有源相控阵雷达--波束形成与扫描

yummy 阅读：138 2024-02-25 14:35:21 评论：0

有源相控阵雷达--波束形成与扫描

波束形成与扫描是有源相控阵雷达（APAR）实现目标探测和跟踪的关键技术。以下是波束形成与扫描的具体实现过程，以及相应的Verilog代码示例。

1. 波束形成的基本原理

波束形成（Beamforming）是通过调整各个天线单元的相位和幅度，使得多个天线单元发射或接收的信号在特定方向上相干叠加，从而形成一个指向该方向的波束。波束方向可以通过电子方式快速调整，实现对不同方向的扫描。

2. 波束形成的实现步骤

2.1 信号生成与放大

每个天线单元生成和放大发射信号。

2.2 相位调整

通过移相器调整每个天线单元的发射信号相位，使得信号在特定方向上相干叠加，形成波束。

2.3 信号发射

调整相位后的信号通过天线单元发射出去，形成所需方向的波束。

3. 波束扫描的实现步骤

3.1 改变相位差

通过改变各个天线单元的相位差，可以快速调整波束方向，实现对整个空间的扫描。

3.2 多波束操作

同时形成多个波束，实现对多个方向的扫描和探测。

4. Verilog代码示例

以下是一个简单的Verilog代码示例，展示了波束形成与扫描的基本实现过程。

module beamforming(
    input wire clk, // 时钟信号
    input wire rst, // 复位信号
    input wire [7:0] phase_control [0:7], // 相位控制信号数组
    input wire signed [15:0] rf_in [0:7], // 输入射频信号数组
    output wire signed [15:0] rf_out // 输出射频信号
);

    reg signed [15:0] phase_shifted_signal [0:7];
    reg signed [15:0] combined_signal;

    // 移相器的实现
    always @(posedge clk or posedge rst) begin
        if (rst) begin
            integer i;
            for (i = 0; i < 8; i = i + 1) begin
                phase_shifted_signal[i] <= 16'd0;
            end
        end else begin
            integer i;
            for (i = 0; i < 8; i = i + 1) begin
                phase_shifted_signal[i] <= rf_in[i] * $cos(phase_control[i]) - $sin(phase_control[i]);
            end
        end
    end

    // 信号合成
    always @(posedge clk or posedge rst) begin
        if (rst) begin
            combined_signal <= 16'd0;
        end else begin
            combined_signal <= phase_shifted_signal[0] + phase_shifted_signal[1] +
                               phase_shifted_signal[2] + phase_shifted_signal[3] +
                               phase_shifted_signal[4] + phase_shifted_signal[5] +
                               phase_shifted_signal[6] + phase_shifted_signal[7];
        end
    end

    assign rf_out = combined_signal;

endmodule

2. 波束扫描控制模块

这个模块实现了波束扫描控制，通过改变相位控制信号，实现波束方向的快速调整。

module beam_scanning_control(
    input wire clk, // 时钟信号
    input wire rst, // 复位信号
    input wire [7:0] scan_control, // 扫描控制信号
    output wire [7:0] phase_control [0:7] // 相位控制信号数组
);

    reg [7:0] base_phase [0:7];

    // 初始相位设置
    initial begin
        base_phase[0] = 8'd0;
        base_phase[1] = 8'd45;
        base_phase[2] = 8'd90;
        base_phase[3] = 8'd135;
        base_phase[4] = 8'd180;
        base_phase[5] = 8'd225;
        base_phase[6] = 8'd270;
        base_phase[7] = 8'd315;
    end

    // 扫描控制
    always @(posedge clk or posedge rst) begin
        if (rst) begin
            integer i;
            for (i = 0; i < 8; i = i + 1) begin
                phase_control[i] <= base_phase[i];
            end
        end else begin
            integer i;
            for (i = 0; i < 8; i = i + 1) begin
                phase_control[i] <= base_phase[i] + scan_control;
            end
        end
    end

endmodule

3. 顶层模块

这个模块将波束扫描控制模块和波束形成模块集成在一起，形成完整的相控阵雷达系统。

module phased_array_radar(
    input wire clk, // 时钟信号
    input wire rst, // 复位信号
    input wire signed [15:0] rf_in [0:7], // 输入射频信号数组
    input wire [7:0] scan_control, // 扫描控制信号
    output wire signed [15:0] rf_out // 输出射频信号
);

    wire [7:0] phase_control [0:7];

    // 实例化波束扫描控制模块
    beam_scanning_control scan_control_inst (
        .clk(clk),
        .rst(rst),
        .scan_control(scan_control),
        .phase_control(phase_control)
    );

    // 实例化波束形成模块
    beamforming beamforming_inst (
        .clk(clk),
        .rst(rst),
        .phase_control(phase_control),
        .rf_in(rf_in),
        .rf_out(rf_out)
    );

endmodule

4. 测试平台

为了验证我们设计的相控阵雷达系统，我们需要编写一个测试平台来模拟输入信号和控制信号，并观察输出信号。

module testbench;

    reg clk;
    reg rst;
    reg signed [15:0] rf_in [0:7];
    reg [7:0] scan_control;
    wire signed [15:0] rf_out;

    // 实例化顶层模块
    phased_array_radar radar_inst (
        .clk(clk),
        .rst(rst),
        .rf_in(rf_in),
        .scan_control(scan_control),
        .rf_out(rf_out)
    );

    // 时钟生成
    initial begin
        clk = 0;
        forever #5 clk = ~clk;
    end

    // 测试向量
    initial begin
        rst = 1;
        scan_control = 8'd0;
        rf_in[0] = 16'd100;
        rf_in[1] = 16'd100;
        rf_in[2] = 16'd100;
        rf_in[3] = 16'd100;
        rf_in[4] = 16'd100;
        rf_in[5] = 16'd100;
        rf_in[6] = 16'd100;
        rf_in[7] = 16'd100;
        #10 rst = 0;
        #100 scan_control = 8'd10;
        #100 scan_control = 8'd20;
        #100 scan_control = 8'd30;
        #100 $stop;
    end

    // 输出监控
    initial begin
        $monitor("Time: %0d, rf_out: %d", $time, rf_out);
    end

endmodule

5. 代码解释

beamforming模块：实现波束形成，通过调整每个天线单元的相位，使得信号在特定方向上相干叠加，形成波束。

beam_scanning_control模块：实现波束扫描控制，通过改变相位控制信号，实现波束方向的快速调整。

phased_array_radar顶层模块：将波束扫描控制模块和波束形成模块集成在一起，形成完整的相控阵雷达系统。

testbench测试平台：用于验证相控阵雷达系统的功能，模拟输入信号和控制信号，并观察输出信号。