数字波束形成

摘要： 针对目前雷达系统对数字波束形成的要求越来越高,传统FPGA实现的方法已无法满足系统要求的问题,本文提出了一种基于VxWorks+FPGA平台的雷达数字波束形成方法,通过计算机求得阵元级波束系数,再运用FPGA的高速率乘法器进行阵面波束合成,大大提高了DBF的实时性、可靠性、可拓展性。最后,运用实际算例仿真验证了该方法的有效性。

摘要： 针对水下鱼雷自导接收系统中宽带波束形成存在的问题,采用高精度分数延迟器设计实现了一种精确时延宽带数字波束形成器,理论分析了该波束形成器的原理、特点和优势;仿真验证了该波束形成器的有效性和优越性,并与传统方式进行仿真对比。在Virtex-7 FPGA平台上的设计实现展示了该波束形成器的实现效率及实用性,利用System Generator编译开发板上的电路,完成了精确波束形成实现方法验证,并生成图表。结果表明所设计的精确波束形成器能够顺利运行,并且达到所需设计目标。

摘要： 由于数字波束形成(digital beam forming,DBF)系统需要多个天线单元来形成波束,将极大增加系统的体积与功耗,无法很好地应用在无人机、导弹和微纳卫星平台中。针对上述问题,提出一种基于射频收发器AD9371的新型高中频(high intermediate frequency,high-IF)架构DBF系统硬件电路设计方法,该设计在满足收发全数字、高精度、灵活、小型化和Ku波段需求的同时,有效地减少了硬件系统干扰杂散,提高了DBF系统性能。暗室环境测试验证了该系统在单波束和多波束的条件下具有优越的性能。

摘要： 针对相控阵雷达中的数字波束形成系统,设计并实现了一种通用加权系数计算模块,以满足波束赋形、快速波束响应、同时多波束等的设计需求。该模块采用参数化的设计方法,能够根据设计需求与控制命令参数实时计算加权系数,具备灵活、可靠、硬件资源消耗低等优点,且能同时兼顾线阵和平面阵的阵列形式。硬件测试结果表明:该模块能够在控制命令下正确产生相应的加权系数,满足设计需求。

摘要： 距离向多通道数字波束形成(digital beamforming,DBF)技术可以显著提高星载高分辨率宽测绘带合成孔径雷达(high-resolution wide-swath synthetic aperture radar,HRWS-SAR)的系统性能,但在高分辨宽测绘带的情况下,传统DBF处理方法难以避免脉冲扩展损耗(pulse extension loss,PEL)的影响,导致DBF处理性能的显著下降。根据星载DBF扫描接收(Scan-On-Receive,SCORE)的几何模型,本文分析了离测绘带中心较远目标受PEL影响较大的原因。针对这个问题,提出了一种基于多路群时延的星载DBF实时处理方法,该方法将传统DBF处理中的单路群时延替换为多路群时延来提升DBF处理性能。与基于单路群时延的传统星载DBF处理相比,多路群时延处理方法可以为测绘带内的所有目标提供更精确的时延补偿,从而使得距离向各通道信号得到更好的相干合成,大幅度降低PEL的影响。点目标仿真结果验证了所提出星载DBF处理方法的有效性。

摘要： 针对低轨星载正六边形阵的二维波达角(Direction Of Arrival,DOA)估计问题,文中提出了一种基于直接加权法及空间几何原理的降维和差测向算法,该算法分为两个步骤,利用分段处理的直接加权法进行两次一维和差测向,得到非十字交叉的两个方向的两个方位角;利用误差校正处理的降维解算模型得到所求平面阵的方位角及俯仰角。仿真结果表明,在大于-10 dB的低信噪比环境中,方位角鉴角误差稳定,不超过1.2°,俯仰角鉴角误差稳定,不超过0.8°,可以有效实现DOA估计。

摘要： 为满足卫星多功能可重构的应用需求,提出了一种适合于星载应用的多功能可重构终端设计方案;可重构终端方案与常规方案相比,采用了可重构的天线单元,可根据任务需求进行在轨极化重构;数字基带采用双FPGA设计,可根据需求对基带功能进行在轨动态重构;对射频系统进行了优化,将部分天线功能集成至射频前端中;基于以上三点设计,可重构终端实现了极化、方向图、功率分配、调制方式等功能的在轨重构;通过重构,终端可支持测控、通信、电子侦察等多种应用场景;对终端的原理样机设计、在轨重构流程进行了介绍,并阐述了硬件实现和实际测试结果;经实测,极化重构后的交叉极化隔离度达19 dB以上;终端可适配8 kbps的低速测控通信和2 Mbps的高速数传通信;发射功率动态分配范围达3 dB以上;实现和测试结果表明,产品功能实现正确,性能良好,终端架构简单,系统设计灵活,可扩展性强,具有较强的工程参考价值。

摘要： 本文针对主瓣多假目标欺骗干扰对抗的难题,提出一种基于阵元脉冲编码多输入多输出(Element-Pulse Coding Multiple-Input Multiple-Output,EPC-MIMO)波形自适应设计的干扰抑制方法.阵元脉冲编码技术可在不影响真目标回波特性前提下,调整假目标在发射频率域的能量分布.利用这一特性,本文以真假目标空域相关性极小化为优化目标设计EPC-MIMO波形,使假目标能量分布于真目标空域检测区域外,进而在接收端通过数字波束形成实现假目标的有效抑制.此外,由于EPC-MIMO波形的自适应设计需要对干扰进行认知,本文还提出一种基于EPCMIMO波形的干扰快速认知方法.仿真实验验证了所提方法的有效性.

摘要： 分辨率和测绘带是星载合成孔径雷达(SAR)技术的两个重要指标,传统星载SAR由于最小天线面积的限制,不能同时实现方位向高分辨率和距离向宽测绘带。文章分析了星载SAR在同时实现高分和宽幅成像方面的固有约束以及传统SAR体制的局限性,分析比较了实现高分宽幅的新体制的技术特点、系统代价以及涉及的关键技术,从卫星总体角度分析了高分宽幅成像对卫星平台能源、数传等支撑能力的需求,并对未来高分宽幅SAR技术体制的发展方向进行了展望。

摘要： 本文所研究的方法是利用压缩感知理论,借助目标空间来波的稀疏特性,对空域稀疏信号的采样矩阵进行压缩采样,然后建立并求解目标函数[6-9]重构出满阵时的通道数据,最后波束输出是采用重构的满阵的数据进行自适应数字波束形成后得到相应的阵列权重系数实现的。

摘要： 地基雷达是微波成像基于地面平台的应用,具有可重复观测、稳定、可控的特点,可应用于露天矿边坡形变、城区沉降、山体滑坡等领域的长期观测.然而,目前的地基雷达基本成像原理是通过机械运动形成合成孔径,采集时间较长,不适用于快速监测.基于多通道阵列天线的雷达通过阵列天线阵元之间的电子切换扫描实现阵列方向的聚焦,可以满足快速监测的需求.本文在地基雷达中引入阵列电子扫描的工作模式,大幅度提高数据获取效率,推导了在方位向采用数字波束形成方法聚焦的处理过程.具体的,首先建立了阵列扫描的地基雷达成像几何,继而推导了应用于地基雷达实测数据成像处理的数字波束形成算法,形成了阵列扫描地基雷达的数据处理流程,最后,通过边坡实测数据的成像处理,验证了本文成像方法及处理流程的有效性,并通过强散射体的成像指标,分析了成像性能.

摘要： GNSS-R技术是一种新型的被动式探测技术,通过安装在卫星平台上的GNSS-R接收机,对来自海面反射的GNSS信号进行多普勒频移和码相位延迟的测量,可提取海上目标的特征.本文设计了一种基于数字波束形成的双频双模GNSS-R海洋反射接收机,该接收机通过时间延迟-多普勒阵列相关器进行海洋反射信号与直达信号的信号相关,可以实现不同多普勒频移与时间延迟的自由配置.通过对接收的海洋反射信号的处理可以实现对海面高度和海面风场进行反演以及海面目标探测.为了提高信噪比接收机设计了一个数字波束形成网络.数字波束形成网络利用波束形成处理阵列接收信号,通过改变滤波器权值,可使某些期望方向的信号通过滤波器,同时抑制其它方向的信号,通过改变波束的指向,可以实现波束指向的扫描.信号处理模块完成对直达信号捕获跟踪、定位解算、输出观测量,对反射信号根据预报的多普勒频移和码相位延迟进行阵列相关,输出相关功率波形图,利用设计的GNSS-R海洋反射接收机进行外场试验,通过对数据的处理,得到的反演高度误差小于0.7m.

摘要： 数字波束形成(Digital BeamForming,DBF)是星载合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar,SAR)获取高分辨率宽测绘带(High Resolution WideSurvey,HRWS)图像的主要途径.该技术能够保证星载SAR的接收天线以最大接收增益接收回波,从而提高星载SAR系统的成像性能.随着星载SAR系统分辨率和测绘带的不断增加,采用传统DBF方法处理会导致SAR系统的接收增益逐渐降低.针对上述问题,本文首先根据星载SAR距离向DBF接收回波信号的几何模型,研究了在宽测绘情况下传统DBF采用单组时延方法处理所带来的回波视角的偏差问题,分析了宽测绘边缘接收增益大幅度衰减的原因.其次,本文将传统DBF中的单组时延方法改进为多组时延DBF处理,从而避免了测绘带边缘增益严重衰减的发生.与传统DBF方法相比,改进的DBF方法可以在相同的宽测绘条件下获得更好的性能.最后,仿真结果验证了改进方法的有效性.

摘要： 本文对星载Ka频段合成孔径雷达(SAR)和干涉合成孔径雷达(InSAR)系统的优势及可行性进行了研究,设计了一套由两颗Ka-SAR卫星编队组成的分布式单航过InSAR系统.该系统的主要目标是高分辨对地成像、视频SAR观测、场景高程测量.与低频系统相比,Ka频段系统主要在大气传播衰减、基线测量精度等方面面临巨大挑战.本文利用数字波束形成(DBF)技术提高接收增益,对系统的干涉基线测量精度、干涉测高精度等进行分析.

摘要： MIMO-SAR在高分宽幅SAR系统领域具有很大的发展潜力.它主要是通过多发多收的方式获取更多的相位中心,从而可以应用于常规SAR成像、干涉以及动目标检测等.然而,关于MIMO-SAR研究的一个技术难题是如何有效的实现回波信号的分离.当前这项技术已经成为限制MIMO在SAR中应用的一个瓶颈.移时正交波形是最近几年提出来的一种可能应用于SAR的正交波形.这种波形不是严格正交,而是满足在一定的时间范围内近似正交.本文提出了一种基于移时正交波形的SAR系统,并且详细推导了基于该体制的处理流程.为了将混合在一起的来自于不同发射通道的信号成功分离,本文引入了距离向DBF(数字波束形成)技术以及基于距离向DBF的零点指向技术.仿真部分设计了一种MIMO-SAR系统,并进行了仿真.在仿真过程中运用DBF与零点指向技术,成功的将回波信号分离并成像.文章的最后将两发信号扩展到多发并简略分析了性能和以及与两发的区别.

摘要： 数字波束形成(DBF)是自适应天线中的一种方法.DBF可以根据来波信号方向调整波束方向图,对干扰方向的信号产生零点.采样矩阵求逆是实现数字波束形成的一种算法.本文介绍基于VIRTEX5的FPGA芯片(XILINX公司产品)仿真和验证QRD-SMI算法.QR矩阵分解用于采样矩阵上三角化便于更好的在硬件中对矩阵求逆.在实际应用处理中运用了脉动阵列,GIVENS旋转,CORDIC算法这些数字电路中的方法实现SMI算法,在自适应天线中数字波束形成方面有很高的工程价值.

摘要： 本文提出了基于VXI总线DSP+FPGA的波束形成处理平台的设计方案，对天线阵列信号使用DSP完成复杂的信号DOA估计和数字波束形成权值的计算，使用FPGA组完成多个波束的数字波束形成运算;并详细描述了系统的硬件实现。

摘要： 园柱共形DBF天线阵中,由于天线阵中各个分天线不在同一平面上,边缘的分天线存在相当程度的绕射,这种绕射使得在进行DBF合成时,天线的方向图比较容易出现高的栅瓣.本文通过分析表明,低的副瓣与需要合成的部分分天线构成的圆心角以及分天线的反射板的尺寸有重要的关系.

摘要： 园柱共形DBF天线阵中,由于天线阵中各个分天线不在同一平面上,边缘的分天线存在相当程度的绕射,这种绕射使得在进行DBF合成时,天线的方向图比较容易出现高的栅瓣.本文通过分析表明,低的副瓣与需要合成的部分分天线构成的圆心角以及分天线的反射板的尺寸有重要的关系.

摘要： 园柱共形DBF天线阵中,由于天线阵中各个分天线不在同一平面上,边缘的分天线存在相当程度的绕射,这种绕射使得在进行DBF合成时,天线的方向图比较容易出现高的栅瓣.本文通过分析表明,低的副瓣与需要合成的部分分天线构成的圆心角以及分天线的反射板的尺寸有重要的关系.

摘要： 本发明公开了一种基于数字延时和相位补偿的数字发射波束形成方法，在FPGA中利用双累加器和CORDIC算法设计第一DDS，得到模拟的第一中频信号；在FPGA中采用多相处理技术设计第二DDS，利用两个双累加器和CORDIC算法，得到第二中频信号的数字基带信号，插值滤波数字上变频后得到模拟的第二中频信号；设计分数延时滤波器和整数延时滤波器，分四相实现数字延时滤波器；利用外输的基准时钟信号、捷变频本振信号产生第一、第二本振信号，混频滤波产生射频信号；射频信号放大后通过天线阵列发射，在空间完成波束合成。本发明利用多个DDS组合产生窄带信号和宽带信号，利用相位控制和连续可变的数字延时，实现窄带信号、宽带信号的发射波束形成。

摘要： 本发明公开了一种基于数字延时和相位补偿的数字发射波束形成方法，在FPGA中利用双累加器和CORDIC算法设计第一DDS，得到模拟的第一中频信号；在FPGA中采用多相处理技术设计第二DDS，利用两个双累加器和CORDIC算法，得到第二中频信号的数字基带信号，插值滤波数字上变频后得到模拟的第二中频信号；设计分数延时滤波器和整数延时滤波器，分四相实现数字延时滤波器；利用外输的基准时钟信号、捷变频本振信号产生第一、第二本振信号，混频滤波产生射频信号；射频信号放大后通过天线阵列发射，在空间完成波束合成。本发明利用多个DDS组合产生窄带信号和宽带信号，利用相位控制和连续可变的数字延时，实现窄带信号、宽带信号的发射波束形成。

摘要： 本发明公开了一种自适应数字波束形成器及形成方法，利用接收参数模块接收工作模式参数，并缓存快拍数据，回波接收模块接收并缓存回波数据。然后将工作模式参数和快拍数据送入系数映射模块，按照天线阵列分布映射得到和差通道的快拍数据。将映射后的快拍数据送入计算协方差矩阵模块求得协方差矩阵。将协方差矩阵送入矩阵求逆模块得到逆矩阵。将逆矩阵结果送入权值计算模块求得自适应权值。将权值送入归一化模块进行归一化处理。最后将归一化后的权值和缓存的回波数据均送入波束形成模块形成数字波束。本发明具有参数可灵活配置、实时性强等优点，具有较高的应用价值。

摘要： 本发明公开了一种基于数字去斜和频域均衡的宽带接收数字波束形成方法，受限于FPGA时钟频率，对采样后送入FPGA的宽带中频信号进行数据率转换，将信号分为多相表示；根据接收波束形成指向需求，计算相应阵元的延时需求，并根据信号的采样频率将延时分为整数延时和分数延时；采样信号经整数延时后采用基于多相插值滤波的正交处理方法实现中频信号到基带信号的转换；设计均衡滤波器实现发射和接收通道的联合校正，采用基于逆傅里叶变换的频域均衡方法求取滤波器系数；正交变换输出经过均衡滤波器与多个累加器产生的分数延时去斜本振相位，采用CORDIC算法实现均衡处理后的回波信号的数字去斜处理和分数延时补偿，CORDIC输出经过Taylor加权和Bayliss加权形成低旁瓣和差波束。

摘要： 本发明公开了一种微波光子数字波束形成方法。该方法通过引入光域对宽带信号的信道化接收处理，结合光子技术的宽带处理优势和数字技术的精细、灵活可重构的优势，对阵列天线接收到的射频信号形式无要求，可实现同时多频段、多种信号形式的灵活可重构的宽带波束形成；且通过基于在数字域实现对光域精细化处理后的信号的延时控制，可用于实现大规模射频阵列系统，避免引入大规模的光真延时器件，并且避免改变阵元数时对系统做较大改动甚至重新设计。本发明还公开了一种微波光子数字波束形成装置及宽带数字阵列雷达。本发明可以广泛应用于航电系统、雷达、电子战等多波段、多功能的一体化阵列射频系统。

摘要： 本发明公开了一种分布式数字波束形成网络，依据分布式算法以存储器资源取代硬件乘法器资源完成并行的乘累加运算，特别适合存储器资源丰富的硬件体系架构如FPGA等，也可由闪存存储器等配置实现，因此极大降低了硬件资源的需求和硬件设计的难度，以较低的成本实现复杂的、大规模的波束形成处理。

摘要： 本发明公开了一种基于FPGA的稳健波束切换宽带数字波束形成装置，包含顶层控制模块、时延与相位补偿值解算模块、相位补偿复权值计算模块、整数时延及小数滤波器系数计算模块、主通道数据移相延时模块、辅助通道数据移相延时模块、数据通道切换模块、数据合成模块。本发明实现了宽带数字波束形成数据在波束切换时数据不间断，优化了分数时延滤波器资源占用，提高了宽带数字相控阵天线的信号数据稳定性。

摘要： 本发明公开了一种自适应数字波束形成器及形成方法，利用接收参数模块接收工作模式参数，并缓存快拍数据，回波接收模块接收并缓存回波数据。然后将工作模式参数和快拍数据送入系数映射模块，按照天线阵列分布映射得到和差通道的快拍数据。将映射后的快拍数据送入计算协方差矩阵模块求得协方差矩阵。将协方差矩阵送入矩阵求逆模块得到逆矩阵。将逆矩阵结果送入权值计算模块求得自适应权值。将权值送入归一化模块进行归一化处理。最后将归一化后的权值和缓存的回波数据均送入波束形成模块形成数字波束。本发明具有参数可灵活配置、实时性强等优点，具有较高的应用价值。

摘要： 本发明公开了一种基于数字去斜和频域均衡的宽带接收数字波束形成方法，受限于FPGA时钟频率，对采样后送入FPGA的宽带中频信号进行数据率转换，将信号分为多相表示；根据接收波束形成指向需求，计算相应阵元的延时需求，并根据信号的采样频率将延时分为整数延时和分数延时；采样信号经整数延时后采用基于多相插值滤波的正交处理方法实现中频信号到基带信号的转换；设计均衡滤波器实现发射和接收通道的联合校正，采用基于逆傅里叶变换的频域均衡方法求取滤波器系数；正交变换输出经过均衡滤波器与多个累加器产生的分数延时去斜本振相位，采用CORDIC算法实现均衡处理后的回波信号的数字去斜处理和分数延时补偿，CORDIC输出经过Taylor加权和Bayliss加权形成低旁瓣和差波束。

摘要： 本发明公开了一种微波光子数字波束形成方法。该方法通过引入光域对宽带信号的信道化接收处理，结合光子技术的宽带处理优势和数字技术的精细、灵活可重构的优势，对阵列天线接收到的射频信号形式无要求，可实现同时多频段、多种信号形式的灵活可重构的宽带波束形成；且通过基于在数字域实现对光域精细化处理后的信号的延时控制，可用于实现大规模射频阵列系统，避免引入大规模的光真延时器件，并且避免改变阵元数时对系统做较大改动甚至重新设计。本发明还公开了一种微波光子数字波束形成装置及宽带数字阵列雷达。本发明可以广泛应用于航电系统、雷达、电子战等多波段、多功能的一体化阵列射频系统。