CN109633568B - 基于光纤接口的全数字阵列雷达波束形成器设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光纤接口的全数字阵列雷达波束形成器设计方法，首先将二维平面阵列天线阵元每行对应一块一级DBF子板，一级DBF子板上包含N个ADC采样通道,M块DBF子板和一块二级DBF母板连接；然后每块DBF子板实现对应阵元中频接收信号的软件无线电处理，得到基带数据，DBF母板根据基带数据计算各通道基带数据的幅相补偿系数，然后返回给DBF子板完成接收通道的幅相补偿，同时根据自适应权重完成一级数字多波束形成；最后，DBF母板根据一级波束形成数据，完成二级数字多波束形成。本发明利用两级波束形成架构实现全数字阵列雷达数字多波束形成功能，由高速光纤接口传输数据以满足数据传输的实时性和稳定性，从而满足空域目标的快速搜索和探测。

Description

基于光纤接口的全数字阵列雷达波束形成器设计方法

技术领域

本发明属于数字波束形成技术领域，具体为一种基于光纤接口的全数字阵列雷达波束形成器设计方法。

背景技术

随着半导体集成电路和电子技术的迅猛发展，雷达技术也日新月异。为适应日益复杂的目标环境和电磁环境，雷达的搜索、探测性能必须大幅度提高，应具备动态范围大、多波形、多功能目标探测能力。数字阵列雷达采用数字波束形成(Digital Beamforming，DBF)技术具有动态范围大、可同时形成数字多波束等优点，能够实现对大空域范围的快速目标搜索，自适应的DBF算法可以在空域对干扰信号进行抑制，提高制导设备的生存能力和打击精度。自适应DBF算法往往采用FPGA+DSP架构实现，其中DSP完成自适应权重系数的计算，FPGA完成数字波束形成处理。当阵列天线阵元数目较多时，可以提高雷达分辨率和作用距离，DBF处理也能有更好的效果。

在多功能相控阵雷达DBF实现上，基于物理子阵的DBF算法，AD采样得到的是子阵级的数字化输出信号，可以节省硬件资源，减少接收机通道数，但雷达动态范围较小，作用距离较短。相比而言，全数字阵列雷达DBF动态范围大，作用距离远，可实现同时多波束，但是全数字阵列雷达DBF处理需要消耗大量的硬件乘、加法器资源，大量波束数据、基带数据需要传输给后级的雷达信号处理器会带来很大的数据传输压力。既要实现多通道中频回波信号的AD采样、软件无线电及DBF处理，又要保证高速数据传输的实时性，难以在单一的硬件平台上实现。同时，雷达为跟踪不同速度、不同距离的目标，需要能够适应大的多普勒频率变化，适应不同工作波形和工作模式。这需要数字滤波能够适应不同波形的工作带宽，可以灵活控制正交数字下变频的数字本振信号，灵活的实现数字多波束形成。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于高速光纤接口满足数据高速传输需要、通过两级数字波束形成架构实现全数字阵列雷达波束形成的方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于光纤接口的全数字阵列雷达波束形成器设计方法，包括以下步骤：

步骤1、划分两级波束形成架构对应关系，将M×N二维平面阵列天线阵元分成M行，每一行与一块一级DBF子板连接，每一块一级DBF子板上包含N个采样通道,M块DBF子板与一块二级DBF母板连接；

步骤2、每块DBF子板分别实现对应阵元通道中频接收信号的软件无线电处理，得到基带数据；

步骤3、DBF母板根据基带数据计算各通道幅相补偿系数，DBF母板将补偿系数发送至相应的DBF子板，DBF子板根据各通道幅相补偿系数进行各通道的幅相补偿，得到补偿后的基带数据；

步骤4、DBF子板根据自适应权重系数，对幅相补偿后的基带数据进行乘累加运算，完成一级数字多波束形成，得到一级波束形成的波束数据，各DBF子板根据同步信号和工作模式发送一级波束形成的波束数据至DBF母板；

步骤5、DBF母板对M块DBF子板的波束数据进行累加运算，得到二级波束形成的波束数据。

优选地，步骤2中完成中频接收信号的软件无线电处理过程具体为：

步骤2-1、每块DBF子板完成对应通道中频信号的AD采样；

步骤2-2、确定宽、窄带下变频数字本振频率，完成数字下变频处理

步骤2-3、由雷达工作所需信号带宽、输出数据率确定数字滤波抽取处理的滤波器系数和抽取倍数，完成滤波抽取处理，得到的I、Q基带数据。

优选地，步骤2-2确定宽、窄带下变频数字本振频率，完成数字下变频处理具体为：

宽带下变频本振采用回波信号中频频率作为本振信号进行数字下变频处理，窄带下变频本振的频率控制字K采用信号处理器产生，具体为：

式中，f₀,f_d,f_s分别为目标回波信号的中频频率、目标的多普勒频率、回波信号采样频率，N_Q为窄带下变频本振信号的量化位宽。

优选地，得到的I、Q基带数据的复信号具体为：

其中，S_m,k(n)为第m行第k个阵元通道经软件无线电处理后的复基带信号，I_m,k,Q_m,k分别为第m行第k个阵元通道经软件无线电处理后的同向支路信号和正交支路信号，a_m,k,f,

分别为第m行第k个阵元通道经软件无线电处理后的基带信号振幅、频率、初相。

优选地，步骤3中DBF母板根据基带数据计算各通道幅相补偿系数的具体方法为：

以第1行第1个阵元基带信号为参考通道信号，取各基带信号幅度最大值点计算得到幅度补偿值，对各基带信号做FFT之后，取FFT结果模的最大值点处的频谱值，求其复数的角度，并与参考通道最大值点处频谱值的角度作差，得到相位补偿值，相位补偿的相位差计算公式为：

其中m＝1，2…，M；k＝1,2…,N，angle(·)表示求复数的角度运算；a_1,1为参考通道信号，max{abs(·)}表示求复数模的最大值，天线阵列接收通道幅相补偿系数可由下面的矩阵表示：

优选地，步骤4中DBF子板实现幅相补偿后得到一级波束形成的波束数据具体为：

式中，A_m，n为第(m，n)阵元的幅度权系数，mα+nβ为相位权系数，M，N分别为DBF子板数目和各子板接收通道数，(θ,φ)为回波目标方向，d₂，d₁为x轴和y轴方向上阵元间距，λ为波长。

优选地，步骤5中DBF母板对M块DBF子板的波束数据进行累加运算，得到二级波束形成的波束数据具体为：

DBF母板利用异步FIFO完成多块DBF子板多波束数据同步；，

对同步后的数据完成二级波束形成累加处理得到二级波束：

式中，F_k(θ，φ)为一级波束形成的波束信号，F(θ，φ)为整个阵面所有通道信号二级波束形成后的波束信号。

优选地，步骤1中的一级DBF子板和二级DBF母板通过光纤连接。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)本发明集成雷达主、被动不同工作波形下的数字下变频、数字多波束形成功能为一体，可同时形成接收多波束，提高了空域目标的搜索、探测效率；2)本发明灵活的通道间幅相补偿方式，降低了接收通道不一致性要求；3)本发明各指令、数据均基于高速光纤传输，保证了数据传输的可靠性、实时性。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1是某相控阵天线阵元排布示意图。

图2是两级DBF板卡互联关系示意图。

图3是信号处理器与DBF子板之间同步互联关系示意图。

图4是DBF子板的软件实现框架示意图。

图5是DBF母板的软件实现框架示意图。

图6是DBF子板单个接收通道软件无线电设计框图，

图7为幅相补偿前后的基带数据波形对比图。

图8是高速光纤接口发送控制模块的设计原理框图。

图9为波束形成后实测数据的仿真结果示意图。

图10是本发明的一种基于高速光纤接口的全数字阵列雷达波束形成器设计流程图。

具体实施方式

如图10所示，一种基于光纤接口的全数字阵列雷达波束形成器设计方法，包括以下步骤：

步骤1、划分两级波束形成架构对应关系，将M×N二维平面阵列天线阵元分成M行，每一行与一块一级DBF子板连接，每一块一级DBF子板上包含N个采样通道，M块DBF子板与一块二级DBF母板连接，子板和母板通过光纤相连；在某些实施例中，DBF子板主要由模数转换芯片和FPGA处理芯片组成，DBF母板由FPGA芯片和DSP组成。

步骤2、每块DBF子板分别实现对应阵元通道中频接收信号的软件无线电处理过程，得到基带数据。具体为：

步骤2-1、每块DBF子板完成对应通道中频信号的AD采样，采样频率满足采样定理；

步骤2-2、确定宽、窄带下变频数字本振频率，完成数字下变频处理；具体为：

宽带下变频本振采用回波信号中频频率作为本振信号进行数字下变频处理，窄带下变频本振的频率控制字K采用信号处理器产生，具体为：

式中，f₀，f_d,f_s分别为目标回波信号的中频频率、目标的多普勒频率、回波信号采样频率，N_Q为窄带下变频本振信号的量化位宽；

步骤2-3、由雷达工作需要的信号带宽、输出数据率确定数字滤波、抽取处理的滤波器系数和抽取倍数，完成滤波抽取处理，得到的I、Q基带数据的复信号具体为：

其中，S_m，k(n)为第m行第k个阵元通道经软件无线电处理后的复基带信号，I_m，k，Q_m，k分别为第m行第k个阵元通道经软件无线电处理后的同向支路信号和正交支路信号，a_m，k，f,

分别为第m行第k个阵元通道经软件无线电处理后的基带信号振幅、频率、初相。

步骤3、DBF子板发送基带数据至DBF母板中计算各通道幅相补偿系数，然后DBF母板将补偿系数由光纤接口发送至DBF子板，DBF子板根据各通道幅相补偿系数进行各通道的幅相补偿，得到补偿后的基带数据，具体为：

步骤3-1、各DBF子板需采集对应通道软件无线电处理后I、Q基带数据组帧发送至DBF母板；

步骤3-2、DBF母板计算幅相补偿系数后组帧发送给各DBF子板，由DBF子板在数字下变频处理后进行复数乘法运算，从而完成幅相补偿；其中，幅相补偿系数计算方法为：

以第1行第1个阵元基带信号为参考通道信号，取各基带信号幅度最大值点计算得到幅度补偿值，对各基带信号做FFT之后，取FFT结果模的最大值点处的频谱值，求其复数的角度，并与参考通道最大值点处频谱值的角度作差，得到相位补偿值，相位补偿的相位差计算公式为：

其中m＝1，2…，M；k＝1，2…，N，angle(·)表示求复数的角度运算；a_1,1为参考通道信号，max{abs(·)}表示求复数模的最大值，天线阵列接收通道幅相补偿系数可由下面的矩阵表示：

步骤4、DBF子板根据自适应权重系数，对幅相补偿后的基带数据进行乘累加运算，完成一级数字多波束形成，得到一级波束形成的波束数据，各DBF子板根据同步信号和工作模式发送一级波束形成的波束数据至DBF母板；

步骤5、DBF母板对M块DBF子板的波束数据进行累加运算，得到二级波束形成的波束数据。

本发明是基于高速光纤接口实现全数字阵列雷达多波束形成的应用，能够完成多接收通道的幅相补偿，灵活实现雷达不同工作波形下的同时多波束功能，并完成数据的高速传输过程

实施例

一种基于光纤接口的全数字阵列雷达波束形成器设计方法，具体步骤如下：

如图1所示的二维平面阵列，波束形成器输入中心频率为150MHz，信号带宽为40M的中频信号，雷达工作在间断连续波模式、PD模式、LFM模式下共需要4种不同带宽的波束数据满足探测需求，需要完成196阵元通道中频接收信号的软件无线电处理、通道补偿、数字多波束形成、数据组帧发送等功能。

步骤1、划分两级波束形成架构对应关系，对14×14二维平面阵列天线阵元分成14行，每一行对应一块一级DBF子板，每一块DBF子板有14个采样通道，14块DBF子板数据由一块二级DBF母板汇拢，对应关系及两级数字波束形成架构如图2所示。

步骤2、各一级DBF子板完成对应阵元接收通道中频信号的软件无线电处理，包括高速AD采样、数字下变频、滤波抽取处理，这个过程实现框图如图6所示。具体步骤如下：

(1)每块DBF子板完成对应通道中频信号的AD采样，采用带通采样定理，AD采样速率为200MSPS。

(2)确定宽、窄带下变频数字本振频率。宽带下变频NCO1为150MHz,采样率200MSPS，可采用免混频正交数字下变频方式实现；窄带下变频NCO2由探测结果实时控制更新，采用DDS实现数字本振信号，例如当目标多普勒频率为50KHz，DDS产生的信号位宽为32位时，可知频率控制字K为3222299213，此时DDS精度为0.03Hz。

(3)由雷达工作所需信号带宽、输出数据率确定数字下变频处理的滤波器系数和抽取倍数，具体抽取倍数如框图6所示。

步骤3、DBF母板根据基带数据计算各通道幅相补偿系数，DBF母板将补偿系数发送至相应的DBF子板，DBF子板接收幅相补偿系数，完成通道间幅相补偿处理，幅相补偿前后的基带数据波形对比如图7所示，具体步骤为：

(1)各DBF子板采集对应通道的256点基带数据组帧经光纤接口发送至DBF母板；

(2)DBF母板接收各子板基带数据，发送给相连的DSP板进行相应处理，具体为：

先取各基带信号幅度最大值点计算得到幅度补偿系数，然后对各通道I，Q两路基带信号做256点复数FFT之后，计算得到相位补偿系数，然后组帧将每块DBF子板对应补偿系数通过光纤接口对应发送至14块DBF子板，子板更新预处理通路上复数乘法器系数完成幅相补偿，处理前后基带信号波形如图7所示。

步骤4、如图4所示，DBF子板接收后级DBF母板多组实时自适应权重，每块DBF子板完成一级数字多波束形成处理，宽带多波束采用并行波束形成结构，窄带多波束采用乘法器时分复用方式实现。

各子板依据雷达工作波形和同步信号，实现同步功能(同步信号设计如图3所示)，将相应波束数据由MGT组帧经光纤发送给后级DBF母板。信号同步和指令、数据发送控制的实现具体为：

(1)信号同步分TR组件的收发切换控制、多波束权重的更新控制、波束数据的发送控制三类,分别由6对差分信号控制,如图3所示。

(2)指令数据、基带数据、波束数据的组帧发送。具体为：

发送数据位宽为32位，每一帧数据由帧头、数据和校验位组成，帧头指示数据帧类型、数据长度等，校验位对是对整帧数据的校验累加和，以保证数据的高可靠性传输。

(3)如图8所示，数据的发送控制模块的实现。具体为：

三种数据均通过数据控制模块按照指令应答数据、基带数据、波束数据的优先级发送，当发送某种数据时，数据发送控制模块先产生数据发送的帧头、数据发送启动信号并读取基带数据存储RAM中数据写入FIFO，MGT发送控制模块接收到启动信号，首先发送帧头，然后读取FIFO中数据依次发送，并且在发送过程中添加C码，最后添加校验位；发送完毕之后，反馈数据发送结束信号，释放MGT通道，等待下一次数据传输，数据发送控制过程如下图5所示。MGT发送控制模块主要是完成添加数据帧头帧尾、插入C码、跨时钟域设计三个问题。

步骤5、DBF母板接收波束数据，完成数据帧同步后，对全阵列完成二级数字多波束形成，如图9所示。具体为：

如图5中DBF母板处理框图所示，DBF母板接收28路数据后，经FIFO同步进入数据解析模块，判断为波束数据后进入和差三波束分离模块，解析后波束数据进入对应的二级波束形成模块完成14块DBF子板数据的累加，得到最终的波束形成结果。本实施例中，二级波束形成数据导出后由MATLAB分析性能。具体结果如下：

在模拟器测试环境下，设置两级DBF电路的波束指向为(-30°，20°)，这里第一个角度为方位角，第二个角度为俯仰角。以40MHz宽带波束为例，40MHz带宽和波束方向图如图9(1)所示，波束指向-30.2°，旁瓣电平为-17.69dB；40MHz带宽方位差波束方向图如图9(2)所示，波束指向是-30.1°，旁瓣电平为-11.75dB；40MHz带宽俯仰差波束方向图如图9(3)所示，波束指向20.1°，旁瓣电平为-11.41dB。

据以上测试结果可以看出两级波束形成器结果正确，可以控制波束接收的方向图。

Claims (7)

1.一种基于光纤接口的全数字阵列雷达波束形成器设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、划分两级波束形成架构对应关系，将M×N二维平面阵列天线阵元分成M行，每一行与一块一级DBF子板连接，每一块一级DBF子板上包含N个采样通道,M块DBF子板与一块二级DBF母板连接；

步骤2、每块DBF子板分别实现对应阵元通道中频接收信号的软件无线电处理，得到基带数据；

步骤3、DBF母板根据基带数据计算各通道幅相补偿系数，DBF母板将补偿系数发送至相应的DBF子板，DBF子板根据各通道幅相补偿系数进行各通道的幅相补偿，得到补偿后的基带数据，其中，计算各通道幅相补偿系数的具体方法为：

以第1行第1个阵元基带信号为参考通道信号，取各基带信号幅度最大值点计算得到幅度补偿值，对各基带信号做FFT之后，取FFT结果模的最大值点处的频谱值，求其复数的角度，并与参考通道最大值点处频谱值的角度作差，得到相位补偿值，相位补偿的相位差计算公式为：

其中m＝1,2…,M；k＝1,2…,N，angle(·)表示求复数的角度运算；a_1,1为参考通道信号，max{abs(·)}表示求复数模的最大值，天线阵列接收通道幅相补偿系数可由下面的矩阵表示：

步骤4、DBF子板根据自适应权重系数，对幅相补偿后的基带数据进行乘累加运算，完成一级数字多波束形成，得到一级波束形成的波束数据，各DBF子板根据同步信号和工作模式发送一级波束形成的波束数据至DBF母板；

步骤5、DBF母板对M块DBF子板的波束数据进行累加运算，得到二级波束形成的波束数据。

2.根据权利要求1所述的基于光纤接口的全数字阵列雷达波束形成器设计方法，其特征在于，步骤2中完成中频接收信号的软件无线电处理过程具体为：

步骤2-1、每块DBF子板完成对应通道中频信号的AD采样；

步骤2-2、确定宽、窄带下变频数字本振频率，完成数字下变频处理

步骤2-3、由雷达工作所需信号带宽、输出数据率确定数字滤波抽取处理的滤波器系数和抽取倍数，完成滤波抽取处理，得到的I、Q基带数据。

3.根据权利要求2所述的基于光纤接口的全数字阵列雷达波束形成器设计方法，其特征在于，步骤2-2确定宽、窄带下变频数字本振频率，完成数字下变频处理具体为：

宽带下变频本振采用回波信号中频频率作为本振信号进行数字下变频处理，窄带下变频本振的频率控制字K采用信号处理器产生，具体为：

式中，f₀,f_d,f_s分别为目标回波信号的中频频率、目标的多普勒频率、回波信号采样频率，N_Q为窄带下变频本振信号的量化位宽。

4.根据权利要求2所述的基于光纤接口的全数字阵列雷达波束形成器设计方法，其特征在于，得到的I、Q基带数据的复信号具体为：

其中，S_m,k(n)为第m行第k个阵元通道经软件无线电处理后的复基带信号，I_m,k,Q_m,k分别为第m行第k个阵元通道经软件无线电处理后的同向支路信号和正交支路信号，

分别为第m行第k个阵元通道经软件无线电处理后的基带信号振幅、频率、初相。

5.根据权利要求1所述的基于光纤接口的全数字阵列雷达波束形成器设计方法，其特征在于，步骤4中DBF子板实现幅相补偿后得到一级波束形成的波束数据具体为：

式中，A_m,k为第(m,k)阵元的幅度权系数，N为各子板接收通道数，(θ,φ)为回波目标方向，d₂,d₁为x轴和y轴方向上阵元间距，λ为波长。

6.根据权利要求1所述的基于光纤接口的全数字阵列雷达波束形成器设计方法，其特征在于，步骤5中DBF母板对M块DBF子板的波束数据进行累加运算，得到二级波束形成的波束数据具体为：

DBF母板利用异步FIFO完成多块DBF子板多波束数据同步；

对同步后的数据完成二级波束形成累加处理得到二级波束：

式中，F_k(θ,φ)为一级波束形成的波束信号，F(θ,φ)为整个阵面所有通道信号二级波束形成后的波束信号。

7.根据权利要求1所述的基于光纤接口的全数字阵列雷达波束形成器设计方法，其特征在于，步骤1中的一级DBF子板和二级DBF母板通过光纤连接。

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