基于确知波形的宽窄兼容数字波束形成方法.pdf
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1、:./.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
2、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
3、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
4、 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
5、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
6、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
7、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
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