二维数字阵列雷达数字波束形成系统及方法

摘要

本发明公开了一种二维数字阵列雷达数字波束形成系统及方法，主要解决了现有技术数据传输及运算量有限，系统规模小，波束控制不灵活的问题。本发明的系统包括：M×N个阵元的二维矩形数字阵列天线，DSP器件，FPGA器件及外围附属器件；本发明的数字波束形成步骤是：FPGA器件接收二维数字阵列发送的接收波束的频率、方位角和俯仰角信息；DSP根据FPGA接收的信息，计算二维数字阵列和、差、行及列波束权值，并将这些权值发送至FPGA器件；FPGA器件利用权值和光纤传输的目标回波信号，在FPGA器件中形成二维数字阵列的和、差、行及列波束。本发明具有数据传输量和系统规模大，波束数量多，波束扫描灵活，实时性强，适用于二维大型阵列雷达的数字波束形成。

说明书

技术领域

本发明属于雷达信号处理技术领域，涉及数字波束形成DBF，具体地说是一种应用FPGA和DSP在系统时序要求下实时进行阵列宽窄脉冲的和、差、行、列多波束形成，可用于二维大型数字阵列雷达，获得优良的波束性能。

背景技术

为了适应日益严峻的目标环境和高度对抗的电磁环境，雷达的性能必须大幅度提高，即必须具备高精度、多功能多目标探测、抗干扰、多种自适应和目标识别能力。随着直接数字频率合成技术DDS、模数转换技术ADC，尤其是超大规模数字电路、多元件T/R模块、微处理芯片及光纤的发展，二维数字阵列雷达将逐渐替代模拟雷达和线阵数字雷达。数字波束形成是全数字化阵列雷达中的关键，数字波束形成技术由于保留了天线阵列单元信号的全部信息，并可采用先进的数字信号处理技术对阵列信号进行处理，可以获得优良的波束性能。

近几年，国内的数字波束形成技术工作有了一定的进展，但二维数字阵列雷达还基本处于实验系统阶段。较为典型的有：

1.孙晓舟等2007年在《中国电子科学研究院学报》发表的《多工作模式下数字波束形成的工程实现》；盛卫星等2007年在全国天年会议文集发表的《二维数字波束形成接收阵研究》；田可2009年在《现代电子技术》发表的《一种高速实时波束形成器设计》。上述文献中提到的方法虽然实现了数字波束形成的功能，但由于数据传输量的限制，只适用于一维或阵列规模及波束数量不太大的二维系统，且波束扫描灵活性有限。

2.许多学者提出采用子阵级DBF方法将大型阵列划分成多个子阵处理，从而降低大型阵列信号处理的复杂度，但这些方法均存在一定的缺陷，例如采用均匀邻接子阵，其结构简单，但存在较严重的栅瓣现象；采用重叠均匀子阵，虽然减少了栅瓣数，但由于存在交叠使用的子阵结构，其馈电系统较为复杂，工程实现难度较大。

发明内容

本发明的目的在于克服上述已有技术的不足，提出一种二维数字阵列雷达数字波束形成系统及方法，既能增大数据传输量和系统规模，增加波束数量，提高波束扫描的灵活性，又不增加馈电系统的复杂度，便于工程实现。

为实现上述目的，本发明的波束形成系统包括：

M×N个阵元的二维矩形数字阵列天线，M为每列天线的个数，N为每行天线的个数，用于雷达信号的发射与接收；

DSP器件，用于利用如下公式计算二维数字阵列和波束的权值差波束的权值行波束的权值及列波束的权值并将这些权值通过总线传给FPGA：

其中θ为接收波束方位角，为接收波束俯仰角，A为天线阵面倾斜角，λ为信号的波长，i表示天线的行数，取值为1到M，k表示天线的列数，取值为1到N，为降低天线副瓣电平的泰勒加窗函数，为形成差波束的Bayliss窗函数，z_i为第(i，k)个阵元在(x，y，z)坐标系中z轴方向的坐标位置，y_k为第(i，k)个阵元在(x，y，z)坐标系中y轴方向的坐标位置；

FPGA器件，用于根据DSP器件传输的二维数字阵列的权值，分别形成二维数字阵列的和波束差波束行波束及列波束即：

其中s_i，k(t)为第i行、第k列天线阵元在t时刻接收的目标回波信号。

为实现上述目的，本发明的波束形成方法包括：

(1)通过FPGA器件接收二维数字阵列发送的接收波束的频率、方位角和俯仰角信息；

(2)DSP器件从FPGA器件中读取所接收的信息，并根据接收波束的频率、方位角和俯仰角信息，利用如下公式计算二维数字阵列和波束权值差波束权值行波束权值及列波束权值

其中θ为接收波束方位角，为接收波束俯仰角，A为天线阵面倾斜角，λ为信号的波长，i表示天线的行数，取值为1到M，k表示天线的列数，取值为1到N，M为每列天线的个数，N为每行天线的个数，为降低天线副瓣电平的泰勒加窗函数，为形成差波束的Bayliss窗函数，z_i为第(i，k)个阵元在(x，y，z)坐标系中z轴方向的坐标位置，y_k为第(i，k)个阵元在(x，y，z)坐标系中y轴方向的坐标位置；

(3)将和波束权值差波束权值行波束权值及列波束权值发送至FPGA器件；

(4)二维阵列天线接收目标回波信号，通过光纤传至FPGA器件，在FPGA器件中利用如下公式分别形成二维数字阵列的和波束差波束行波束及列波束

其中s_i，k(t)为第i行、第k列天线阵元在t时刻接收的目标回波信号。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

(1)本发明由于采用多路光纤高速数据传输、高性能FPGA器件和高性能DSP器件，解决了因为数据量大而不易实时计算的瓶颈；

(2)本发明应用于大型阵列雷达，由于大型阵列雷达的信号能量大，探测距离远，从而提高了雷达对目标探测能力和识别能力；

(3)本发明由于权值实时计算，从而对空域的波束扫描更灵活可变，实现全时空覆盖；

(4)本发明由于可以对大型阵列直接进行全阵列数字波束形成，无需划分子阵，因而馈电系统简单，便于工程实现。

附图说明

图1是本发明的系统结构图；

图2是本发明的实现总流程图；

图3是本发明的和、差、行及列波束权值计算子流程图；

图4是本发明的和、差、行及列波束形成子流程图；

图5是用本发明进行数字波束形成的测试结果图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的内容和效果。

参照图1，本发明的波束形成系统包括：M×N个阵元的二维矩形数字阵列天线、DSP器件和FPGA器件及外围附属器件。其中：二维数字阵列天线通过12对光纤与FPGA器件连接，用于将目标回波数据传送至FPGA器件，DSP器件通过地址总线和数据总线与FPGA器件双向连接。DSP器件采用ADSP-TS201芯片，其外部通过数据线和、地址线和控制信号线连接一片SDRAM芯片和一片FLASH芯片，该SDRAM芯片用于扩展存储空间，该FLASH芯片用于DSP程序加载和数据存储。FPGA器件采用Stratix IV GX系列的EP4SGX110F芯片，其外部通过数据线、地址线和控制信号线连接两片SRAM芯片、一片高速DA芯片，该SRAM芯片用于扩展FPGA存储空间，该DA芯片用于合成波束的验证。

本发明的波束形成系统系统的各部件分别完成的功能如下：

M×N个阵元的二维矩形数字阵列天线，用于雷达信号的发射和目标回波信号的接收，其中M为每列天线的个数，N为每行天线的个数。

DSP器件利用如下公式计算二维数字阵列和波束的权值差波束的权值行波束的权值及列波束的权值

其中θ为接收波束方位角，为接收波束俯仰角，A为天线阵面倾斜角，λ为信号的波长，i表示天线的行数，取值为1到M，k表示天线的列数，取值为1到N，为降低天线副瓣电平的泰勒加窗函数，为形成差波束的Bayliss窗函数，z_i为第(i，k)个阵元在(x，y，z)坐标系中z轴方向的坐标位置，y_k为第(i，k)个阵元在(x，y，z)坐标系中y轴方向的坐标位置。

DSP器件将这些权值传送给FPGA器件。

FPGA器件，根据DSP器件传输的二维数字阵列的权值，分别形成二维数字阵列的和波束差波束行波束及列波束即：

其中s_i，k(t)为第i行、第k列天线阵元在t时刻接收的目标回波信号。

根据以上系统平台，假设外部数据输入的数据率为1MHz，系统采用160MHz运算，最大同时需要完成16个波位的波束形成，由于片内512个18位×18位乘法器相当于170个复数乘法器，则最大可处理阵列数为(160×10⁶×170)÷(1×10⁶×16)＝1700个。

参照图2，本发明二维数字波束形成的方法，包括如下步骤：

步骤1：通过FPGA器件接收二维数字阵列发送的接收波束的频率、方位角和俯仰角信息。

步骤2：DSP器件从FPGA器件中读取所接收的信息，并根据接收波束的频率、方位角和俯仰角信息，利用如下公式计算二维数字阵列和波束权值差波束权值行波束权值及列波束权值

其中θ为接收波束方位角，为接收波束俯仰角，A为天线阵面倾斜角，λ为信号的波长，i表示天线的行数，取值为1到M，k表示天线的列数，取值为1到N，M为每列天线的个数，N为每行天线的个数，为降低天线副瓣电平的泰勒加窗函数，为形成差波束的Bayliss窗函数，z_i为第(i，k)个阵元在(x，y，z)坐标系中z轴方向的坐标位置，y_k为第(i，k)个阵元在(x，y，z)坐标系中y轴方向的坐标位置。

上述的二维数字阵列和、差、行及列波束权值均包括宽脉冲波束权值和窄脉冲波束权值两种。参照图3，本发明窄脉冲和宽脉冲的和、差、行及列波束权值计算具体步骤如下：

(2.1)DSP器件从FPGA器件中读取窄脉冲接收波束方位角θ′、俯仰角信号波长λ′和宽脉冲接收波束方位角θ″、俯仰角信号波长λ″；

(2.2)计算窄脉冲和宽脉冲的行波束权值和列波束权值：

(2.2.1)窄脉冲行波束权值和列波束权值为：

(2.2.2)宽脉冲行波束权值和列波束权值为：

(2.3)计算窄脉冲和宽脉冲的和波束权值和差波束权值：

(2.3.1)窄脉冲和波束权值和差波束权值为：

(2.3.2)宽脉冲和波束权值和差波束权值为：

(2.4)判断已经完成的波束个数，若波束个数小于系统要求的波束个数，则重复步骤(2.1)～步骤(2.3)，若波束个数达到系统要求的波束个数，则结束计算。

步骤3：将窄脉冲的和波束权值差波束权值行波束权值及列波束权值和宽脉冲的和波束权值差波束权值行波束权值及列波束权值通过数据总线发送至FPGA器件。

步骤4：二维阵列天线接收目标回波信号，通过光纤传至FPGA器件，在FPGA器件中，利用DSP器件传输的二维数字阵列的权值，分别形成二维数字阵列的和波束差波束行波束及列波束

其中s_i，k(t)为第i行、第k列天线阵元在t时刻接收的目标回波信号。

上述的二维数字阵列和、差、行及列波束形成均包括宽脉冲波束和窄脉冲波束两种。

参照图4，本发明二维数字阵列和、差、行、列波束形成的具体步骤如下：

(4.1)光纤数据移位处理：光纤数据在传输过程中根据校验控制码判断数据是否正确，若校验控制码为3，则光纤数据正确，若校验控制码不为3，则光纤数据会出现高、低8位移位的现象，进行移位纠正；

(4.2)目标回波数据对齐处理：接收到的目标回波数据经移位校正处理后，将其由实虚部数据按照高低位拼接成32bit的数据，再通过一组双口RAM读写操作将各路目标回波数据按距离单元严格对齐，防止因光纤传输距离误差引起的距离单元错位；

(4.3)数据拼接处理：将对齐处理后的12路目标回波数据的第2路、第4路、第6路、第8路、第10路和第12路数据分别拼接在第1路、第3路、第5路、第7路、第9路和第11路目标回波数据之后，得到6路目标回波数据s_i，k(t)；

(4.4)权值分发步骤：将FPGA器件接收的窄脉冲和波束权值差波束权值行波束权值列波束权值和宽脉冲和波束权值差波束权值行波束权值列波束权值分发到两组RAM中存储；

(4.5)窄脉冲和宽脉冲的和、差、行、列波束形成：

(4.5.1)将步骤(4.3)拼接后的目标回波数据s_i，k(t)与步骤(4.4)存储的窄脉冲和波束权值差波束权值行波束权值及列波束权值按如下公式进行运算，完成窄脉冲的和波束差波束行和列波束的形成：

(4.5.2)将步骤(4.3)拼接后的目标回波数据s_i，k(t)与步骤(4.4)存储的宽脉冲和波束权值差波束权值行波束权值及列波束权值按如下公式进行运算，完成宽脉冲的和波束差波束行波束和列波束的形成：

本发明的效果可以通过如下测试结果进一步说明：

由模拟信号源产生方位在(-45°，+45°)范围内的扫描信号，对系统形成的和、差波束进行扫描，将扫描结果经D/A转换，最终由示波器给出测试图，如图6所示，其中图6(a)为和波束测试图，图6(b)为差波束测试图，图6中标注1所示波形未取对数，标注2所示波形取对数。

由图6测试结果可见，二维数字阵列雷达数字波束形成可通过本发明的系统和方法正确实现。