CN102680946B - 基于微分算子的超宽带波束形成器及实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于微分算子的超宽带波束形成器及其实现方法。超宽带波束形成器包括一个波束求和模块和多个阵元通道，每个阵元通道包括权系数和时延量存储模块、窄带相位补偿模块、精确时延补偿模块。本发明超宽带波束形成器实现方法的步骤：1.存储权系数和时延量；2.窄带相位补偿；3.精确时延补偿；4.波束求和。本发明采用微分算子时延补偿器进行时延补偿，减少了乘法次数，降低了运算量和乘法器资源开销，该时延补偿器为全通滤波器，可以实现全带宽内精确时延补偿，基于该微分算子时延补偿器的波束形成器可以实现大角度连续波束扫描，采用可编程逻辑器件FPGA进行实现，具有较高的移相/延时精度。

Description

基于微分算子的超宽带波束形成器及实现方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，更进一步涉及超宽带阵列雷达技术领域的一种基于微分算子的超宽带波束形成器及其实现方法。本发明解决了超宽带波束形成硬件实现资源开销过大的问题，可用于宽带/超宽带波束形成。

背景技术

波束形成是广泛应用于阵列雷达领域中的一项技术，为了让阵元天线阵列指向一个特定的方向，加强该方向的信号强度，基本的波束形成方法是对各阵元接收到的信号按该波束到达方向进行延时，补偿到各阵元信号同相位再进行相加，得到该方向的波束输出。对于超宽带信号采用传统的移相处理会造成波束扫描不准和主瓣展宽，因此需要使用时域的精确延时补偿来进行接收波束形成。

目前，传统的数字时延方法，包括过密采样、数字时域内插、频率线性相位加权等，都有一个共同的缺点，无法提供可变的时延，对于不同时延量都需要重新设计补偿滤波器系数，而且过密采样需要使用工作频率过高的ADC器件，同时造成数据量过大等问题。

浙江大学提出的专利申请“一种宽带数字波束形成方法”(专利申请号200810062479.6，公开号CN101296014A)公开了一种宽带数字波束形成方法。该方法包括时分复用中频正交采样、正交解调、低通滤波、内插延时与相位旋转以及波束求和等步骤。该专利申请存在的不足是，采用内插值的方式实现波束延时补偿，增加了额外的运算量，而且滤波器系数和时延量有关，每当时延量改变时滤波器系数就要重新计算加载，增加了系统负担，同时不便于实现大角度的连续波束扫描。

胡永君、陈文俊等人在“基于分数时延滤波器的宽带数字信号时延的实现”(《雷达与对抗》2010年6月第30卷第2期)中公开了四种分数时延滤波器的设计方法。公开的四种方法分别为直接截断法、sinc函数加窗法、Lagrange插值法和General Leastsquares设计方法，但是这四种方法所设计分数时延滤波器均为带通滤波器，应用于需要大带宽大角度扫描的宽带/超宽带波束形成器时会导致波束指向和形状精度降低的现象。

目前，工程中公认的更优的设计方法是使用可变分数时延滤波器，使时延量独立于分数时延滤波器系数，实现时延量的连续变化补偿。声纳学中的Farrow结构可以实现时延量和滤波器系数分离，从而实现可变分数时延滤波器，但是，该方法的经典Farrow结构由多个子通道构成，各子通道都需要相同阶数滤波器，从而导致所需滤波器阶数过高实现困难。

实际雷达工程中应用较多的光纤真时延波束形成器，能够实现无阵面畸变的宽带以及超宽带波束形成器。其特点使用光纤来实现ps级别的实时延时，但是该方法存在的不足是，实现超宽带波束形成器的移相精度只能做到4到6位，且成本较高。

发明内容

本发明的目的在于克服上述已有技术的不足，解决宽带以及超宽带波束形成中可变分数时延滤波器结构复杂实现困难等问题，提出一种基于微分算子的超宽带波束形成器及其实现方法，降低可变分数时延滤波器结构复杂度，减少超宽带波束形成硬件资源开销。

本发明基于微分算子的超宽带波束形成器，包括一个波束求和模块和多个阵元通道，每个阵元通道包括权系数和时延量存储模块、窄带相位补偿模块、精确时延补偿模块，各模块之间通过总线相连，其中：权系数和时延量存储模块，用于存储各阵元通道窄带相位补偿权系数和时延量；窄带相位补偿模块，用于补偿各阵元通道之间的窄带相位差；精确时延补偿模块，由两个微分算子时延补偿器构成，用于补偿各阵元通道之间的时延差；用于对各阵元通道经过相位和时延补偿至波前对齐的输出信号进行波束求和。

本发明基于微分算子的超宽带波束形成器实现方法，包括如下步骤：

(1)存储权系数和时延量

将各阵元通道窄带相位补偿权系数实部、虚部和时延量放大2^K倍后存储到各阵元通道中权系数和时延量存储模块的随机存储器RAM中，得到各阵元通道的权系数和时延量存储模块。

(2)窄带相位补偿

复数乘法器将用户输入的各阵元通道输入复信号和各阵元通道窄带相位补偿权系数相乘，将所得结果除低K位以外的高位按照实部和虚部两路信号输出，得到窄带相位补偿模块。

(3)精确时延补偿

3a)将时延量右移K位，得到整数倍时延量。

3b)取时延量低K位，得到分数倍时延量。

3c)将窄带相位补偿后的信号数据输入移位寄存器，整数倍时延量作为移位寄存器控制信号，对输入信号进行整数倍时延补偿。

3d)移位寄存器输出信号依次输入N级D触发器完成N级延时，减法器将各级D触发器输入信号和输出信号相减，得到D触发器和减法器构成的各级微分算子的输出信号。

3e)将各通道子滤波器系数

放大2^K倍作为常系数乘法器系数，得到各级D触发器通道的常系数乘法器，各级微分算子输出信号分别输入各级D触发器通道的常系数乘法器。

3f)将乘法器系数为

的N-M+1个常系数乘法器输出信号数据相加求和，加和结果右移K位，乘法器将移位结果和分数倍时延量相乘，相乘结果和乘法器系数为

的N-M个常系数乘法器输出信号数据相加求和，加和结果右移K位，乘法器将移位结果和分数时延量相乘，相乘结果和乘法器系数为

的N-M-1个常系数乘法器输出信号数据相加求和，依次类推，直到乘法器输出结果和乘法器系数为

的N个常系数乘法器输出信号数据相加求和，加和结果右移K位，乘法器将移位结果和分数时延量相乘，相乘结果右移K位，移位结果和移位寄存器输出信号数据相加求和，将求和结果输出，得到微分算子时延补偿器。

3h)将各阵元通道的时延量和窄带相位补偿后的实部信号、虚部信号输入微分算子时延补偿器，进行时延补偿，将所得结果按照实部和虚部两路信号输出，得到精确时延补偿模块。

(4)波束求和

加法树分别对输出的各阵元通道的实部信号数据和虚部信号数据进行波束求和，将求和结果分实部信号和虚部信号两路输出，得到波束求和模块。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

第一，由于本发明基于微分算子的超宽带波束形成器采用微分算子时延补偿器进行精确的时延补偿，各通道子滤波器的系数个数逐级递减，减少了乘法次数，克服了现有技术分数时延滤波器阶数过高，实现困难的缺陷，使得本发明具有了实现简单，硬件乘法器资源开销少的优点。

第二，由于本发明基于微分算子的超宽带波束形成器采用的微分算子时延补偿器是全通滤波器，能够对阵元通道的信号进行全带宽的波束合成，波束主瓣形状和指向跟带宽没有关系，克服了现有技术中宽带/超宽带波束形成器的在大带宽大角度扫描时存在的波束指向和形状精度降低现象，使得本发明具有了可以在全带宽内进行精确波束合成的优点。

第三，由于本发明基于微分算子的超宽带波束形成器采用微分算子时延补偿器进行时延补偿，克服了现有技术实现大角度的连续波束扫描困难的缺陷，使得本发明具有了可以进行连续大角度波束扫描的优点。

第四，由于本发明基于微分算子的超宽带波束形成器实现方法采用微分算子时延补偿器，其等效的移相精度较高，根据不同的可编程逻辑器件FPGA级别，可以达到12～16位移相/延时精度，克服了现有的光纤延时方案移相精度低的缺陷，使得本发明具有了移相精度高的优点。

附图说明

图1为本发明系统的方框图；

图2为本发明方法的流程图；

图3为本发明实现结构的方框图；

图4为本发明中微分算子时延补偿器实现结构方框图。

具体实施方式

下面结合附图1对本发明的系统结构做进一步描述。

本发明基于微分算子的超宽带波束形成器，包括一个波束求和模块和多个阵元通道，每个阵元通道包括权系数和时延量存储模块、窄带相位补偿模块、精确时延补偿模块，各模块之间通过总线相连，其中：权系数和时延量存储模块，用于存储各阵元通道窄带相位补偿权系数和时延量。窄带相位补偿模块，用于补偿各阵元通道之间的窄带相位差。精确时延补偿模块，由两个微分算子时延补偿器构成，用于补偿各阵元通道之间的时延差。波束求和模块，用于对各阵元通道经过相位和时延补偿至波前对齐的输出信号进行波束求和。

微分算子时延补偿器用下述系统函数表示：

$H\left(z\right)=\underset{m=0}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{D}^m\underset{k=m}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\frac{s_k^{\left(m\right)}}{k!}{(z^{-1}-1)}^k{z}^{\mathrm{\ξ}}$

其中，H(z)为补偿器的系统函数，z为补偿器的系统变量，M为补偿器总通道数，m为补偿器通道数，其值为大于等于0小于等于M的整数，D为时延量分数部分，N为通道子滤波器总阶数，N≥M，M和N的选取由用户根据对波束宽度和硬件资源消耗要求确定，

为通道子滤波器系数，k代表通道子滤波器阶数，其值为大于等于0的整数，ξ为时延量整数部分，该微分算子时延补偿器采用易于实现的一阶微分单元进行任意可调的0倍到1倍的采样周期延迟补偿。

本发明的实施例中，取阵元通道个数为8。

下面结合图2对本发明基于微分算子的超宽带波束形成器实现方法做进一步描述，具体实施步骤如下：

步骤1.存储权系数和时延量

将各阵元通道窄带相位补偿权系数实部、虚部和时延量放大2^K倍后存储到各阵元通道中权系数和时延量存储模块的随机存储器RAM中，得到各阵元通道的权系数和时延量存储模块。

所存储的窄带相位补偿权系数实部通过下式取得：

w_r＝cos(2πf_cld(sinθπ/180)/c)

其中，w_r为窄带相位补偿权系数实部，f_c为用户雷达系统载频，l为用户雷达系统阵元数，l＝0，1，...，L-1，L为用户雷达系统总阵元数，d为用户雷达系统阵元间距，θ为用户输入扫描角度，取值范围为-90到90的整数，c为光速。

所存储的窄带相位补偿权系数虚部通过下式取得：

w_i＝-sin(2πf_cld(sinθπ/180)/c)

其中，w_i为窄带相位补偿权系数虚部，f_c为用户雷达系统载频，l为用户雷达系统阵元数，l＝0，1，...，L-1，L为用户雷达系统总阵元数，d为用户雷达系统阵元间距，θ为用户输入扫描角度，取值范围为-90到90的整数，c为光速。

所存储的时延量通过下式取得：

$\mathrm{\τ}=\left\{\begin{array}{cc}(L-1+l)d\left(\sin \mathrm{\π}\right|\mathrm{\θ}|/180)/\left(\mathrm{cT}\right),& \mathrm{\θ}\∈(-\mathrm{90,0}]\\ \mathrm{ld}\left(\sin \mathrm{\π}\right|\mathrm{\θ}|/180)/\left(\mathrm{cT}\right),& \mathrm{\θ}\∈\left[\mathrm{0,90}\right)\end{array}\right.$

其中，τ为l阵元对应的时延量，L为用户雷达系统总阵元数，l为用户雷达系统阵元数，l＝0，1，...，L-1，d为用户雷达系统阵元间距，θ为用户输入扫描角度，取值范围为-90到90的整数，c为光速，T为用户雷达系统采样周期。

图3是本发明的实现结构方框图。将各阵元通道窄带相位补偿权系数实部、虚部和时延量放大2^K倍后分别存储到图3中所示的各阵元通道的三个随机存储器RAM中。由于计算出的窄带相位补偿权系数实部、虚部和时延量为小数，不便于在FPGA中进行处理，所以需要进行倍数放大处理，然后再存放入随机存储器RAM中，本发明的实施例中，K取8，对窄带相位补偿权系数实部、虚部和时延量进行放大2⁸倍处理。

步骤2.窄带相位补偿

图3中复数乘法器将用户输入的各阵元通道输入复信号和各阵元通道窄带相位补偿权系数相乘，将所得结果除低8位以外的高位按照实部和虚部两路信号输出，得到窄带相位补偿模块。

步骤3.精确时延补偿

本发明的实施例中，取微分算子时延补偿器总通道数M为3，通道子滤波器总阶数N为3，根据

迭代计算公式

$s_0^{\left(0\right)}=1,$ $s_0^{\left(m\right)}=0(m\≠0),$ $s_{k+1}^{\left(m\right)}=s_k^{(m-1)}-{\mathrm{ks}}_k^{\left(m\right)},k\≥0$ 得到

$s_1^{\left(1\right)}=1,$ $s_2^{\left(1\right)}=-1,$ $s_3^{\left(1\right)}=2$

$s_1^{\left(2\right)}=0,$ $s_2^{\left(2\right)}=1,$ $s_3^{\left(2\right)}=-3$

$s_1^{\left(3\right)}=0,$ $s_2^{\left(3\right)}=0,$ $s_3^{\left(3\right)}=1$

进一步得到各通道子滤波器系数对应的

$\frac{s_1^{\left(1\right)}}{1!}=1,$ $\frac{s_2^{\left(1\right)}}{2!}=-\frac{1}{2},$ $\frac{s_3^{\left(1\right)}}{3!}=\frac{1}{3}$

$\frac{s_1^{\left(2\right)}}{1!}=0,$ $\frac{s_2^{\left(2\right)}}{2!}=\frac{1}{2},$ $\frac{s_3^{\left(2\right)}}{3!}=-\frac{1}{2}$

$\frac{s_1^{\left(3\right)}}{1!}=0,$ $\frac{s_2^{\left(3\right)}}{2!}=0,$ $\frac{s_3^{\left(3\right)}}{3!}=\frac{1}{6}$

下面结合图4说明精确时延补偿模块实现方式，具体步骤如下：

3a)各阵元通道时延量包含整数倍时延和分数倍时延两部分，因为时延量放大了2⁸倍，所以将时延量右移8位作为整数倍时延量。

3b)取时延量低8位作为分数倍时延量。

3c)将整数倍时延量作为移位寄存器控制信号，对输入信号进行整数倍时延补偿。

3d)各级D触发器和减法器构成各级微分算子单元，输入信号依次经过3级D触发器完成3级延时，减法器将各D触发器输入信号数据和输出信号输出相减，得到各级微分算子的信号输出。3e)将不为0和1的各通道子滤波器系数

放大2⁸倍作为常系数乘法器系数，分别构成常系数乘法器1～5，系数依次为-128，128，85，-128，43，第二级微分算子输出信号输入常系数乘法器1、2，第三级微分算子输出信号输入常系数乘法器3、4、5。

3f)乘法器3将常系数乘法器5的输出右移8位后所得结果和分数倍时延量相乘，所得结果和常系数乘法器4、常系数乘法器2输出结果相加求和，乘法器2将求和结果和分数倍时延量相乘，所得结果再和常系数乘法器1、常系数乘法器3输出、第一级一阶微分算子输出相加求和，乘法器1将求和结果和分数倍时延量相乘，所得结果和移位寄存器输出结果相加求和，将求和结果输出，得到微分算子时延补偿器。

3g)将各阵元通道的时延量和窄带相位补偿后的实部信号、虚部信号输入微分算子时延补偿器，进行时延补偿，将所得结果按照实部和虚部两路信号输出，得到精确时延补偿模块。

步骤4.波束求和

第一级8个加法器分别将1和2、3和4、5和6、7和8阵元通道输出的实部信号数据和虚部信号数据相加求和，第二级4个加法器分别将第一级8加法器中每两个相邻的实部信号数据加法器和虚部信号数据加法器的输出信号数据相加求和，第三级2个加法器分别将第二级4个加法器中两个实部信号数据加法器和虚部信号数据加法器的输出信号数据相加求和，输出一路实部信号和一路虚部信号，得到波束求和模块。

Claims (6)

1.一种基于微分算子的超宽带波束形成器实现方法，包括如下步骤：

(1)存储权系数和时延量

将各阵元通道窄带相位补偿权系数实部、虚部和时延量放大2^K倍后存储到各阵元通道中权系数和时延量存储模块的随机存储器RAM中，得到各阵元通道的权系数和时延量存储模块；

(2)窄带相位补偿

复数乘法器将用户输入的各阵元通道输入复信号和各阵元通道窄带相位补偿权系数相乘，将所得结果除低K位以外的高位按照实部和虚部两路信号输出，得到窄带相位补偿模块；

(3)精确可调时延补偿

3a)将时延量右移K位，得到整数倍时延量；

3b)取时延量低K位，得到分数倍时延量；

3c)将窄带相位补偿后的信号数据输入移位寄存器，整数倍时延量作为移位寄存器控制信号，对输入信号进行整数倍时延补偿；

3d)移位寄存器输出信号依次输入N级D触发器完成N级延时，减法器将各级D触发器输入信号和输出信号相减，得到D触发器和减法器构成的各级微分算子的输出信号；

3e)将各通道子滤波器系数放大2^K倍作为常系数乘法器系数，得到各级D触发器通道的常系数乘法器，各级微分算子输出信号分别输入各级D触发器通道的常系数乘法器；

3f)将乘法器系数为

的N-M+1个常系数乘法器输出信号数据相加求和，加和结果右移K位，乘法器将移位结果和分数倍时延量相乘，相乘结果和乘法器系数为

的N-M个常系数乘法器输出信号数据相加求和，加和结果右移K位，乘法器将移位结果和分数时延量相乘，相乘结果和乘法器系数为

的N-M-1个常系数乘法器输出信号数据相加求和，依次类推，直到乘法器输出结果和乘法器系数为

的N个常系数乘法器输出信号数据相加求和，加和结果右移K位，乘法器将移位结果和分数时延量相乘，相乘结果右移K位，移位结果和移位寄存器输出信号数据相加求和，将求和结果输出，得到微分算子时延补偿器；

3g)将各阵元通道的时延量和窄带相位补偿后的实部信号、虚部信号输入微分算子时延补偿器，进行时延补偿，将所得结果按照实部和虚部两路信号输出，得到精确时延补偿模块；

(4)波束求和

加法树分别对输出的各阵元通道的实部信号数据和虚部信号数据进行波束求和，将求和结果分实部信号和虚部信号两路输出，得到波束求和模块。

2.根据权利要求1所述的基于微分算子的超宽带波束形成器实现方法，其特征在于，步骤(1)中所述的窄带相位补偿权系数实部通过下式取得：

w_r=cos(2πf_cld(sinθπ/180)/c)

其中，w_r为窄带相位补偿权系数实部，f_c为用户雷达系统载频，l为用户雷达系统阵元数，l=0，1，...，L-1，L为用户雷达系统总阵元数，d为用户雷达系统阵元间距，θ为用户输入扫描角度，取值范围为-90到90的整数，c为光速。

3.根据权利要求1所述的基于微分算子的超宽带波束形成器实现方法，其特征在于，步骤(1)中所述的窄带相位补偿权系数虚部通过下式取得：

w_i=-sin(2πf_cld(sinθπ/180)/c)

其中，w_i为窄带相位补偿权系数虚部，f_c为用户雷达系统载频，l为用户雷达系统阵元数，l=0，1，...，L-1，L为用户雷达系统总阵元数，d为用户雷达系统阵元间距，θ为用户输入扫描角度，取值范围为-90到90的整数，c为光速。

4.根据权利要求1所述的基于微分算子的超宽带波束形成器实现方法，其特征在于，步骤(1)中所述的时延量通过下式取得：

$\mathrm{\τ}=\left\{\begin{array}{cc}(L-1+l)d\left(\sin \mathrm{\π}\right|\mathrm{\θ}|/180)/\left(\mathrm{cT}\right),& \mathrm{\θ}\∈(-\mathrm{90,0}]\\ \mathrm{ld}\left(\sin \mathrm{\π}\right|\mathrm{\θ}|/180)/\left(\mathrm{cT}\right),& \mathrm{\θ}\∈\left[\mathrm{0,90}\right)\end{array}\right.$

其中，τ为l阵元对应的时延量，L为用户雷达系统总阵元数，l为用户雷达系统阵元数，l=0，1，...，L-1，d为用户雷达系统阵元间距，θ为用户输入扫描角度，取值范围为-90到90的整数，c为光速，T为用户雷达系统采样周期。

5.根据权利要求1所述的基于微分算子的超宽带波束形成器实现方法，其特征在于，步骤(1)中所述的K是由用户根据硬件资源消耗要求和系统精度要求确定的，取值范围为大于0的整数。

6.根据权利要求1所述的基于微分算子的超宽带波束形成器实现方法，其特征在于，步骤(4)中所述的加法树由多级加法器构成，第一级加法器分别将每两路相邻阵元通道输出的实部信号数据和虚部信号数据相加求和，第二级加法器分别将第一级加法器中每两个相邻的实部信号数据加法器和虚部信号数据加法器的输出信号数据相加求和，第三级加法器分别将第二级加法器中每两个相邻的实部信号数据加法器和虚部信号数据加法器的输出信号数据相加求和，依次类推，直到最后一级两个加法器分别将各阵元通道输出的实部信号数据和虚部信号数据完全相加，输出一路实部信号和一路虚部信号。

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