CN113162670A - 数字多波束校正与合成方法 - Google Patents

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胡超
张青洪
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Abstract

本发明公开的一种数字多波束校正与合成方法，旨在为电子侦察系统提供宽频段覆盖、多波束的信号。本发明通过下述技术方案予以实现：接收的信号通过信道模块经AD采样，完成接收信道的AD模数转换，经FPGA得到基带IQ数据信号；并分两步进行处理，第一步通过预处理模块FFT计算及加窗后，将时域的波形转换到频域上，传输至通用处理器，通用处理器选定参考通道并计算各通道与参考通道的幅度、相位差，并进行校正系数计算，然后将校正系数下发至FPGA，FPGA校正滤波器组加载对应频段的校正系数；第二步，对宽带信号进行数字多波束合成，在数字波束合成模块中形成多个方向指向不同空域的多波束基带信号的波束信号，供后端信号侦收设备使用或多波束测向处理。

Description

数字多波束校正与合成方法
技术领域
本发明涉及一种面向宽带侦察的数字多波束校正与合成方法。通过对多通道数据进行校正，保证通道数据的幅相一致性；采用多个滤波器组方式对多通道数据进行加权，形成不同指向的合成波束，可应用于现代侦察系统，满足对宽带信号侦收和空域全覆盖的需求。
背景技术
随着当今无线通信及雷达技术的发展，数字信号处理芯片处理能力不断提高，使数字波束形成得到了很大的发展。多通道接收机是DBF天线系统中信号的必经之路，正是这种多接收通道的结构，使DBF天线系统增加了幅度和相位误差的潜在来源。与多个天线阵列相连接的多个接收机通道必须要有很高的一致性，否则通道间的失配将严重影响数字波束系统的性能。对多通道间误差的校正正是数字多波束天线的关键技术之一。宽带数字多波束形成技术用数字信号处理技术，产生空间定向波束，使天线主波束对准用户信号到达方向，旁瓣或零陷对准干扰信号到达方向，能够获得较高的空间增益和空域分辨率。传统侦察系统对于宽带信号，直接采用多波束比幅测向会产生较大的误差，频率的变化其宽频段特性，波束宽度以及波束指向都会发生偏移。随着主波束指向角偏离数字阵列法线方向度，其相应波束的宽度将逐渐展宽，测向精度将受到影响。接收通道在制造时的各种误差、电路器件的选择，A/D的量化精度、DDC的性能、I/Q的正交误差等因素都会引起信号幅度和相位的变化。为了能够正确的波束成形，达到系统的精度要求，就必须要对多通道接收机进行校正。宽带数字多波束形成系统为了提升空间增益和空域实时覆盖能力，以获得更高的系统灵敏度和截获概率，需要不断增加射频通道数和合成波束数；这就大大提高了系统的实现复杂度和功耗，也成为当前宽带数字多波束形成技术在应用上的重要瓶颈。针对宽带、多波束的应用场景，侦察系统中普遍采用了数字波束形成技术,它在形成瞬时多波束的同时,能对干扰源自适应调零并得到超高分辨率和超低旁瓣,因而能非常有效地对付复杂的综合性电子干扰,非常适应于电子侦察发展的需要。但是所处的环境十分复杂,空间存在着大量的电磁辐射信号,如卫星电子侦察接收机输入端往往会同时收到数十部乃至数百部以上的雷达，另外,来自主瓣内的干扰,会引起主瓣分裂,宽带波束形成技术的实现存在信号处理复杂度高、系统功耗大的问题，通信/雷达信号带宽大、频点跳变范围宽、目标分布空域广，导致现在无源侦收系统所面临的电磁信号更加复杂。如何在实时地形成多波束的同时有效地抑制射频干扰仍然是侦察系统中一个亟待解决的问题。近年来，现代数字信号处理技术发展迅速，众多高性能算法得以工程应用，以数字多波束校正与合成技术为核心的宽带侦察系统，其性能得到了极大的提升。
多通道接收机是DBF天线系统中信号的必经之路，正是这种多接收通道的结构，使DBF天线系统增加了幅度和相位误差的潜在来源。与多个天线阵列相连接的多个接收机通道必须要有很高的一致性，否则通道间的失配将严重影响数字波束系统的性能。由于多波束系统自身比较复杂，要求配套的外围设备较多，技术要求高，系统在安装、使用过程中都必须对许多关键性因素进行详细的控制，否则多波束侦察系统将无法提供理想的合成增益与高精度测向能力。为了适应宽带数字阵列中多波束形成的要求,有文献提出了基于FIR型分数延迟滤波器经典时域多波束形成方法，该方法虽结构简单,但在波束个数较多时需要大量的乘法资源。现阶段国内外侦察系统对于目标信号的侦收通常采用窄带模拟波束合成的方式，主要通过对多通道信号进行移相的方式完成波束合成，但是该方法存在瞬时带宽小、多波束能力弱以及灵活性受限等问题，无法满足现代侦察系统日益扩展的瞬时带宽覆盖和灵活波束形成需求。宽带多波束的使用有两个难点，一是通道数据的校正，二是多波束宽带数据的合成。多数情况下，校正需要分频段完成，校正完成后，所有通道幅相误差不能超出规范的要求，进而完成宽带信号的多波束合成。
发明内容
本发明针对数字多波束天线所特有的多波束性能和通道校正的需求和有技术存在的问题和不足之处，提供一种增益较高、瞬时带宽大、空域覆盖广、波束形成灵活可控的数字多波束校正与合成方法。
本发明解决技术问题所采用的技术方案是：一种数字多波束校正与合成方法，其特征在于包括以下步骤：信号处理设备接收N元数字多波束DBF天线阵信号，接收的信号通过信道模块经射频前端A/D转换电路模数AD采样，完成接收信道的AD模数转换，经现场可编程逻辑门阵列FPGA数字下变频、抽取滤波预处理，得到基带IQ数据信号；得到基带IQ数据信号后，基带IQ数据信号为分两步进行处理，第一步在信号处理设备开电后或者一定周期内分频段计算多通道校正系数，基带IQ数据信号在通用处理器控制下，通过预处理模块对多通道预处理数据和快速傅里叶变换FFT计算及加窗后，经时频变换模块将时域的波形转换到频域上进行中心变换处理，并把多路FFT结果传输至通用处理器，通用处理器以FFT结果数据为基础，选定参考通道并计算各通道与参考通道的幅度、相位差，并进行校正系数计算，然后通过标校源将校正滤波器组加载到对应频段校正系数，校正系数经数据总线发送至现场可编程逻辑门阵列FPGA存储，供通道校正模块使用；第二步在通用处理器的控制下直接输入通道校正模块，对宽信号进行数字多波束合成；多路基带IQ数据信号通过通道校正模块，经过校正滤波器组进行通道幅相校正，消除通道间的幅相不一致，随后将校正后的基带IQ数据信号输入不同宽带滤波器组进行加权求和，完成校正处理的数据在数字波束合成模块中形成多个方向指向不同空域的多波束基带信号的波束信号，供后端信号侦收设备使用或多波束测向处理。
本发明相比于现有技术具有如下有益效果。
本发明采用并行多波束形成技术，经A/D后端的现场可编程逻辑门阵列FPGA数字下变频器，对接收带宽内的信号进行数字下变频滤波等预处理后得到基带IQ数据，利用FPGA的结构特点对通道间加权的复乘采用并行处理的方式，有效提升侦察系统的瞬时空域覆盖面积，满足系统的宽空域覆盖需求；不但实现起来相对容易、实时性高、配置灵活，灵活性高，而且精度和动态范围也有一定的保证。
本发明将得到基带IQ数据后主要分两步进行处理。第一步分频段计算多通道校正系数，通常在设备开电后或者一定周期内(如一个月)执行一次，其实现过程主要为：在通用处理器的控制下，基带数据送入预处理模块进行数字加窗、快速傅里叶变换FFT计算，将时域的波形转换到频域上，进行中心变换处理，并把多路FFT结果传输至通用处理器，通用处理器以FFT结果数据为基础，选取其中一个通道作为参考通道，分别计算其余通道与参考通道的幅度差、相位差，进而计算出校正滤波器系数，并通过数据总线将校正滤波器系数发送至FPGA存储，供通道校正使用；工程实现简单、计算精度高，可高效率完成数字多波束天线系统的通道校正，提升系统的多波束合成性能。
本发明通用处理器以FFT结果数据为基础，选取其中一个通道作为参考通道，分别计算其余通道与参考通道的幅度差、相位差，然后通过滤波器组对信号进行幅相加权，完成通道校正后，再根据信道均衡理论计算出幅相误差对应的校正滤波器系数，并传输至FPGA校正滤波器，通过加载校正滤波器系数，对多通道基带IQ数据进行宽带校正处理，消除通道间的幅相不一致，可有效提升多通道幅相一致性和证宽频段范围内各频点的幅相一致性；多路基带数据经过通道校正模块后，其幅度、相位差异可大大减小，满足波束合成对幅相一致性的要求，通过分段校正，可实现超宽侦察频段的覆盖，确保了瞬时宽带信号数字波束合成效果并可有力支撑超宽带侦察模式设计。
本发明将多路已经完成校正处理的数据输入数字波束合成模块，通过多个合成滤波器组对多通道IQ数据进行加权求和，同时形成指向不同空域的基带波束信号，供后端信号侦收设备使用或多波束测向处理，波束形成灵活可控。空频域覆盖广、信号增强效果明显、实时性高、配置灵活等特点，可工程化应用在侦察船平台的信号处理模块，还可以推广应用到机载、星载、地面等电子侦察系统平台中。
附图说明
图1是本发明数字多波束校正与合成流程示意图；
图2是FPGA数字多波束校正与合成原理示意图；
图3是本发明宽带校正原理示意图。
为了进一步说明而不是限制本发明的上述实现方式，下面结合附图给出最佳实施用例，从而使本发明的细节和优点变得更为明显。
具体实施方式
参阅图1。根据本发明，信号处理设备接收N元数字多波束DBF天线阵信号，接收的信号通过信道模块经射频前端A/D转换电路模数AD采样，完成接收信道的AD模数转换，经现场可编程逻辑门阵列FPGA数字下变频、抽取滤波预处理，得到基带IQ数据信号；得到基带IQ数据信号后，基带IQ数据信号为分两步进行处理，第一步在信号处理设备开电后或者一定周期内分频段计算多通道校正系数，基带IQ数据信号在通用处理器控制下，通过预处理模块对多通道预处理数据和快速傅里叶变换FFT计算及加窗后，经时频变换模块将时域的波形转换到频域上进行中心变换处理，并把多路FFT结果传输至通用处理器，通用处理器以FFT结果数据为基础，选定参考通道并计算各通道与参考通道的幅度、相位差，并进行校正系数计算，然后通过标校源将校正滤波器组加载到对应频段校正系数，校正系数经数据总线发送至现场可编程逻辑门阵列FPGA存储，供通道校正模块使用；第二步在通用处理器的控制下直接输入通道校正模块，对宽信号进行数字多波束合成；多路基带IQ数据信号通过通道校正模块，经过校正滤波器组进行通道幅相校正，消除通道间的幅相不一致，随后将校正后的基带IQ数据信号输入不同宽带滤波器组进行加权求和，完成校正处理的数据在数字波束合成模块中形成多个方向指向不同空域的多波束基带信号的波束信号，供后端信号侦收设备使用或多波束测向处理。
参阅图2。在数字多波束校正与合成中，FPGA芯片接受AD1、AD2…ADn路转换后的数字中频采样信号，将每一路中频信号进入预处理模块，在对应N路的预处理模块中完成数字下变频、低通滤波，输出N路零中频基带信号。N路基带数据后续的处理方式可分为两种模式，一种模式为标校模式，即N路基带数据进入时频变换模块完成加窗处理、FFT计算和中心变换，最终计算出校正系数；另一种模式为波束合成模式，即N路基带数据进入校正滤波器模块，校正滤波器模块根据信号频段加载对应的校正滤波器系数，在每个校正滤波器模块中完成对应通道数据的幅度、相位校正，输出幅相一致的多通道基带数据。通用处理器计算校正滤波器系数，将校正滤波器系数下发给N个校正滤波器模块，接下来校正后的基带数据进入内含M个合成滤波器的合成滤波器组模块，每个合成滤波器模块实现对多路基带数据的加权求和，最终完成波束1、波束2…波束m的数字宽带波束合成，输出特定指向的波束数据。每一个合成滤波器组模块可实现一个波束的加权，在FPGA实现中，或根据具体功能需求和资源情况设计适当数量的合成波束滤波器组模块。
参阅图3。在宽带标校中，标校源同时输出两路幅相一致的信号，分别进入参考通道和待校正通道，其中，参考通道频率响应为H1(jω)，待校正通道频率响为H2(jω)，校正滤波器频率响为C(jω)其中，j表示虚数单位，ω表示角频率。在原始失配情况下，参考通道频率响应H1(jω)和待校正通道频率响应H2(jω)并不一致，即H1(jω)≠H2(jω)，经校正滤波器处理后，待校正通道频率响应由H2(jω)变为C(jω)H2(jω)。为使H1(jω)＝C(jω)H2(jω)，可通过如下公式计算校正滤波器频率响C(jω)
Figure BDA0002998311710000051
校正滤波器系数与校正滤波器频率响应有如下关系
Figure BDA0002998311710000052
其中，j表示虚数单位，ω表示角频率，M表示滤波器阶数，h(l)表示第l个滤波系数，e为自然对数底，T为离散采样时间。
校正滤波器频率响应的离散化形式可表达如下
Figure BDA0002998311710000053
其中，n为频点，N为频点总数。
根据校正滤波器系数与校正滤波器频率响应关系，校正滤波器频率响应的离散化形式可表达如下
Figure BDA0002998311710000054
根据矩阵运算规则，上式可简写为C＝Ah，其中，
Figure BDA0002998311710000055
由于A为满秩矩阵，上式最小二乘解为h＝(AHA)-1AHC，其中，H为转置运算符号，AH表示矩阵A的转置。
以上结合附图对本发明进行了详细描述，但需要指出的是，上述实例所描述的是仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化，比如可以结合具体的实现改变处理流程和处理顺序、可以选用不同的处理设备和芯片实现本发明的技术方法。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种数字多波束校正与合成方法，其特征在于包括以下步骤：信号处理设备接收N元数字多波束DBF天线阵信号，接收的信号通过信道模块经射频前端A/D转换电路模数AD采样，完成接收信道的AD模数转换，经现场可编程逻辑门阵列FPGA数字下变频、抽取滤波预处理，得到基带IQ数据；基带IQ数据为分两步进行处理，第一步在信号处理设备开电后或者一定周期内分频段计算多通道校正系数，基带IQ数据在通用处理器控制下，FPGA完成变频滤波、快速傅里叶变换、中心变换等处理后将数据传输至通用处理器，通用处理器选定参考通道并计算各通道与参考通道的幅度差、相位差，进而获取校正滤波器系数，供通道校正模块使用；第二步对宽信号进行数字多波束合成，首先通过校正滤波器组消除多路基带IQ数据的幅相不一致，随后通过合成器完成数字多波束合成，形成指向不同空域的多波束数据，供后端信号侦收设备使用或多波束测向处理。
2.如权利要求1所述的数字多波束校正与合成方法，其特征在于：在数字多波束校正与合成中，FPGA芯片接收AD1、AD2…ADn共N路数字中频数据，将每一路中频信号输入预处理模块，在对应的预处理模块中完成数字下变频、低通滤波，输出N路零中频基带信号。
3.如权利要求2所述的数字多波束校正与合成方法，其特征在于：N路基带数据后续的处理方式分为两种模式，一种模式为标校模式，即N路基带数据进入时频变换模块完成加窗处理、FFT计算和中心变换，最终计算出校正系数；另一种模式为波束合成模式，即N路基带数据进入校正滤波器模块，校正滤波器模块根据信号频段加载对应的校正滤波器系数，在每个校正滤波器模块中完成对应通道数据的幅度、相位校正，输出幅相一致的多通道基带数据。
4.如权利要求3所述的数字多波束校正与合成方法，其特征在于：通用处理器计算校正滤波器系数，将校正滤波器系数下发给N个校正滤波器模块，接下来校正后的基带数据进入内含M个合成滤波器的合成滤波器组模块，每个合成滤波器模块实现对多路基带数据的加权求和，最终完成波束1、波束2…波束m的数字宽带波束合成，输出特定指向的波束数据。
5.如权利要求4所述的数字多波束校正与合成方法，其特征在于：每一个合成滤波器组模块实现一个波束的加权，在FPGA实现中，或根据具体功能需求和资源情况设计适当数量的合成波束滤波器组模块。
6.如权利要求1所述的数字多波束校正与合成方法，其特征在于：在宽带标校中，标校源同时输出两路幅相一致的信号，分别进入参考通道和待校正通道，其中，参考通道频率响应为H1(jω)，待校正通道频率响为H2(jω)，校正滤波器频率响为C(jω)其中，j表示虚数单位，ω表示角频率。
7.如权利要求6所述的数字多波束校正与合成方法，其特征在于：在原始失配情况下，参考通道频率响应H1(jω)和待校正通道频率响应H2(jω)并不一致，即H1(jω)≠H2(jω)，经校正滤波器处理后，待校正通道频率响应由H2(jω)变为C(jω)H2(jω)。
8.如权利要求7所述的数字多波束校正与合成方法，其特征在于：为使H1(jω)＝C(jω)H2(jω)，可通过如下公式计算校正滤波器频率响C(jω)
Figure FDA0002998311700000021
9.如权利要求8所述的数字多波束校正与合成方法，其特征在于：校正滤波器系数与校正滤波器频率响应有如下关系
Figure FDA0002998311700000022
其中，j表示虚数单位，ω表示角频率，M表示滤波器阶数，h(l)表示第l个滤波系数，e为自然对数底，T为离散采样时间。
10.如权利要求8或9所述的数字多波束校正与合成方法，其特征在于：校正滤波器频率响应的离散化形式可表达如下
Figure FDA0002998311700000023
其中，n为频点，N为频点总数。
根据校正滤波器系数与校正滤波器频率响应关系，校正滤波器频率响应的离散化形式可表达如下
Figure FDA0002998311700000024
根据矩阵运算规则，上式可简写为C＝Ah，其中，
Figure FDA0002998311700000025
由于A为满秩矩阵，上式最小二乘解为h＝(AHA)-1AHC，其中，H为转置运算符号，AH表示矩阵A的转置。
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