CN110618412A - 一种基于射频采样的宽带数字波束形成方法 - Google Patents

Abstract

本发明结合宽带数字阵列雷达的特点和当今数字信号处理器件的最新发展水平，通过理论推导和计算机仿真，研究了一种基于射频直接采样的宽带数字波束形成方法，提出了一种具有良好工程可行性的宽带数字阵列收发波束形成的方法，包括如下步骤：接收宽带雷达回波信号；利用射频采样得到数字射频信号；对所述数字射频信号进行数字移相和整数延时处理，完成宽带数字波束形成处理。该方法不受雷达信号具体形式和阵列流形限制，可以实现准确的波束指向和近似理想的主瓣，同时计算量小工程可实现性较高，通过控制信号带宽、ADC采样频率以及采样频率与信号带宽比能够控制信号的旁瓣水平。

Description

一种基于射频采样的宽带数字波束形成方法

技术领域

本发明属于阵列信号处理技术领域，尤其涉及一种基于射频采样的宽带数字波束形成方法。

背景技术

宽带数字阵列雷达是在相控阵雷达基础上提高了信号带宽与数字化水平的阵列雷达，由于其突出的潜在性能和功能，成为阵列雷达的发展方向之一，是最近一二十年雷达领域的研究热点。通常情况下采用增加阵列单元数的方法形成波束，以提高阵列雷达的角度分辨力。因此，研究多通道下计算量较小、工程上易于实现的宽带数字波束形成方法有利于减小宽带数字阵列雷达的开发成本与风险。

宽带数字阵列波束形成方法可分为时域方法和频域方法。目前时域方法主要包括基于拉伸处理的宽带波束形成、基于分数延时的波束形成等方法。基于拉伸处理只适用于线性调频信号，基于分数延时的波束形成方法一般在基带实现，虽然理论上可以实现很高的延时精度和良好的波束形成性能，但需要计算各个通道的延时滤波器系数并通过硬件资源实现数字滤波器，因此，计算量与资源消耗仍较大。频域方法则是通过分析滤波器组或离散傅里叶变换(DFT)将宽带信号转成为多个近似窄带信号，再对各个近似窄带信号分别进行处理，因此，这种方法一般运算量大、资源消耗高，在多通道条件下难以实时实现。另外，基于时域多抽头延时的Frost阵方法虽发展较早，此方法在大宽带信号条件下，所有通道都需要使用大阶数滤波器，各滤波器系数计算运算量巨大。

近些年数字处理器件，尤其是高性能模数转换器(ADC)与大规模现场可编程门阵列(FPGA)发展迅速。例如ADI公司AD转换器AD9625能实现12bit、2.5GSPS模数转换，其即将正式发布的ADC芯片AD9213最高转换速率更是达到10.25GSPS；Xilinx公司的Virtex7系列FPGA芯片除拥有丰富的逻辑资源与强大的运算能力外，每个型号均包含数十个最高速率从12.5GHzGb/至28.05Gb/s的GHz收发器，能够与外部高速ADC/DAC芯片实现高速数据传输。随着宽带数字阵列雷达的高度数字化，射频或高中频数模/模数转换的实现是其发展的必然趋势。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种基于射频直接采样的宽带数字波束形成方法解决了目前的宽带数字波束形成方法大都存在计算量大、针对特定信号和工程实现复杂等缺点的问题。

为了达到以上目的，本发明采用的技术方案为：

本方案提供一种基于射频采样的宽带数字波束形成方法，包括如下步骤：

S1、通过宽带数字阵列接收宽带雷达回波信号；

S2、根据所述宽带雷达回波信号利用射频采样得到数字射频信号；

S3、利用FPGA对所述数字射频信号进行数字移相和整数延时处理，形成宽带数字波束。

进一步地，所述步骤S1中宽带雷达回波信号的表达式如下：

τ_i＝(i-1)d sinθ/c

其中，x_i(t)为对应的第i阵元接收的信号，且i＝1,2,…,N，N为阵元总数，τ_i为第i阵元信号与参考阵元信号间相对时延，θ为远场点目标方位角，f₀为载频，为x₁(t)的复包络，t为回波到达时间，T_p为脉宽，u为基带信号，为载波部分延时τ_i，d为阵元间距，c为光速。

再进一步地，所述步骤S2具体为：

利用带通滤波BPF和低噪放LAN对所述宽带雷达回波信号进行采样处理，得到数字射频信号。

再进一步地，所述数字射频信号的表达式为：

T_s＝1/f_s

L_i＝round(τ_i/T_s)

其中，x_i(n)为对应的第i阵元接收的数字射频信号，round(·)表示取整运算，rect(·)为门信号，n为数字信号的序列号，T_p为脉宽，u为基带信号，为对射频信号移相w₀α_i弧度，表示值为的数字复相位值，τ_i为第i阵元信号与参考阵元信号间相对时延，T_s为ADC采样周期，f₀为载频，L_i表示时延τ_i对应的整数采样周期个数，l_i表示射频信号对应的采样周期个数，α_i表示时延τ_i对应的采样周期数。

再进一步地，所述步骤S3包括如下步骤：

S301、利用JESD204B通行协议将所述数字射频信号传输至FPGA；

S302、利用FPGA对所述数字射频信号进行数字移相和整数延时处理，得到各阵列通道的宽带波束形成阵列处理函数；

S303、根据所述宽带波束形成阵列处理函数计算得到宽带波束形成阵列处理误差，形成宽带数字波束。

再进一步地，所述步骤S302中各阵列通道的宽带波束形成阵列处理函数H′_i(w_s)的表达式如下：

其中，为对射频信号移相-w₀α_i弧度，为对射频信号延时L_i个采样周期。

再进一步地，所述步骤S303中宽带波束形成阵列处理误差E_i(w_s)的表达式如下：

其中，H′_i(w_s)为忽略产生的宽带波束形成阵列处理函数，H_i(w_s)为n＝n'-α_i时产生的宽带波束形成阵列处理函数，n表示数字信号的序列号，α_i表示时延τ_i对应的采样周期数，为对射频信号移相-w₀α_i弧度，为对射频信号延时L_i个采样周期，为对射频信号延时l_i个采样周期，为x_i(t)的复包络，x_i(t)为对应的第i阵元接收的信号，表示值为的数字复相位值，表示对信号移相w_sα_i弧度，表示对信号移相-w_sα_i弧度。

本发明的有益效果：

本发明结合宽带数字阵列雷达的特点和当今数字信号处理器件的最新发展水平，通过理论推导和计算机仿真，研究了一种基于射频直接采样的宽带数字波束形成方法，提出了一种具有良好工程可行性的宽带数字阵列收发波束形成的方法与其工程实现架构，接收宽带雷达回波信号；利用射频采样得到数字射频信号；对所述数字射频信号进行数字移相和整数延时处理，完成宽带数字波束形成处理。该方法不受雷达信号具体形式和阵列流形限制，可以实现准确的波束指向和近似理想的主瓣，同时计算量小工程可实现性较高，通过控制信号带宽、ADC采样频率以及采样频率与信号带宽比能够控制信号的旁瓣水平。

附图说明

图1为本发明的方法流程图。

图2为本实施例中射频采样宽带数字阵列雷达宽带数字波束形成框图。

图3为本实施例中不同宽带数字波束形成阵列处理所得归一化波束图。

图4为本实施例中同一信号带宽不同ADC采样频率下归一化波束图。

图5为本实施例中同一ADC采样频率不同信号带宽下归一化波束图。

图6为本实施例中波束图旁瓣值随f_s/B变化情况示意图。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

实施例

宽带数字波束形成技术是宽带数字阵列雷达系统的核心关键技术，然而目前的宽带数字波束形成方法大都存在计算量大、针对特定信号、工程实现复杂等缺点。结合宽带数字阵列雷达的特点与当前先进数字信号处理器件的特性，研究了一种基于射频直接采样的宽带数字波束形成方法，该方法具有计算量小、适用性好、具有较高工程可实现性等特点，通过计算机仿真验证了方法的有效性，分析了一些重要参数对方法性能的影响。如图1所示，包括以下流程：

S1、通过宽带数字阵列接收宽带雷达回波信号。

本实施例中，由于带通采样定理将带通行号的最低采样速率由信号最高频率降为信号带宽的2倍，因此，理论上采样速率为GSPS级的ADC已基本能实现大多数脉冲雷达信号的直接射频采样。对一直接射频采样的宽带数字阵列雷达，假设有N阵列通道，信号为宽带脉冲信号，并假设离远场点目标最远的参考阵元接收信号为：

其中，rect(n/T_p)u(n)是x₁(t)的复包络，f₀为载频。

对应的第i(i＝1,2,…,N)阵元接收信号为：

τ_i＝(i-1)d sinθ/c

其中，x_i(t)为对应的第i阵元接收的信号，且i＝1,2,…,N，N为阵元总数，τ_i为第i阵元信号与参考阵元信号间相对时延，θ为远场点目标方位角，f₀为载频，为x₁(t)的复包络，t为回波到达时间，T_p为脉宽，u为基带信号，为载波部分延时τ_i，d为阵元间距，c为光速。

S2、根据所述宽带雷达回波信号，利用射频采样得到数字射频信号，其具体为:利用带通滤波BPF和低噪放LAN对所述接收信号进行采样处理，得到数字射频信号。

本实施例中，通过直接射频采样得到数字射频信号为：

T_s＝1/f_s

L_i＝round(τ_i/T_s)

x_i(n)为对应的第i阵元接收的数字射频信号，round(·)表示取整运算，rect(·)为门信号，n为数字信号的序列号，T_p为脉宽，u为基带信号，为对射频信号移相w₀α_i弧度，表示值为的数字复相位值，τ_i为第i阵元信号与参考阵元信号间相对时延，T_s为ADC采样周期，f₀为载频，L_i表示时延τ_i对应的整数采样周期个数，l_i表示射频信号对应的采样周期个数，其为一个绝对值不大于0.5的小数，α_i表示时延τ_i对应的采样周期数。

S3、利用FPGA对所述数字射频信号进行数字移相和整数延时处理，完成宽带数字波束形成处理，其实现方法如下：

S301、利用JESD204B通行协议将所述数字射频信号传输至FPGA；

S302、利用FPGA对所述数字射频信号进行数字移相和整数延时处理，得到各阵列通道的宽带波束形成阵列处理函数；

S303、根据所述宽带波束形成阵列处理函数计算得到宽带波束形成阵列处理误差，形成宽带数字波束。

本实施例中，对直接射频采样后的信号进行处理实现时域宽带和波束形成，需要将各阵列通道信号的复包络对齐，即各阵列通道信号x_i(n)需处理成为：

由此，可得各通道的宽带波束形成阵列处理函数为：

其中，w_s＝2πf/f_s，f是复包络信号rect(n/T_p)u(n)带宽内的频率。X(w_s)、X_i(w_s)分别是信号rect(n/T_p)u(n)与的离散时间傅里叶变换(DTFT)。

若令n＝n'-α_i，则：

其中，表示对信号移相-w₀α_i弧度，表示对信号延时L_i个采样周期(数据间隔)，表示延时l_i个采样周期。工程上，数字移相与整数倍数据间隔延时较容易实现，而分数间隔延时实现相对复杂，考虑到|l_i|≤0.5，对于GSPS级的ADC采样数据，由于数据间隔不超过1ns，因此，若忽略产生的阵列波束形成处理延时误差为ps级，此时各通道的宽带波束形成阵列处理函数变为：

由此产生的宽带波束形成阵列处理误差为：

其中，H′_i(w_s)为忽略产生的宽带波束形成阵列处理函数，H_i(w_s)为n＝n'-α_i时产生的宽带波束形成阵列处理函数，，n表示数字信号的序列号，α表示时延τ_i对应的采样周期数，为对射频信号移相-w₀α_i弧度，为对射频信号延时L_i个采样周期，为对射频信号延时l_i个采样周期，为x_i(t)的复包络，x_i(t)为对应的第i阵元接收的信号，表示值为的数字复相位值，表示对信号移相w_sα_i弧度，表示对信号移相-w_sα_i弧度。

其误差大小与信号频率或带宽、采样频率、信号的阵列延时等有关。综合以上推导过程，基于射频采样的宽带数字阵列雷达宽带数字波束形成。

本实施例中，如图2所示，当宽带雷达回波信号到达宽带数字阵列雷达各阵列单元后，经带通滤波(BPF)与低噪声放(LNA)后进入高速ADC采样，采样后的数据般可经过高速ADC采样的JESD204B接口输出到FPGA中。JESD204B是一种连接数据转换器与处理器的高速通行协议，支持高达12.5Gbps串行数据速率，它明显减少了ADC采样与FPGA之间的数据传输线位数，有利于PBC布局以及器件本身的小型化，目前大多数高速ADC采样芯片均支持该协议。对于ADC采样输出的高速串行数据接收与处理，以Xilinx的Virtex7系列FPGA为例，利用其支持JESD204B协议的GHz收发器(GTX、GTH、GTZ)完成对高速数据的接收、串并转换、解码校验等处理，Virtex7系列FPGA均拥有数十个GHz收发器，比如XC7VX690T包含80个支持最高传输速率为13.1Gbps的GTH收发器，理论上可同时接收40片12bit、2Gbps的ADC芯片数据输入。最后FPGA对数据再进行数字移相与整数延时完成宽带数字波束形成处理。

本实施例中，波束设计：均匀直线阵，阵元数N＝128个，阵元间距d＝λ_m/2，λ_m为信号最高频率对应的波长，雷达信号采用正弦调频脉冲信号，脉冲宽度T_p＝40μs，载频f₀＝3.5GHz，阵列波束指向角为θ＝-60°。图3为信号带宽B＝400MHz、ADC采样频率f_s＝2GHz时本文宽带数字波束形成方法(移相+整数延时)所得归一化波束图与仅移相处理所得归一化波束图和理想阵列处理(移相+理想延时)所得归一化波束图对比。由此可见，仅移相处理所得波束图根本无法形成准确的波束指向，而本申请可以形成准确的波束指向，且波束主瓣与理想波束主瓣非常接近，而其旁瓣相对于理想波束有一定升高。

本实施例中，图4(a)表示信号带宽B＝400MHz、阵列均匀加权和-40dB切比雪夫加权时不同ADC采样频率下本文方法归一化波束。在图4(a)中，阵列均匀加权时，ADC采样频率为2500MHz时的波束图旁瓣相对于理想波束升高均值(SL)明显比ADC采样频率为1000MHz与1500MHz时低；在图4(b)中，阵列-40dB切比雪夫加权时，ADC采样频率为1000MHz时的波束图旁瓣最大值(SL_MAX)明显比ADC采样频率为1500MHz与2500MHz时波束图旁瓣最大值大。表1给出了信号带宽B＝400MHz、不同ADC采样频率下，阵列均匀加权时旁瓣相对于理想波束升高均值和阵列-40dB切比雪夫加权时旁瓣最大值SL_MAX，由表1可见，当信号带宽不变，随着采样频率增大，阵列均匀加权时旁瓣相对于理想波束升高均值和-40dB切比雪夫加权时旁瓣最大值SL_MAX均减小。

表1

图5表示ADC采样频率f_s＝2500MHz、阵列均匀加权和-40dB切比雪夫加权时不同信号带宽下本文方法归一化波束。在图5(a)中，阵列均匀加权时，信号带宽B＝200MHz时的波束图旁瓣升高均值明显比信号带宽B＝400MHz与B＝800MHz时低；在图5(b)中，阵列-40dB切比雪夫加权时，信号带宽B＝800MHz的波束图旁瓣最大值(SL_MAX)明显比信号带宽B＝200MHz与B＝400MHz时波束图旁瓣最大值大。表2给出了ADC采样频率f_s＝2500MHz、不同信号带宽下本文方法归一化波束图旁瓣值情况，由表可见，当信号采样频率不变，随着信号带宽增大，阵列均匀加权时旁瓣相对于理想波束升高均值和阵列-40dB切比雪夫加权时旁瓣最大值SL_MAX均呈现增大趋势，如表2所示，表2为f_s＝2500MHz不同信号带宽下归一化波束图旁瓣值情况。

表2

图6表示阵列均匀加权和-40dB切比雪夫加权时，不同带宽信号的本文方法归一化波束旁瓣值随ADC采样频率f_s与信号带宽B的比值f_s/B变化的情况。如图6(a)所示阵列均匀加权时，随着f_s/B增大，波束图旁瓣升高均值虽不是严格单调递减，但下降趋势非常明显，而且f_s/B增大到一定程度时，各信号带宽下波束图旁瓣升高均值差异很小；如图6(b)所示阵列-40dB切比雪夫加权时，随着f_s/B增大，各信号带宽下波束图旁瓣最大值(SL_MAX)单调递减，且不同带宽信号波束图旁瓣最大值(SL_MAX)整体差异较大。

本发明通过以上设计，在不受雷达信号具体形式和阵列流形限制时，可以实现准确的波束指向和近似理想的主瓣，同时计算量小工程可实现性较高，通过控制信号带宽、ADC采样频率以及采样频率与信号带宽比能够控制信号的旁瓣水平。

Claims (7)

1.一种基于射频采样的宽带数字波束形成方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、通过宽带数字阵列接收宽带雷达回波信号；

S2、根据所述宽带雷达回波信号，利用射频采样得到数字射频信号；

S3、利用FPGA对所述数字射频信号进行数字移相和整数延时处理，形成宽带数字波束。

2.根据权利要求1所述的基于射频采样的宽带数字波束形成方法，其特征在于，所述步骤S1中宽带雷达回波信号的表达式如下：

τ_i＝(i-1)d sinθ/c

其中，x_i(t)为对应的第i阵元接收的信号，且i＝1,2,…,N，N为阵元总数，τ_i为第i阵元信号与参考阵元信号间相对时延，θ为远场点目标方位角，f₀为载频，为x₁(t)的复包络，t为回波到达时间，T_p为脉宽，u为基带信号，为载波部分延时τ_i，d为阵元间距，c为光速。

3.根据权利要求2所述的基于射频采样的宽带数字波束形成方法，其特征在于，所述步骤S2具体为：

利用带通滤波BPF和低噪放LAN对所述宽带雷达回波信号进行采样处理，得到数字射频信号。

4.根据权利要求3所述的基于射频采样的宽带数字波束形成方法，其特征在于，所述数字射频信号的表达式为：

T_s＝1/f_s

L_i＝round(τ_i/T_s)

其中，x_i(n)为对应的第i阵元接收的数字射频信号，round(·)表示取整运算，rect(·)为门信号，n为数字信号的序列号，T_p为脉宽，u为基带信号，为对射频信号移相w₀α_i弧度，表示值为的数字复相位值，τ_i为第i阵元信号与参考阵元信号间相对时延，T_s为ADC采样周期，f₀为载频，L_i表示时延τ_i对应的整数采样周期个数，l_i表示时延τ_i对应的小数采样周期数，为一个绝对值不大于0.5的小数，α_i表示时延τ_i对应的采样周期数。

5.根据权利要求1所述的基于射频采样的宽带数字波束形成方法，其特征在于，所述步骤S3包括如下步骤：

S301、利用JESD204B通行协议将所述数字射频信号传输至FPGA；

S302、利用FPGA对所述数字射频信号进行数字移相和整数延时处理，得到各阵列通道的宽带波束形成阵列处理函数；

S303、根据所述宽带波束形成阵列处理函数计算得到宽带波束形成阵列处理误差，形成宽带数字波束。

6.根据权利要求5所述的基于射频采样的宽带数字波束形成方法，其特征在于，所述步骤S302中各阵列通道的宽带波束形成阵列处理函数H′_i(w_s)的表达式如下：

其中，为对射频信号移相-w₀α_i弧度，为对射频信号延时L_i个采样周期。

7.根据权利要求5所述的基于射频采样的宽带数字波束形成方法，其特征在于，所述步骤S303中宽带波束形成阵列处理误差E_i(w_s)的表达式如下：

其中，H′_i(w_s)为忽略产生的宽带波束形成阵列处理函数，H_i(w_s)为n＝n'-α_i时产生的宽带波束形成阵列处理函数，n表示数字信号的序列号，α_i表示时延τ_i对应的采样周期数，为对射频信号移相-w₀α_i弧度，为对射频信号延时L_i个采样周期，为对射频信号延时l_i个采样周期，为x_i(t)的复包络，x_i(t)为对应的第i阵元接收的信号，表示值为的数字复相位值，表示对信号移相w_sα_i弧度，表示对信号移相-w_sα_i弧度。