開（公告）日: 2022-05-17
• 發明（設計）人: 宗竹林;羅杰
• 申請（專利權）人: 電子科技大學
• 主分類號: G01S13/02
• 分類號: G01S13/02;G01S7/02;G01S7/285;G01S7/35;H04B7/0426
• 代理公司: 成都點睛專利代理事務所(普通合伙) 51232
• 代理人: 孫一峰

1.一種基于FPGA的可控多波束形成方法，其特征在于，包括以下步驟：

S1、將輸入數據分為調度幀和采樣數據，所述調度幀包括控制指令和波束角度信息，具體結構為，第1～2個字節為幀頭，第3個字節為功能碼，功能碼包括3種優先級對應3種操作指令，第一優先級對應復位指令，復位寄存器狀態，第二優先級對應初始化指令，初始化寄存器參數，設置多波束狀態機為初始態IDLE狀態，第三優先級對應更新指令，存儲當前幀到寄存器，方便提取參數形成對應方向波束，第4個字節為工作模式指令，工作模式包括常規波束形成指令和自適應波束形成指令兩種，第5個字節為波束數量，從第6個字節開始，為波束角度信息字節，設置為每兩個字節交替為一個波束方位角和俯仰角，波束角度信息字節后的字節為收發標志，設置為0對應接收，1對應發送，收發標志后設置2個字節為校驗位；采樣數據為雷達天線接收后經采樣解調后獲得；

S2、通過步驟S1中設置的幀結構，幀協議解析模塊對輸入幀進行對應字節判斷，再根據各功能字節的指令進行對應的操作，將解析出的波束角度信息進行存儲；將輸入的采樣數據進行存儲；若解析后的功能碼為更新指令，則進入步驟S3，否則重復步驟S2；

S3、判斷工作模式，步驟S2緩存幀的第4個字節工作模式S的值進行多波束狀態機跳轉，若S值為0x01則工作模式為常規波束形成，多波束狀態機跳轉至S₁模式，若S的值為0x02，工作模式為自適應波束形成，多波束狀態機跳轉至S₂模式，若S值為其他值則視為無效，保持之前工作狀態，進入步驟S4；

S4、根據步驟S2緩存幀得到的波束數量K，與預設的最大波束數量K_max進行比較，若KK_max則讀取K個波束角度輸入導向矢量計算模塊，若KK_max，則取前K_max個波束角度輸入導向矢量計算模塊，通過導向矢量計算模塊計算導向矢量具體方法為，假設實際讀取的波束角度數量為k個，分別為通過如下公式計算導向矢量

為陣元坐標為(m，n)的相對原點陣元相位差，假設陣元分布于xoy平面，共有M×N個陣元，λ為信號波長；陣元沿x軸和y軸的陣元間距分別為d_x和d_y，則為：

S5、根據多波束狀態機模式進行不同操作，若是多波束狀態機模式為自適應波束形成，則將得到的k個導向矢量與根據采樣數據得到的協方差矩陣輸入權值求解模塊求解權值，否則進入步驟S6；所述采樣數據的協方差矩陣計算方法為：

設采樣數據為x(n)，將x(n)排成一維向量：

x(n)＝[x₁₁(n)x₁₂(n)…x_MN(n)]^T

根據采樣數據x(n)和采樣快拍數L，可得協方差矩陣估計

得到協方差矩陣估計后再進行對角加載：

λ_DL為對角加載值，I為維度與相同的單位矩陣；

所述權值求解模塊求解權值的方法為：

將導向矢量表示為令最優權向量滿足：

w為權值，構造代價函數J(w)：

通過迭代求解代價函數，所得最小值為所求權向量；

S6、將得到的權向量和采樣數據x(n)輸入多波束加權求和模塊，具體為：將n時刻每個陣元權向量排成列向量w(n)，再將每個陣元通道的采樣數據x(n)與加權矢量w^H(n)相乘求和，可得到加權輸出數據y(n):

將第k個波束方向權值記為通過w_k(n)不同波束方向權向量w₁(n)～w_k(n)，復用同加權求和模塊得到k個波束方向數據y₁(n)～y_k(n)，進入步驟S8；

S7、將k個方向導向矢量和采樣數據x(n)輸入多波束加權求和模塊，兩者累加求和得到波束形成的k個方向的波束數據y₁(n)～y_k(n)；

S8、將得到的k個方向的波束數據，分別與當前幀的幀頭、工作模式、波束數量和波束角度信息組包后得到并并行輸出波束數據幀L₁～L_k。