技术领域
[0001] 本
发明涉及阵列系统技术领域，具体地，涉及一种多频段虚拟的扩展阵列系统。
背景技术
[0002] 在天线理论中，
相控阵通常是指
电子扫描阵列，即通过计算机或微
控制器控制的天线阵列，这种控制下产生的
无线电波束可以在天线不旋转的情况下以电子形式指向不同的目标方向。在传统设计的阵列天线中，来自发射机的射频
电流以
指定的
相位关系馈送至各天线单元，从而使来自各天线单元的无线电波相干
叠加，增强所期望方向的
辐射或接收增益，同时抑制非期望方向的入射
电磁波信号。相控阵系统通过一种称为
移相器的设备控制收发信号的相位，在
计算机系统控制下通过电子方式改变相位，从而将无线电波的波束指向不同方向。最初的相控阵只能对电磁波相位进行控制，随后发展的相控技术也包括了对电磁波幅度的调节控制，幅度和相位的联合控制使得波束合成的方式更加灵活。
[0003] 早期的相控阵系统是复杂且昂贵的，主要用于军事雷达系统，通过快速扫描的雷达波束穿越空间以探测飞机和导弹。随着技术的不断发展进步，相控阵系统逐渐得到了广泛的应用，大量的相控阵技术正在被逐渐推广到民用领域。相控阵的基本原理也被应用于声学领域，如医疗超声成像
扫描仪、油气勘探(反射
地震学)、麦克
风阵列、声纳系统等。
[0004] 相控阵具有多种形式，最常见的四种是无源相控阵、有源电子扫描阵列、混合波束形成相控阵和数字波束形成阵列。数字波束形成相控阵是相控阵列的最先进形式，在阵列中的每个单元上都包括一个数字发射机/接收机，这种全数字化的形式会导致系统成本增大，但也意味着更优越的灵活性、更大的动态范围和更高的灵敏度，数字化的天线波束可以在现场可编程
门阵列或计算机中以数字加权的形式完成，从而允许同时形成多个空间波束。从物理特性上讲，相控阵的一种可能的物理实现结构被称为共形阵列，共形阵列不是安装在平面上，而是分布在曲面上。移相器补偿由于天线单元在表面上的不同
位置而产生的不同
相移，从而形成期望的波束方向图。共形天线阵列通常用于飞机和导弹，将天线集成到运动平台的弯曲表面，以减少
空气阻力。
[0005] 相控阵列的实现有效地提升了空间
自由度，大大提升了阵列系统的性能指标，但天线阵列的规模越大，需要的天线单元数量越多，相对应的发射/接收通道也越多，成本、体积、功耗等也会增大，不利于小型化平台的使用。虚拟阵列的研究与设计为相控阵系统的小型化提供了重要
基础，这些虚拟阵列设计方法包括最小冗余阵列、嵌套阵列、互素阵列、内插与外推阵列、嵌套与互素混合阵列等，已有的虚拟阵列都是通过优化天线单元的布局位置来实现的，因此对于单元数较少的物理阵列很难有进一步提升空间。
发明内容
[0006] 本发明为了克服现有虚拟阵列技术对实际物理阵元数的苛求问题，针对小型阵列虚拟化这一难题，提出了一种多频段虚拟的扩展阵列系统，该系统能够有效地充分利用所有的频点信息，将
频率信息转换为多虚拟阵元信息，从而达到物理阵列虚拟扩展的目的，而且适用于所有的阵列处理系统。
[0007] 为了实现上述目的，本发明提供了一种多频段虚拟的扩展阵列系统，所述系统包括：
[0008] 无线电波阵列发射模
块，用于发送无线数据；
[0009] 无线电波阵列接收模块，用于接收所述无线数据；
[0010] 信息处理模块，对所述无线电波阵列接收模块输入的所述无线数据进行协方差矩阵计算、自适应权值产生以及信号检测与解调操作。
[0011] 优选地，所述系统还包括：
[0012] 显示控
制模块，用于向所述无线电波阵列发射模块、所述无线电波阵列接收模块与所述信息处理模块发送控制指令，并且对所述信息处理模块输出的状态信息以及信号检测与解调的结果分别进行显示。
[0013] 优选地，所述无线电波阵列发射模块包括：数字基带源、上变频模块和多频段发射天线阵列模块；其中，
[0014] 所述数字基带源产生移相后的非调制基带
波形，基带波形经过所述上变频模块馈入到所述多频段发射天线阵列，再经过天线阵列辐射到电磁传播空间。
[0015] 优选地，所述无线电波阵列接收模块包括：多频段接收天线阵列、下变频模块以及数字光纤接收对其单元；其中，
[0016] 多频段接收天线阵列接收到与之相同频率的电磁波信号后，将该信号送入下变频单元处理，再发送到数字光纤接收对齐单元，实现接收数据的同步采集，同步采集后的数据送入信息处理模块。
[0017] 优选地，所述信息处理模块包括：
[0018] 协方差矩阵计算模块，用于对所述无线电波阵列接收模块输入的所述无线数据进行协方差矩阵计算操作；
[0019] 自适应权值产生模块，用于产生自适应权值；以及
[0020] 信号检测与解调模块，用于对所述自适应权值产生模块处理后的数据进行检测与解调操作。
[0022] 系统参数命令单元，用于向所述无线电波阵列发射模块、所述无线电波阵列接收模块与所述信息处理模块发送控制指令；
[0023] 系统状态指示单元，用于对所述信息处理模块输入的状态信息进行显示；
[0024] 分析处理界面单元，用于对所述信息处理模块输出的状态信息以及信号检测与解调的结果分别进行显示。
[0025] 优选地，所述协方差矩阵计算模块运用的计算公式为：
[0026]
[0027] 其中， 为信息处理模块的协方差矩阵，xk为M×1的接收信号矩阵，即数字光纤接收对齐单元发送给信息处理模块的数据，第k行数据对应为第k个频率的天线接收信号，N为接收阵列采集的样本数，上标H表示矩阵的共轭转置。
[0028] 优选地，自适应权值产生模块的计算公式为：
[0029]
[0030] 其中，wv为虚拟阵列的自适应权值，zi为第i个虚拟阵元的列向量，该列向量的元素从对应的虚拟阵列位置中提取，a0为期望信号的虚拟阵列导向矢量；经过自适应加权后的
输出信号为
[0031] 的第m,n个元素对应的虚拟阵列位置为 其中xm、ym、zm为第m个天线接收单元对应的直
角坐标位置。
[0032] 优选地，所述信号检测与解调单元首先采用恒虚警方法确认yv中的接收目标信息是否存在；其中，
[0033] 如果存在目标，则对该目标进行解调，提取相关幅度包络和相位信息；
[0034] 否则不予进行处理。
[0035] 优选地，所述状态信息包括：故障信息、发射频率、接收频率、通道校正幅度相位、波形参数、收发波束图、时频空及速度的四维检测结果；
[0036] 所述信号检测与解调的结果包括：发射/接收通道的噪声平均电平、目标
信噪比、目标距离、目标方位角、目标
俯仰角、目标经纬高、目标径向速度、目标运动轨迹。
[0037] 根据上述技术方案，本发明提供的多频段虚拟的扩展阵列系统在使用时的有益效果为：能够有效地充分利用所有的频点信息，将频率信息转换为多虚拟阵元信息，从而达到物理阵列虚拟扩展的目的，而且适用于所有的阵列处理系统。
[0038] 本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
[0039] 附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成
说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：
[0040] 图1是本发明的一种优选的实施方式中提供的多频段虚拟的扩展阵列系统的结构示意图。
具体实施方式
[0041] 以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
[0042] 如图1所示，本发明提供了一种多频段虚拟的扩展阵列系统，所述系统包括：
[0043] 无线电波阵列发射模块，用于发送无线数据；
[0044] 无线电波阵列接收模块，用于接收所述无线数据；
[0045] 信息处理模块，对所述无线电波阵列接收模块输入的所述无线数据进行协方差矩阵计算、自适应权值产生以及信号检测与解调操作。
[0046] 在本发明的一种优选的实施方式中，所述系统还包括：
[0047] 显示控制模块，用于向所述无线电波阵列发射模块、所述无线电波阵列接收模块与所述信息处理模块发送控制指令，并且对所述信息处理模块输出的状态信息以及信号检测与解调的结果分别进行显示。
[0048] 在本发明的一种优选的实施方式中，所述无线电波阵列发射模块包括：数字基带源、上变频模块和多频段发射天线阵列模块；其中，
[0049] 所述数字基带源产生移相后的非调制基带波形，基带波形经过所述上变频模块馈入到所述多频段发射天线阵列，再经过天线阵列辐射到电磁传播空间。
[0050] 在本发明的一种优选的实施方式中，所述无线电波阵列接收模块包括：多频段接收天线阵列、下变频模块以及数字光纤接收对其单元；其中，
[0051] 多频段接收天线阵列接收到与之相同频率的电磁波信号后，将该信号送入下变频单元处理，再发送到数字光纤接收对齐单元，实现接收数据的同步采集，同步采集后的数据送入信息处理模块。
[0052] 在本发明的一种优选的实施方式中，所述信息处理模块包括：
[0053] 协方差矩阵计算模块，用于对所述无线电波阵列接收模块输入的所述无线数据进行协方差矩阵计算操作；
[0054] 自适应权值产生模块，用于产生自适应权值；以及
[0055] 信号检测与解调模块，用于对所述自适应权值产生模块处理后的数据进行检测与解调操作。
[0056] 在本发明的一种优选的实施方式中，所述显示控制模块包括：
[0057] 系统参数命令单元，用于向所述无线电波阵列发射模块、所述无线电波阵列接收模块与所述信息处理模块发送控制指令；
[0058] 系统状态指示单元，用于对所述信息处理模块输入的状态信息进行显示；
[0059] 分析处理界面单元，用于对所述信息处理模块输出的状态信息以及信号检测与解调的结果分别进行显示。
[0060] 在本发明的一种优选的实施方式中，所述协方差矩阵计算模块运用的计算公式为：
[0061]
[0062] 其中， 为信息处理模块的协方差矩阵，xk为M×1的接收信号矩阵，即数字光纤接收对齐单元发送给信息处理模块的数据，第k行数据对应为第k个频率的天线接收信号，N为接收阵列采集的样本数，上标H表示矩阵的共轭转置。
[0063] 在本发明的一种优选的实施方式中，自适应权值产生模块的计算公式为：
[0064]
[0065] 其中，wv为虚拟阵列的自适应权值，zi为第i个虚拟阵元的列向量，该列向量的元素从对应的虚拟阵列位置中提取，a0为期望信号的虚拟阵列导向矢量；经过自适应加权后的输出信号为
[0066] 的第m,n个元素对应的虚拟阵列位置为 其中xm、ym、zm为第m个天线接收单元对应的直角坐标位置。
[0067] 在本发明的一种优选的实施方式中，所述信号检测与解调单元首先采用恒虚警方法确认yv中的接收目标信息是否存在；其中，
[0068] 如果存在目标，则对该目标进行解调，提取相关幅度包络和相位信息；
[0069] 否则不予进行处理。
[0070] 在本发明的一种优选的实施方式中，所述状态信息包括：故障信息、发射频率、接收频率、通道校正幅度相位、波形参数、收发波束图、时频空及速度的四维检测结果；
[0071] 所述信号检测与解调的结果包括：发射/接收通道的噪声平均电平、目标信噪比、目标距离、目标方位角、目标俯仰角、目标经纬高、目标径向速度、目标运动轨迹。
[0072] 以下举例说明所述多频段虚拟的扩展阵列系统的工作原理：
[0073] 以多频段雷达的虚拟扩展接收阵列系统为例，显示控制模块的系统参数命令单元向数字基带源发送线性调频脉冲波形xb(t)持续时间T、幅度A、调频斜率k、初始相位信息φ0、加权复系数wt，数字基带源产生的基带信号波形如下所示：
[0074]
[0075] 基带信号波形经过上变频调制到不同的电磁波发射频率，这里假设有三种不同的发射频率，分别为f1,f2,f3，每个发射频率对应一个发射通道，从而得到以下波形：
[0076]
[0077]
[0078]
[0079] 将xf1(t)、xf2(t)和xf3(t)分别馈送至多频段发射天线阵列中对应频率的天线单元，向大气空间辐射。辐射的电磁波被无线电波阵列接收模块的多频段接收天线阵列接收后，分不同的频率进行下变频后形成三路
数字信号送入数字光纤接收对齐单元，经
采样对齐后根据式(1)计算协方差矩阵 再根据式(2)计算虚拟阵列的自适应权值wv，并得到自适应加权后的yv，对yv进行匹配滤波的
脉冲压缩后，通过恒虚警方法确认yv中的接收目标信息是否存在，如果存在目标，则对该目标进行解调，提取相关幅度包络和相位信息，否则认为目标不存在。检测及解调的所有结果送显示控制模块的系统状态指示单元和分析处理界面。
[0080] 显示控制模块的系统状态指示单元通过高速总线接收无线电波阵列发射模块、无线电波阵列接收模块和信息处理模块发送的状态信息，这些状态信息包括故障信息、发射频率、接收频率、通道校正幅度相位、波形参数、收发波束图、时频空及速度的四维检测结果。显示控制模块的分析处理界面通过光纤传输接收信息处理模块的输出数据，并进行实时显示，显示的数据包括各发射/接收通道的噪声平均电平、目标信噪比、目标距离、目标方位角、目标俯仰角、目标经纬高、目标径向速度、目标运动轨迹。
[0081] 本发明在采用了上述设计后，能够在显示控制模块的系统参数命令单元的指令作用下，无线电波阵列发射模块的数字基带源产生移相后的非调制基带波形，基带波形经过上变频馈入到多频段发射天线阵列，经过天线阵列辐射到电磁传播空间。无线电波阵列接收模块的多频段接收天线阵列接收到与之相同频率的电磁波信号后，将该信号送入下变频单元处理，再发送到数字光纤接收对齐单元，实现接收数据的同步采集，同步采集后的数据送入信息处理模块，按步骤依次完成协方差矩阵计算、自适应权值产生和信号检测与解调。信号检测与解调单元的最终结果输出到显示控制模块的分析处理界面，各模块的状态信息输出到系统状态指示单元。此外，各模块之间、各单元之间的数据传输带宽由整个系统设置的采样率、发射/接收通道数决定，无线电波阵列发射模块与阵列接收模块之间的距离不受限制，当二者之间的距离太远时，显示控制模块的系统参数命令单元和系统状态指示都将分为两部分，分别与发射和接收模块进行信息交互。
[0082] 以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
[0083] 另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
[0084] 此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。
