CN117849775A - 基于光学模数转换的多通道并行雷达数字波束成形方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种基于光学模数转换的多通道并行的雷达数字波束成形方法。面对雷达数字波束成形中面对的传统电学模数转换器带宽瓶颈问题和波束成形计算数据量问题，本方法采用光学模数转换器和并行化计算架构，通过光学信息处理的宽带优势，提高了模数转换的带宽，使得数字波束成形能够处理宽带高频段电磁信号；同时，本方法基于光学模数转换的多通道数据并行输出的特点，将数字波束成形的计算流程并行化，从而可以利用并行化的计算单元阵列完成数字波束成形计算，减少了每个计算单元中的计算数据量，降低了对计算单元硬件资源的要求和硬件制造的工艺难度和工艺成本，更进一步地，通过并行计算的方法提高了数字波束成形的实时性能。

Description

基于光学模数转换的多通道并行雷达数字波束成形方法及 装置

技术领域

本发明涉及基于光学信息处理的雷达系统，具体是一种基于光学模数转换的多通道并行雷达数字波束成形方法及装置。

背景技术

在现代雷达系统中，随着电磁频段不断拓宽，高频宽带信号成为雷达发射信号中的重要组成部分，而由于高频宽带信号在空间传播路径上通常具有较高的传输损耗，因此集中电磁信号功率，以波束的形式进行定向的电磁信号发射与接收的波束成形技术成为雷达的主流工作模式之一。从信号分类的角度，波束成形技术作为一种信号处理方法也可以分为两类，分别是模拟波束成形与数字波束成形。前者在模拟域上通过电学移相器，电学链路延时和天线阵列设计等方法对阵列中不同的天线所接收或发射的信号增加不同的相位偏移量，具有对单一波束方向处理速度快等优点，但是缺点在于灵活性受到约束，即一次只能管理和生成一个波束，无法同时对多波束方向进行波束成形。后者则是通过对完成数模转换之后的数字信号以数字计算的形式对不同天线链路的信号添加相应的相位偏移量，由于是在数字域完成波束成形过程，数字波束成型技术具有非常高的灵活度，并且能够用于需要同时进行多波束成形的雷达探测场景，而其缺点在于雷达的性能很大程度上取决于模数转换器的性能，现有的电学模数转换器的带宽采样率等性能指标难以满足高频宽带的雷达系统，另一方面，相比于模拟波束成形技术，数字波束成形技术具有更大的数据生成量，计算量的增加对雷达的实时性能是一大挑战。

光学模数转换技术通过光学信息处理方法，利用光相对于电的宽频带优势，通过高速光脉冲完成对高频宽带电磁信号的直接采样。在光域上将高速的单路采样脉冲序列转化为多路的低速的采样脉冲序列，从而缓解了对电模数转换器量化速率和量化带宽的需求，最终在低速小带宽的电模数转换器阵列上实现对高频段大带宽信号的高速采样。因此利用光学模数转换器构建数字体制雷达接收机，具备解决数字波束成形中对模数转换器性能要求高这一瓶颈问题的潜力。另一方面，现有的光学模数转换系统尽管有着多种不同的架构并且有各自的特点和优势，但是都保留了多通道数据并行输出的方式。例如通道交织型光模数转换系统利用多级的级联马赫曾德尔调制器进行高速采样脉冲向多路低速采样脉冲的串并转换，保证了所有的超宽带信号处理过程在光域上进行；并行采样光模数转换系统则利用多路低速光脉冲与单路高速光脉冲的等价性，通过对光程的严格调控实现高速采样过程，减少调制器级联从而降低了链路损耗和提升有效位数；时间波长交织型光模数转换系统充分利用光的波长维度，利用密集波分复用器使得单路的高速采样脉冲转换为多路具有不同中心波长的低速采样脉冲，同样减少了链路损耗。对多通道数据进行处理时，现有的方法总是首先将多通道并行输出的数据整合为单通道的采样数据，然后针对完整的采样数据进行统一化的处理。这种大数据量的处理方式难以满足在数字波束成形计算所需要的实时性，而且由于数据量的大幅提升，计算单元的硬件资源配置要求也更加难以满足，在工艺层面增加了制造成本和制造难度。因此，利用光学模数转换提升雷达数字波束成形性能不仅需要在雷达接收机层面的改进，也需要结合硬件本身的特点对数字波束成形的计算方法流程做出改进，而多通道并行输出的特点为现有的光学模数转换数据的处理方式提供了在处理速度和实时性层面上的改进空间。

CN114814773A发明公开了一种基于光学模数转换系统的目标成像与识别方法，包括：在发射端，生成连续的N段射频频段的线性调频脉冲信号s(t)，在接收端，通过射频功率调理接收到的运动目标的回波信号；利用光学模数转换系统对射频频段的回波信号r(t)进行采样；通过数字去斜和傅里叶变换对所有N段回波信号进行处理，每段脉冲对应不同的回波时延τi，得到N段脉冲对应的一维像；根据N段脉冲对应的一维像通过相参积累算法得到该目标在该照射时间内的一帧逆合成孔径图像。

上述在先申请已经公开了本申请的大部分技术方案，请发明人补充说明本发明与其的区别，及该区别的创造性之处。

发明内容

本发明的目的在于在雷达的波束成形中引入光学信息处理方法，提高数字波束成形能实现的宽带高频性能指标，同时针对引入光学信息处理方法之后的大数据量问题，结合光学模数转换本身的多通道特性，给出数字波束成形的并行计算流程，实现具备实时性能的数字波束成形功能。

为了实现上述目的，本发明的技术解决方案如下：

一方面，本发明提供一种基于光学模数转换数据的多通道并行雷达数字波束成形方法，其特点在于，该方法包括如下步骤：

步骤1：构建阵列雷达体系，雷达阵列包括M*N个天线，其中M为天线阵行数，N为天线阵列数。每个雷达发射天线连接到发射链路和接收链路，在发射链路上完成波形产生过程，在接收链路上利用多通道光学模数转换系统完成信号接收和数字化过程。在接收链路之后，每个光学模数转换系统的数据将分为L路输出，所有光学模数转换器的第i路数据都将输入到对应的第i个计算单元中，完成数字波束成形过程，而后向数据中心进行数据传输。

步骤2：在一个波束扫描时间窗口内，对角度组合的波束方向进行扫描，其中θ为波束方向与参考坐标系x轴在天线阵列平面内的夹角，/>为波束方向与天线阵列平面的俯仰角。对波束方向进行扫描，首先通过发射链路完成电磁信号的发射，在发射完成之后，通过接收链路得到电磁信号的数字化接收结果，并且按步骤1所述将模数转换器的对应通道数据传输到计算单元中。

步骤3：在每个计算单元中，写入完成数字波束成形所需要的并行计算逻辑，具体过程可以表示为如下：

R表示计算输出结果的数据矩阵，其形式如下：

其中k表示第k个角度组合的对应下标，t表示在一个波束扫描窗口内单通道接收的信号数据量。

θ_i表示第i个角度组合的波束成形矢量，具有如下的数学形式：

d表示传入到计算单元中的数据矩阵，具有如下的表达形式：

其中第i行第j列数据d_i，j表示第i个天线接收到的第j个时刻的信号数值。

步骤4：将L个计算单元的数据传输到数据中心，并在数据中心完成并串转换过程，得到最终k个波束方向的数字波束成形结果。

所述的电磁信号的射频频段包括但不限于X波段，Ku波段，Ka波段，W波段，毫米波波段。

所述的多通道光学模数转换系统包括但不限于通道交织型光学模数转换系统，并行采样光学模数转换系统，时间波长交织型光学模数转换系统。

所述的数字波束成形包括接收端数字波束成形和发射端数字波束成形。

所述的并行计算单元包括但不限于计算机，FPGA，乘法器芯片。

另一方面，本发明还提供一种基于光学模数转换数据的多通道并行雷达数字波束成形装置，其特点在于，包括：

并行发射链路，用于完成发射信号功率调理和上变频，并传输至天线阵列模块；

天线阵列模块，分别与发射链路和接收链路相连；

并行接收链路，用于完成信号功率增益，并在光学模数转换系统中完成信号采集，将采集后的信号传输至并行计算单元模块；

并行计算单元模块，用于完成波束成形所需的并行处理流程，并将处理结果传输至数据中心模块；

数据中心模块，用于整合并显示最终波束成形的结果。

由于目前的数字体制雷达通常采用下变频链路和电子模数转换器的接收架构，并且在计算层面将所有电子模数转换器的数据进行整体运算，因此，与其相比，本发明方法具有以下优点：

1、光学模数转换器对高频大带宽电磁信号的射频直采能力增加了雷达接收的电磁信号波段类型和信号带宽，从信号类型层面提高了数字波束成形的灵活性。

2、在光学模数转换本身多通道的特性基础上，针对数字波束成形功能，实现了多通道数据并行化的计算，减少了数据处理的时间和难度，提高了实时性能。

3、在多通道数据并行化计算方法的基础上，利用硬件装置对方法进行了实现，由于整体数据被并行分发到多个计算单元中，每个计算单元的硬件资源配置要求降低，从而降低了硬件制造的工艺难度和工艺成本。

附图说明

图1(a)为本发明的流程示意图，图1(b)为本方法中所述装置示意图。

图2为本发明的实施例的示意图。

图3为本发明的实施例中数字波束成形结果对比图，其中(a)为未进行数字波束成形时的时间域波形图，(b)为按发射角度进行数字波束成形后的时间域波形图。

图4为本发明的实施例中数字波束成形对雷达探测效果影响的对比图，其中(a)为未进行数字波束成形时的探测效果图，(b)为按发射角度进行数字波束成形后的探测效果图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

步骤1，首先搭建本实施例中的环境，如图2所示。在本实施例中，天线阵列规模为4*3，每个天线的接收链路后接有包括光学模数转换系统芯片的开发板，其中光学模数转换的通道数为4，开发板将光学模数转换芯片的数据传输至FPGA阵列中，FPGA阵列的数量为4，与光学模数转换芯片通道数一致。FPGA阵列对直采数据进行计算后，传至数据中心进行汇总显示。

步骤2，在一个时间窗口(0，5ms)时间内对角度组合(30°，60°)进行扫描。在(0，2.5ms)时间将天线阵列切换为发射模式，此时由发射链路对天线阵列进行上行的电磁信号传输，经由天线向外发射。在(2.5ms，5ms)时间内将天线阵列切换为接收模式，此时由接收链路接收由天线阵列传输的下行电磁信号，并且经由光学模数转换芯片阵列将信号进行射频直采，并且将直采结果传输至并行的FPGA计算单元中。

步骤3，在FPGA阵列中进行并行化的数字波束成形计算，其中每个FPGA对所有光学模数转换的对应通道数据进行计算。在本实施例中，选取角度组合(30°，60°)和角度组合(40°，50°)进行作为数字波束成形角度矢量。计算完成之后将计算结果传输至后端的计算机上，由计算机作为数据中心进行汇总和显示。

步骤4，在计算机上对并行数据进行并串转换，得到最终的数字波束成形结果，其中以角度(30°，60°)做数字波束成形后的波形图如图3(b)所示，作为对比，未进行波束成形的波形图如图3(a)所示，可以看出在进行数字波束成形之后，波形发生了改变，其他方向的电磁信号受到了抑制。为了进一步展示本方法的技术效果，在计算机上进一步显示了数字波束成形后雷达的探测效果，如图4(b)所示，作为对比，图4(a)为未进行数字波束成形时的雷达探测效果，可有看出数字波束成形率滤除了其他方向的干扰对探测效果的影响。

Claims (2)

1.一种基于光学模数转换数据的多通道并行雷达数字波束成形方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：构建雷达阵列体系：雷达阵列包括M*N个天线，其中M为天线阵行数，N为天线阵列数，每个雷达发射天线连接到发射链路和接收链路，在发射链路上完成波形产生过程，在接收链路上利用多通道光学模数转换系统完成信号接收和数字化过程，在接收链路之后，每个光学模数转换系统的数据将分为L路输出，所有光学模数转换器的第i路数据都将输入到对应的第i个计算单元中，完成数字波束成形过程后，向数据中心进行数据传输；

步骤2：在一个波束扫描时间窗口内，对角度组合的波束方向进行扫描，其中，θ为波束方向与参考坐标系x轴在天线阵列平面内的夹角，/>为波束方向与天线阵列平面的俯仰角；对波束方向进行扫描，首先通过发射链路完成电磁信号的发射，在发射完成之后，通过接收链路得到电磁信号的数字化接收结果，并且按步骤1所述将模数转换器的对应通道数据传输到计算单元中；

步骤3：在每个计算单元中，写入完成数字波束成形所需要的并行计算逻辑，公式如下：

R表示计算输出结果的数据矩阵，其形式如下：

其中，k表示第k个角度组合的对应下标，t表示在一个波束扫描窗口内单通道接收的信号数据量；

θ_i表示第i个角度组合的波束成形矢量，具有如下的数学形式：

d表示传入到计算单元中的数据矩阵，具有如下的表达形式：

其中，d_i，j表示第i个天线接收到的第j个时刻的信号数值；

步骤4：将L个计算单元的数据传输到数据中心，并在数据中心完成并串转换过程，最终得到k个波束方向的数字波束成形结果。

2.一种基于光学模数转换数据的多通道并行雷达数字波束成形装置，其特征在于，包括：

并行发射链路，用于完成发射信号功率调理和上变频，并传输至天线阵列模块；

天线阵列模块，分别与发射链路和接收链路相连；

并行接收链路，用于完成信号功率增益，并在光学模数转换系统中完成信号采集，将采集后的信号传输至并行计算单元模块；

并行计算单元模块，用于完成波束成形所需的并行处理流程，并将处理结果传输至数据中心模块；

数据中心模块，用于整合并显示最终波束成形的结果。