基于确知波形的宽窄兼容数字波束形成方法.pdf

:./.收稿日期:修回日期:基于确知波形的宽窄兼容数字波束形成方法蒋 菲唐霜天刘 剑(中国船舶集团有限公司第八研究院南京)摘 要:基于确知波形及其瞬时相位表达式提出一种能够兼容宽带和窄带波形的数字波束形成方法并通过融合数字接收和波束形成处理模块大幅降低消耗的资源数量 仿真结果显示该方法解决了宽带模式下波束指向偏移以及带宽增加导致合成波束峰值功率下降的问题关键词:数字波束形成确知波形表达式宽窄带兼容中图分类号:.文献标识码:文章编号:()():.:引 言数字波束形成技术是数字相控阵列系统的关键技术 随着系统多功能需求的不断增加阵列系统使用的波形带宽从兆赫兹延伸至吉赫兹以上 窄带波形的移相处理是时延的一种近似有损实现方式随着带宽的增加使用此方法导致合成波束的损失增加造成波束展宽和指向偏移等问题 一般来说宽带波形的波束形成处理需使用真实时延方法随着芯片能力和数字处理能力的提升在数字域实现时延主要使用分数时延滤波器和频域移相方法与窄带波形的简单移相方法不同在硬件实现上消耗更多的资源特别是硬件乘法器资源 因此在传统实现方式下即使宽带模式和窄带模式分时工作宽带和窄带波束形成处理一般也使用独立架构不进行硬件复用设计以免造成较大的硬件资源消耗本文在研究阵列系统常用的确知波形及其瞬时相位表达式的相移和时延处理的基础上提出一种宽窄带兼容的数字波束形成方法统一宽带和窄带的数字波束形成处理方式且融合接收和合成处理模块节约硬件实现资源 传统数字波束形成方法.数字移相数字波束形成处理的核心是抵消阵列回波的等相位波前到达各阵元天线的传播时延差因此最直接和正确的处理方式是对阵列回波进行相对时延 在窄带系统中回波的时间延迟可通过相移来代替所需相移第 卷 第 期 年 月雷达与对抗 .的大小由传播时延差和载波频率决定 典型的基于数字复数乘法的窄带移相数字波束形成实现框图如图 所示其中 是相位产生模块 是相位到幅度转换模块图 窄带移相数字波束形成实现框图在阵列系统中各阵元的回波信号在数字采样后经数字下变频、数字滤波和 数字移相处理得到期望方向的等相位信号进行叠加就可以实现合成其中数字接收处理的数字本振产生模块 可以在各阵列处理通道间共用数字合成处理的相加模块也只需 个用于计算数字移相权值的 模块可以在整个阵列上分时共用图中其他处理模块是通道级独立实现(按实际处理通道的数目)的.数字时延数字时间延迟的数字实现方法主要有频域相移和时域滤波两种其中频域方法涉及时域到频域、再频域到时域的连续变换实现结构复杂 这里给出典型的基于 的时域时延实现结构如图 所示 结构的数字时延滤波器基于 的可变分数时延()滤波器具有结构稳定、时延控制灵活等优点 与窄带移相实现方式相比宽带实现结构使用 代替 模块 为满足宽带和时延精度需求 滤波器的阶数一般较高实现时消耗的乘法器资源增加明显 特别是在宽带模式下为在时钟速率相对较低的处理芯片上实现高速率宽带数据的实时处理要使用多相处理方式这进一步增加了资源消耗图 基于 时延的宽带波束形成框图基于瞬时相位控制的宽窄带兼容处理无论是在时域的移相时延处理还是在频域的移相处理传统数字波束形成处理考虑的都是波形的频域性质比如群时延 事实上对于确知瞬时相位表达式的波形可在时域实现对其瞬时相位的控制 以常用的线性调频波形为例其通过波形参数控制可设置为窄带、宽带和单频等波形是一种较为典型的确知波形 线性调频波形的一般表达式为 (/)()式中为载频 为波形带宽 /为调频参数为波形时宽在数字离散时离散时间序列 其中 采样周期 为采样频率 的倒数采样频率 须满足带通采样要求即 通过设置 的大小即可实现单频、窄带、宽带等不同带宽波形假设在一个有 个阵元的阵列系统中相对于参考阵元 阵元 的传播时延为 阵元 上的瞬时波形可表示为()()(/)()()()以下仅考虑波形的瞬时相位即()(/)()()()对其分解后得()/()()/()()()()式中第一行所示相位为参考阵元 的瞬时相位第二行所示相位包含阵元编号 为阵元间传播时延导致的额外相移只要进行补偿就能保证阵元 波形的相位与参考阵元 上的保持一致与传统相移基于单个频点(例如载频)计算移相值不同式()总额外相移的第一项即包含时间序列参数 的这一项可理解为是第一行的宽带波形与阵元 有关的附加频移其余两项是与阵元 有关的附加相移 通过相位补偿实现不同阵元回波包络重合的那一段的同相叠加 因此对于确知的波形按照其时延的瞬时相位表达式进行分解可以将时延处理转换为随瞬时频率变化的相移从而统一宽带和窄带处理方式实现宽窄带兼容的数字波束形成处理雷达与对抗 年 第 期 宽窄带兼容处理的实现结构.数字波束形成处理部分的改进为满足宽窄带兼容方式的处理需求数字波束形成处理部分须改进为随瞬时频率变化的方式其实现结构如图 所示 与传统的宽窄带数字波束形成实现方式相比改进结构不使用时延滤波器而是增加一个额外的权值计算单元实时产生 模块需要的移相权值 此权值计算单元与数字接收处理中的 模块功能基本一致但由于各阵列处理通道需要的权值不一样因此不能共用图 数字波束形成处理的改进结构.融合处理结构在上述改进结构中数字接收处理和数字合成处理部分都有一个 功能的处理模块很显然可以进一步将两者融合 一种融合处理实现结构如图 所示其中融合 模块输入的参数包括接收本振有关的 和所需波束合成权值有关的 实现 和 功能 经融合 模块处理后各阵列处理通道输出的正交信号分别进行相加合成处理然后再经过 滤波得到波束/数据 此改进结构将合成处理提前到 滤波处理之前可以节约大量的 实现资源图 宽窄兼容数字波束形成处理的融合改进结构.资源消耗分析与传统数字波束形成方法相比本文方法的融合改进结构在 上实现时消耗的硬件资源如表 所示 所述 模块仅在传统窄带模式下需要模块仅在传统宽带模式下需要并且默认窄带模式下多相数目 为 分析可知相比于传统实现方式本文所述宽窄兼容融合实现方式少量增加了 资源、资源的消耗大幅降低了 资源的消耗 由于 模块和(基于 算法)模块的功能相当为便于对资源消耗情况进行定量分析按照它们消耗的资源数量进行等价置换即以 个 或者 个()资源等价于 个 资源 将 资源数量和 资源数量映射成乘法器数量时取两者的较大值 以此计算窄带模式()在阵元数目为、和 时本文改进结构消耗的等效 资源数量仅分别是传统方法的.、.、.和.即本文方法在硬件资源消耗方面有大幅降低并且随着阵元数目的增加资源节约效率增加在宽带模式下当阵元数目为 时在多相数目 分别为、时本文方法消耗的等效 资源数量都仅为传统方法的.即本文方法在硬件资源消耗方面有大幅降低并且与窄带模式(阵元)时相比可以看出多相处理方式下资源节约效率更高表 硬件实现资源及对比传统方法本文方法传统 融合 组合逻辑()寄存器()硬件乘法器()阵元数目 导致的资源翻倍多相数目 导致的资源翻倍蒋 菲 等 基于确知波形的宽窄兼容数字波束形成方法 仿真验证为验证本文所述宽窄兼容数字波束形成方法的有效性在一个 阵元的线性均匀阵列系统中基于 波形进行接收波束形成的仿真验证 仿真所用的阵列系统参数如表 所示表 仿真用阵列系统参数参数名数值阵列规模 射频载频/.阵元间距/.回波方向/()时宽 /带宽/采样速率/.宽窄兼容仿真在窄带模式下在不同波形带宽下仿真得到基于传统数字移相方法和本文方法在期望方向(回波方向)的合成信号统计合成信号功率并按照理论值进行归一化 其中波形带宽从单频按步进 递增至 归一化合成功率如图 所示可以看出本文方法的合成性能不随带宽增大而下降验证了其宽窄兼容处理的能力图 归一化合成功率随带宽的变化.宽带方向图仿真在宽带模式下在带宽 时进一步仿真给出高、中、低 个不同频点上的波束方向图如图 所示 可以看出:随着频率的升高波束指向保持不变波束宽度略有减小这符合波宽与阵元间距和频点的关系 本文方法能解决传统移相方法在宽带模式下的合成波束展开和指向偏移等问题从而验证了本文方法对宽带波形的处理能力图 宽带模式下合成的波束方向图 结束语本文针对阵列系统中使用的确知波形及其瞬时相位表达式提出了一种宽窄带兼容的数字波束形成方法并给出了数字融合处理的改进实现结构 硬件资源消耗分析表明本文所述改进方法能够大幅降低实现时的硬件资源消耗并随着阵元数目和带宽的增加资源节约效果更加明显 仿真结果显示:在窄带模式下本文方法在带宽增大时能保证合成波束在期望方向上的合成性能不下降在宽带模式下本文方法能解决波束指向随频点偏移的问题因此是大型宽带阵列系统的一种有效改进实现方法参 考 文 献 ./:.张光义赵玉洁.相控阵雷达技术.北京:电子工业出版社.钱璐邹林汪学刚.宽带数字阵列雷达接收通道的优化设计方法研究.电子科技大学学报():.徐宇安涛杨祎綪.分数延时滤波器设计与研究.舰船电子对抗():.姜玮潘宇虎夏琛海等.基于分级延迟的宽带相控阵天线研究.电子测量技术():./():.范立杰张月陈曾平.数字阵列雷达宽带波束形成实现技术研究/第十四届全国信号处理学术年会长沙:.雷达与对抗 年 第 期/:./:.作者简介:蒋 菲 女 年生工程师研究方向:计量唐霜天 男 年生研究员硕士研究方向:雷达总体刘 剑 男 年生高级工程师硕士研究方向:阵列信号处理(上接第 页)图 舰载雷达 系统实现技术流程数设置、雷达健康度及任务可执行度评估模型和维修保障策略最后基于构建好的舰载雷达健康管理模型健康管理系统对实时获取到的雷达各分系统 数据进行解析处理实现雷达实时状态监测、故障诊断及预测、健康状态评估功能并且依据故障诊断、评估和预测结果给出相应的保障决策实现雷达装备健康状态的全方位管控 结束语本文基于舰载雷达的特点采用分层设计、开发与应用分离方法设计一种舰载雷达健康管理系统并通过某型舰载雷达完成健康管理系统的应用实施 系统运行稳定效果良好对其他大型装备健康管理系统的设计有一定的借鉴意义 健康管理技术是一种大型复杂电子装备全生命周期健康状态管控的新技术能够有效降低舰载雷达维修保障成本提高武器安全性、可用度与完好性对提升舰载雷达的作战效能具有显著意义参 考 文 献 夏勇丁岐鹃尤路.基于大数据的雷达健康管理系统.太 赫 兹 科 学 与 电 子 信 息 学 报 ():.吕琛马剑王自力.技术国内外发展情况综述.计算机测量与控制():.邱立军吴明辉.技术框架及其关键技术综述.理论与方法():.章涵.国外预测与健康管理()标准分析.航空标准化与质量():.刘恩朋杨占才靳小波.国外故障预测与健康管理系统开发平台综述.测控技术():.秦赟王飞李伟等.雷达系统预测与健康管理总体架构设计.雷达与对抗():.吕克洪程先哲李华康等.电子设备故障预测与健康管理技术发展新动态.航空学报():.作者简介:洪 畅 男 年生工程师硕士研究方向:雷达健康管理翟栋梁 男 年生工程师硕士研究方向:雷达数据传输及处理丁志辉 男 年生工程师硕士研究方向:雷达信息处理沈 洋 男 年生工程师硕士研究方向:雷达信息处理蒋 菲 等 基于确知波形的宽窄兼容数字波束形成方法