（信号与信息处理专业论文）宽带数字阵实时延迟技术.pdf

摘要 摘要 为了获得关于目标的更细微信息，以满足目标识别或精确定位的需要，雷达 往往采用高距离分辨力信号，即宽带信号。当全数字化阵列天线采用宽带信号而 且发射和接收都使用数字波束形成技术的时候称为宽带数字阵雷达。近年来宽带 数字阵雷达受到越来越多研究者的关注，成为了研究的热点。然而，雷达的宽带 化带来了许多技术问题，其中一个问题是：如果对宽带信号仍然采用传统的窄带 波束形成技术，那么会因为孔径效应问题使得波束指向偏移和扫描不准。本文针 对这一问题进行分析和研究。 首先基于宽带信号对波束指向的影响，简单介绍了频率宽带波束形成器和时 域波束形成器，并针对时域宽带波束形成提出采用数字延迟线和分数延时滤波器 相结合的结构来补偿阵元间的时间差。 其次，设计了f i r 型和全通型两大类分数延时滤波器，对于两种设计方法的 性能、复杂度、稳定性、平坦度进行了比较。一般来讲，设计同样的分数延时滤 波器，全通型滤波器要比f i r 型滤波器的阶数少，但是全通型滤波器的稳定性要 好。另外，在实际设计分数延时滤波器中，首先选择l a g r a n g e 法和群延迟最大平 坦法，因为这两种方法的滤波器系数有着简单明确的形式，数据更新快，其缺点 是通带带宽随着滤波器阶数的增加而增加得比较缓慢。但是，选择最小二乘法设 计的分数延时滤波器有更大的灵活性，便于通带带宽的选择。 在此基础上，进一步研究了f i r 型和全通型可变分数延时滤波器的设计，并 给出了相应的实现结构和仿真分析。 再次，将所设计的分数延时滤波器应用在宽带数字阵波束形成上，通过 m a t l a b 仿真进一步验证所设计滤波器的有效性和正确性。 最后，选择两种有代表性的分数延时滤波器设计算法，编写了基于a d s p 2 11 6 1 的宽带波束形成d s p 软件模块，在v i s u a ld s p + + 环境下进行开发和仿真，并进行 了简单优化。 关键字：分数延时，数字波束形成，宽带数字阵列雷达，a d s p 2 11 6 1 a b s t r a c t i no r d e rt oo b t a i nm o r es u b t l ei n f o r m a t i o na n dm e e tt h ei d e n t i f i c a t i o no rp r e c i s e p o s i t i o n i n gn e e d so ft h et a r g e t ，r a d a ro f t e nu s i n gt h ew i d e b a n ds i g n a lw h i c hh a sah i 曲 r a n g er e s o l u t i o n w h e naf u l l yd i g i t i z e da r r a ya n t e n n aw i t hw i d e b a n ds i g n a lb e i n g t r a n s m i t t e da n dr e c e i v e dd ou s ed i g i t a lb e a m f o r m i n g ( d b f ) t e c h n o l o g y , i ti sc a l l e d w i d e b a n dd i g i t a la r r a yr a d a r ( a r ) r e c e n t l y , w d a ri sc o n c e r n e dm o r ea n d m o r eb yr e s e a r c h e r sa n db e c o m e sh o t h o w e v e r , t h ew i d e b a n do fr a d a rs i g n a lb r i n g sa l o to ft e c h n i c a lo b s t a c l e sa n do n eo b s t a c l ei st h eo r i g i n a lp o i n to ft h es c a n n i n gb e a m w i l lp r o d u c eu n f o r g i v i n gd r i f ti ft h ew i d e b a n dd i g i t a lr a d a rs t i l lb s e st h et r a d i t i o n a l n a r r o w - b a n db e a m f o r m i n gt e c h n o l o g y t h i sp a p e ra n a l y z e sa n dr e s e a r c h st h ec a u s eo f t h eo b s t a c l ep r o b l e m f i r s t l y , t h ed i s s e r t a t i o ng i v e ab r i e fi n t r o d u c t i o na b o u tw i d e b a n dd b fi n f r e q u e n c y - d o m a i na n dt i m e d o m a i nb a s e do nt h ei n f l u e n c e so fw i d e b a n ds i g n a la n d t h e np r e s e n t sam e t h o do fw i d e b a n dd i g i t a lb e a m f o r m i n gw h i c hi sm a k i n gt h eo u t p u t s o fe a c ha r r a ye l e m e n ti m p l e m e n td e l a yp r o c e s s i n gb yd i g i t a ld e l a yl i n e st oa c c o m p l i s h t h ei n t e g e rp a r to ft h et i m ed e l a ya n dt h e nt h er e m a i n i n gf r a c t i o n a lp a r ti sc o m p e n s a t e d b yf r a c t i o n a ld e l a yf i l t e r s s e c o n d l y , t h ed e s i g n sa n di m p l e m e n t a t i o n so ff r a c t i o n a ld e l a yf i l t e ra b o u tf i n i t e i m p u l s er e s p o n s e口i r ) a n d a l l - p a s s a r er e s e a r c h e da n da n a l y z e d ， i n c l u d i n g p e r f o r m a n c e ，c o m p l e x i t ya n ds t a b i l i t y 1 1 1 eo r d e r so ft h ea l l - p a s sf r a c t i o n a ld e l a y f i l t e ri s l e s st h a nt h ef i rf r a c t i o n a ld e l a yf i l t e r , b u tt h es t a b i l i t yi sb a d i np r a c t i c e ，w ew i l lf i r s t s e l e c tt h el a g r a n g ei n t e r p o l a t o ra n dm a x i m a l l yf l a tg r o u pd e l a yd e s i g n ，b e c a u s et h e t w om e t h o d sg i v ea i le x c e l l e n ta p p r o x i m a t i o na tl o wf r e q u e n c i e sw i t hl o w o r d e ra n d h a v ee a s ye x p l i c i tf o r m u l a sf o rt h ec o e f f i c i e n t st h a ti sq u i t es u i t a b l ef o rr e a l - t i m e c o e f f i c i e n tu p d a t e ，h o w e v e r , t h ea p p r o x i m a t i o nb a n d w i d t hg r o w sv e r ys l o w l yw h e nt h e f i l t e ro r d e ri ni n c r e a s e d l e a s ts q u a r e sf i ra p p r o x i m a t i o no ff r a c t i o n a ld e l a yf i l t e rh a s g r e a t e rf l e x i b i l i t yf o rb a n d w i d t hc h o i c e ，b u to n l ya tt h ee x p e n s eo fn u m e r i c a lp r o b l e m s o nt h i sb a s i s ，f i rv a r i a b l ef r a c t i o n a ld e l a y ( w d ) f i l t e r sa n da l l - p a s sv f df i l t e r s i si n t r o d u c c d ，t h er e s u l t so ft h es i m u l a t i o na r ep r e s e n t e da n dd e s c r i b e d n t h i r d l y , t h ed e s i g no ff df i l t e ri su s e dt or e a l i z ew i d e b a n dd i g i t a lb e a m f o r m i n g a n ds o m es i m u l a t i o n sr e s u l ts h o w st h a tt h ep r o p o s e dm e t h o de f f e c t i v e l yi m p r o v et h e b e a mp o i n t i n ga n dm v a n c et h ep e r f o r m a n c eo fb e a m f o r m i n g f i n a l l y , t h es o f t w a l es i m u l a t i o n so fw i d e b a n db e a m f o r m i n gb a s e do na d s p 2 1 161 i sg i v e ni nt h ev i s u a l d s p + + e n v i r o n m e n tw h i c hp r a c t i c e dt w or e p r e s e n t a t i v ea l g o r i t h m s o ff r a c t i o n a ld e l a yf i l t e r , t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ep r o c e d u r e sb ea b l et oa c h i e v e b e a m f o r m i n gp e r f o r m a n c e k e yw o r d s ：f r a c t i o n a ld e l a yf i l t e r ，谢d e b a i l dd i g i t a lb e a m f o r m i n g ，w i d e b a n dd i g i t a l a r r a yr a d a r ( w d a r ) ，a d s p 2 1 1 6 1 i i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：童墼兰2 日期：五j 寸年乡月 日 论文使用授权 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：茭蝰兰二 导师签名： e t 期：多9 第一章绪论 第一章绪论 1 1 宽带数字阵列雷达概述 1 1 1 数字阵列雷达的概念 在2 0 世纪7 0 年代以前，对电磁信号的处理主要以模拟的处理方法为主。此 后，随着微电子技术的发展，数字成为“信息的d n a ，数字技术已无处不在。 就雷达系统而言，随着超大规模数字集成电路、多元件t r 模块、s o c 芯片及光 纤等的发展，数字雷达将会逐渐替代模拟雷达【l 】。 数字阵列雷达( d a r ) 是一种接收和发射波束都采用数字波束形成技术的全 数字阵列扫描雷达，是数字阵列雷达的主要类型。其基本由天线阵列、数字发射 接收( t r ) 组件、时钟、数据传输系统、数字处理机组成。t r 组件模块是数字 阵列雷达的核心，它把发射机、接收机、激励器和本振信号发生器集为一体，成 为一个完整的发射机和接收机分系统。 数字处理系统数据传输系统数字阵列单元 图l 一1 数字阵雷达的基本结构 系统工作时，根据工作模式，信号处理系统控制波束在空间进行扫描，实现 收、发数字波束形成。发射时，由数字处理系统产生每个天线单元的幅相控制字， 对各t r 组件的信号产生器进行控制，产生一定频率、幅度、相位的射频信号， 再输出至对应的天线单元，最后由各阵元的辐射信号在空间合成所需的发射方向 图。接收时，每个t r 组件接收天线各单元的微波信号，经过下变频形成中频信 1 电子科技大学硕士学位论文 号，再经中频采样处理后输出i q 回波信号。多路数字化t r 组件输出的大量回 波数据，通过高速数据传输系统传送至实时信号处理机，实时信号处理机完成自 适应波束形成和软件化信号处理。 与采用模拟器件来实现波束的传统相控阵雷达相比，数字阵列雷达具有许多 优点：数字阵列雷达系统组成非常简单，只有信号处理机和阵列天线两个部分， 阵列天线和信号处理机之间通过光纤连接，没有复杂的馈电系统，系统重构性高； 数字阵列雷达在阵列端完成a d 变换，在数字处理端形成接收波束，可获得高的 动态范围；在宽带宽角扫描情况下，传统相控阵雷达一般是在子阵加实时延迟线 来实现宽带宽角的扫描，这使得系统变得复杂，而数字阵列雷达用数字时延取代 传统移相器，更容易解决了孔径渡越时间问题；可灵活设定在不同距离上的波束 加权和脉压加权，实现了近距离低副瓣和远距离低损耗( 改善约1 5 2 d b ) ，兼顾 了近区反杂波和远区弱目标信号检测；数字阵列雷达在数字域实现多波束，幅相 加权方式非常灵活，比较容易实现雷达多波束；数字阵列雷达可以同时形成多个 独立可控的波束，可以灵活控制不同距离波束个数和波束指向，波束交叠电平低， 在低角范围内可保证有两个高信噪比的波束队目标进行测量，具有低角测高精度 高的特点【2 1 。 此外，数字阵雷达还可以更好地抗射频干扰和其他环境因素干扰，能很精确 地增强弱目标信号并滤掉杂波，从而提高雷达的检测和跟踪能力，可使单个系统 在完全不同模式之间瞬时转换。 由此可知，数字阵列雷达的优越性是传统的相控阵雷达所无法比拟的，因此， 它正成为相控阵雷达的一个重要发展方向【2 】。 1 1 2 数字阵列雷达的宽带化需求 可同时执行多种功能、跟踪多批目标、具有很高的雷达搜索与跟踪数据率是 相控阵雷达的特点【3 1 。但是，现代雷达普遍面临着综合电子干扰，反辐射导弹，低 空、超低空突防以及目标隐身技术等四大威胁，这就要求现代雷达具有反地物、 抗积极和消极干扰、反隐身和自身生存的能力。如果对观测的重点目标，采用具 有大的瞬时带宽的信号进行跟踪，执行高分辨观测工作模式，并相应地提高雷达 跟踪数据率，则可以对该目标获取更多的有用信息，这对目标分类与识别、改善 多目标情况下的分辨率、提高雷达的测量精度、判定目标属性、测量目标事件有 重要作用。因此，宽带相控阵雷达对提高现代雷达的性能以及研制新一代高性能 2 第一章绪论 雷达具有非常重要的意义，它不仅增强雷达的反干扰能力，有效地对付反辐射导 弹，而且由于其相对带宽和绝对宽带都比较宽，可获得更高的距离分辨率，实现 多目标分辨和更高的测距精度。它是新一代雷达的关键技术，具有广泛的军事和 民用前景。 宽带数字阵列雷达( w b a d r ) 发射或接收的是宽带信号，因而它具有数字阵 列雷达和宽带雷达两种特点。传统相控阵雷达是通过控制阵元间的信号相位来间 接控制阵元间的信号延迟，然而，这一技术手段只适应于收发单一频率的系统， 在进行宽带和宽角扫描时，如果仍然沿用以相位控制来近似代替延迟控制的技术 手段，由于孔径效应的影响，那么在较大频带宽度内同一相位对应的延迟时间就 会相差较大，信号产生的阵内延迟就不能在整个带宽内抵消信号空间延迟，从而 使得波束指向偏移和扫描不准。为克服这种现象，实现宽带宽角扫描，就应该采 用真实时间延迟线t t d ( t r u et i m ed e l a y ) 取代传统相控阵雷达中的各天线单元的 移相器【4 1 。 在模拟雷达中，传统的实时延迟线有传统的波导和同轴延迟线、声表面波 ( s a w ) 延迟线、电荷耦合器件( c c d ) 等和光纤延迟线( o t t d ) 【5 1 。但是，宽带数字 阵雷达中时间延迟线是在数字域实现的，称为数字延迟法。数字延迟法是利用数 字延迟算法对数字基带信号进行处理从而获得不同的延时。常用的数字延迟算法 有频域线性相位加权、过密采样、数字时域内插、分数延时滤波器等。 宽带数字阵列雷达具有广阔的军事和商业用途，例如，宽带数字阵列可用于 先进多功能机载预警雷达，从而改善现有预警机在强干扰情况下的探测性能。同 时，宽带可以提供更多的目标信息，实现对空探测和对地探测相结合、目标探测 和多目标跟踪相结合。大的带宽也有利于未来机载预警机中电子战、通信和雷达 的一体化设计【6 】。宽带数字阵雷达技术是一门涉及多学科的复杂技术，对其的研究， 具有十分重要而深远的现实意义。 1 2 数字阵列雷达技术发展和研究现状 1 2 1 数字阵列雷达的发展历史与应用 数字阵列雷达是雷达领域的全新概念，在军事和民用领域有着广阔的应用前 景，有着其无可比拟的优势，如今已成为雷达发展的一个重要发展方向，吸引了 国内外许多学者的关注【7 1 。 3 电子科技大学硕士学位论文 早在2 0 世纪6 0 年代，数字处理技术被利用在波束形成上。一般来说，数字 处理技术在接收模式下更能体现，也容易实现波束。因此，早期研究主要集中在 接收数字波束形成【8 】。 从2 0 世纪8 0 年代开始，数字波束形成雷达相继发展起来。最早的接收数字 波束形成雷达是前西德的e l r a 相控阵雷达。此后，美、英、法、日、荷兰、瑞 典等国家相继开展了接收数字波束形成雷达的研究；8 0 年代和9 0 年代，荷兰的 m w 0 8 、s m a r t - l 、s m a r t - s 舰载d b f 多波束三坐标雷达，美国的a n t p s 7 1 可移动式超视距雷达( r o t h r ) 等一批工程实用化数字波束形成雷达开始装备使 用。1 9 8 9 年，休斯飞机公司在申请的专利中提出了采用数字波束形成技术实现多 个独立发射波束的方法【9 】。该系统采用了数字波形产生器，由其产生发射所需波形 的数字化时间采样，其接收波束亦采用数字波束形成技术。1 9 9 5 年，a d r i a ng a r r o d 首次提出了数字t r 组件的基本概念 1 0 1 ，从而衍生出一种全新概念的雷达一数字 阵雷达( d i g i t a la r r a yr a d a r ，d a r ) 。 美国海军研究局为满足舰载雷达在强杂波下探测小目标和对付多个干扰源的 要求，于2 0 0 0 年启动了数字阵列雷达开发计划，正式开展了全数字波束形成雷达 的研究【1 2 1 ，参加研究的3 个主要单位为美国海军实验室、美国海军水面站中心达 尔格仑分部( n s w c d d ) 实验室、麻省理工学院林肯实验室，目的是促进美国海 军的l 、s 和x 波段数字波束形成雷达采用民用技术。2 0 0 1 年完成了一个9 6 阵元 l 波段d a r 试验系统【1 3 l 钔。 2 0 0 1 年7 月，乌克兰u k s p e t s t e c h n i k a 公司完成了数字阵列雷达研发项目的研 究并进行了展示，该数字阵列雷达不仅适用于地基舰载雷达，也适用于机载雷达。 2 0 0 3 年，林肯实验室完成了一个s 波段宽带d a r 试验系统【1 5 1 8 】，该系统采 用线性调频( l f m ) 波形方式，拥有宽带( 5 0 0 m h z ) 和窄带( 1 0 m h z ) 两种工 作方式，取得了较好的实验效果。 数字波束形成雷达在国外发展的同时，国内也积极开张了数字阵列方面技术 的研究，并且取得了一定的成果。1 9 9 3 年，我国华东电子工程研究所提出“直接 数字波束控制系统”的概念，此后对基于d d s 的数字t r 组件进行深入研究。1 9 9 8 年，该所研制出4 单元数字波束形成发射阵试验台，此试验台可以发射和波束、 差波束以及低低副瓣的方向图。2 0 0 0 年9 月又成功研制8 单元一维收、发全数字 波束形成试验系统，并形成了副瓣发射波束以及发射波束零点。该系统是最早用 于实际观察目标的数字阵列雷达实验系统，它可以观察1 0 千米以内的汽车、飞机 等目标【1 1 】。2 0 0 4 年，完成了6 4 个单元的两维数字阵列雷达演示系统的研制，该系 4 第一章绪论 统工作在s 波段，通过对2 0 多个批次的民航目标进行了连续跟踪试验，系统功能 已经得到充分的验证【2 ，1 6 ，1 7 1 。2 0 0 5 年，该所研制了5 1 2 个单元的数字阵列雷达延 时验证系统，其成果主要为高度集成和可靠的数字阵列模块( d a m ) 。 数字阵列因其优越的性能，且同时多功能、可重构、智能化等特点使其在军 事和民用领域都具有广阔的前景。在军事上，数字阵列雷达在对付外部电子干扰、 实现同时多功能、对抗高速隐身目标、完成多目标精密跟踪以及分辨近距离真假 目标等方面有着极其诱人的前景，主要应用有：地面防空反导监视雷达；先进多 功能机载预警雷达；战场监视雷达；超视距雷达等。在民用上，主要应用有：数 字气象雷；数字空中交通管制雷达；微波遥感合成孔径雷达；警用测速雷达；航 天探测器雷达等。这种应用反过来又促进军用数字阵列雷达的发展。此外，数字 阵列雷达技术还可以广泛应用无线通信、声纳、超声成像等。 1 2 2 宽带数字阵波束形成技术的发展现状 对于宽带信号没有严格的定义，通常信号相对带宽在1 0 2 5 之间的信号被 认为是宽带信号。如果对宽带信号采用传统窄带波束形成技术，则会因孔径效应 问题引起波束指向偏移和扫描不准、有效分辨率减低【1 9 】，甚至，当工作频率变化 到某个范围时，波束指向漂移会超出最小的值限制，使天线在该频率上不能工作。 此外，空间强干扰的存在也会严重影响后续雷达信号处理。因此，窄带波束形成 器已经不能满足工程需要，从而提出了宽带波束形成的问题。 在宽带数字阵雷达中，为得到准确的数字波束指向，波束形成可以从频率处 理和时域处理两方面考虑【2 0 2 1 1 。频域处理方法主要是把发射或接收的宽带信号经 离散傅立叶变换( d f t ) 后分成若干子带在频率进行线性相位加权求和，然后再经 逆离散傅立叶变换( i d f t ) 输出。这种方法对采样率要求较高，运算量比较大， 很可能使得软硬件成本超出应用所能承载的能力，难于工程实现。时域处理方法 是指通过各个通道的可变延迟电路对发射或接收的信号进行延时补偿，然后相加 得到最大的阵列功率输出，但是这种方法需要较多的延迟单元，而且涉及到高阶 协方差矩阵的求逆问题。目前，随着数字器件的速度越来越快，频域处理和时域 处理方法有可能实现。 本论文针对时域宽带数字波束形成，采用数字延迟线和分数延时f i r 滤波器 来实现宽带波束。在研究中，设计了应用于宽带数字阵雷达中的分数延时滤波器 及考虑了如何实现等问题。 5 电子科技大学硕士学位论文 分数延时滤波器是指一种可以延时分数个采样间隔的数字滤波器，对其的设 计，国内外已经具有了相当的研究。早在1 9 7 5 年的一种数字相移动的新方法 中用到了分数延时，主要用来回波消除、相控阵天线数字信号处理和语音中的音 调同步合成等。此后的应用包括延时估计、数字波束的零点控制、数字调制解调 器中的时间调整和插值、采样率变换系统、反馈系统的稳定性、语音编码、人声 踪迹建模、乐器建模等【3 0 】。此外，在视频数字信号处理中也有很多潜在的应用。 理想的分数延时滤波器在整个频率范围内幅度响应恒定，在相位上表现为一 个分数延时。设计分数延时滤波器通常采用内插或近似逼近的方法，在文献 3 0 】 中采用了拉格朗日插值法逼近理想的分数延时传递函数，此外，该文详细地叙述 了用f i r 和全通滤波器近似逼近理想的分数延时滤波的各种设计方法，其中f i r 滤波器设计方法有：加窗法、l a g r a n g e 插值法、加权最小二乘法( w l s ) 等；分 数延迟全通滤波器的设计方法有：加权最小相位二乘法、加权最小群延迟法、群 延迟最大平坦法等。 此后，随着这些方法的发展和成熟，以多项式为基础的可变分数延迟滤波器 的设计受到了广泛的关注和研究，文献 4 1 1 q b 采用给出了设计可变分数延时f i r 滤 波器的w l s 方法，文献 4 2 中一种改进的w l s 法进一步优化了实现算法，给出了 闭式解，其性能得到了提高，计算代价大大减少。特征滤波器的方法也用来实现 1 d 和2 d 可变分数延迟f i r 滤波器和全通滤波器【4 3 】。此外，奇异值分解方法【删 和神经网络优化方法【4 5 】也被用于设计可变分数延时滤波器。对于可变分数延时滤 波器的设计，t i a n - b od e n g 在这方面做出了杰出贡献。 无论哪种设计方法，分数延迟滤波器的设计都是考虑用各种方法来逼近理想 滤波器而得到。 1 3 本文主要的内容和结构安排 本文针对宽带信号对波束指向的影响而深入研究分析，最终得出对于实际工 程应用有借鉴意义的结论，编写了宽带波束形成的d s p 软件模块。 论文结构安排和主要内容如下： 第一章绪论，简要叙述了数字阵雷达的基本概念、宽带化需求以及本文所研 究内容的发展和研究现状； 第二章宽带数字波束形成，简单介绍了信号模型以及波束形成理论，分析了 宽带信号会带来波束指向偏移和扫描不准，在此基础上，给出了频率宽带波束形 6 第一章绪论 成器和时域宽带波束器。 第三章分数延时滤波器的设计及其应用。根据分数延时滤波器的延迟参数是 否可变，分数延时滤波器分为固定分数延时滤波器和可变分数延时滤波器。本章 从f i r 型和全通型两个方面，详细介绍了固定分数延时滤波器的设计方法并给出 了相应的实验仿真，最后把所设计的分数延时滤波器应用在宽带数字阵波束形成 上，进一步证明了所设计的分数延时滤波器的有效性。 第四章可变分数延时滤波器的研究与应用。基于第三章的基础上，本章进一 步研究了f i r 型和全通型可变分数延时滤波器，给出了相应的滤波器结构，提出 利用可变分数延时滤波器替代固定分数延时滤波器来实现宽带波束形成的方法并 给出了实验仿真。 第五章基于a d s p 2 11 6 1 的宽带波束形成算法实现。本章选择了两种有代表性 的分数延时滤波器设计算法，编写了基于a d s p 2 1 1 6 1 的宽带波束形成d s p 软件模 块，在v i s u a ld s p + + 环境下进行开发和仿真，并进行了简单优化。 第六章是全文总结与展望，总结全文所做的工作并指出工作中存在的一些问 题以及对后续工作的展望。 7 电子科技大学硕士学位论文 第二章宽带数字波束形成 用数字技术实现波束形成的技术，称为数字波束形成技术。数字波束形成技 术充分利用阵列天线所获取的空间信息，通过信号处理技术使波束获得超分辨力 和低旁瓣的性能，实现了波束的扫描、目标的跟踪以及空间干扰信号的置零，因 而数字波束形成技术在雷达信号处理、通信信号处理，以及电子对抗系统中得到 了广泛的应用【1 1 。 瞬时带宽较宽的相控阵雷达具有抗干扰能力强、空间分辨率高、穿透性能好、 截获概率低和信号波形互不干涉等优点，因而在无源探测、目标识别、遥感测距、 频谱共享、信号隐蔽、抗反辐射导弹低空突防、合成孔径及逆合成孔径雷达成像 以及不被探测的寂静雷达研制等众多电子信息领域有广泛而重要的应用。正由于 此，宽带和超宽带相控阵雷达已经成为各国竞相投入巨资开发的热点。扫描波束 指向随工作频率变更而产生不希望的漂移是孔径效应在宽带相控阵天线上的产 物。它严重制约相控阵雷达的瞬时工作带宽，影响相控阵雷达多功能的充分发挥。 2 1信号模型和波束形成原理 相控阵的阵列天线有两种基本的形式，一种叫做线阵列，阵的单元都排列在 一条直线上；另一种为面阵列，阵的单元排列在一个面上。无论是线阵列还是面 阵列，阵天线的每个阵元( 或一组阵元) 后面接有一个可控移相器，利用控制这 些移相器相移量的方法来改变各阵元间的相对馈电相位，从而改变天线阵面上电 磁波的相位分布，使得波束在空间按一定的规律扫捌2 2 1 。 如图2 1 所示，假设空间远场有一个窄带信号： s ( t ) = u ( t ) e 1 哪( c o o 是信号的载波角频率) d 1 、 、一， 这个信号入射到空间阵列上，阵列是由n 个阵元组成的均匀线阵( u l a ， u n i f o r ml i n e a ra r r a y ) ，阵元等间距分布，相邻阵元的间隔为d ，对于空间任意方 向0 。远场信号的入射波到达阵列时可近似认为是平面波，因此从图中可以看出， 第二个阵元相对于第一个阵元的波程差为d s i n o ，第三个阵元相对于第一个阵元 的波程差为2 d s i n o ，以此类推，可得第n 个阵元相对于第一个阵元的波程差为 8 第二章宽带数字波束形成 ( ，l 一1 ) d s i n 。对电磁波而言，第n 个阵元相对第一个阵元的时延为： 乞一。= 墅半= ( ，z 一1 ) 气 ( 2 2 ) x o ( t ) 五o )而o )耳o ) x m l o ) 图2 1 线阵列天线示意图 其中，c 为电磁波在真空中传播的速度，t l = d s i n o c 为第二个阵元相对于第 一阵元的时延。 如果设第一个阵元接收的信号为： 五0 ) = s ( f ) ( 2 - 3 ) 则第n 个阵元接收的信号为： 毛( f ) = x 1 ( t + v , 一1 ) = j o + 乙一1 ) ( 2 - 4 ) 因为信号；( f ) 为窄带的，即；( f ) 是慢变化的，有： 吒( f ) = s o + 吒一1 ) = “o + 一1 ) e 硒件i s ( f ) p 旭k 1 ( 2 5 ) 设空间相邻发射元中的相位差为： 仍= = 2 刀c f o d s i n o c = 2 r e ds i n 0 九 ( 2 6 ) 式中：凡为信号的波长，五为信号的频率( 工= 2 万) ，且c = 石磊。则第n 个阵元相对于第一个阵元的空间相位差为( n - 1 ) f a 。 令m ) = h ( f ) 恐( f ) 毛( f ) 】r ，口( 秒) = 1p 崩d ( n - 1 ) n r ，则可写成向 量的形式： 石( f ) = 口( 秒) s ( f ) 9 ( 2 7 ) 电子科技大学硕士学位论文 数字波束形成器将数字的幅度和相位的权值在所有的通道信号求和之前加到 每个输入信号中，它保留了天线阵列单元信号的全部信息，并可以构成空间受控 的定向波束，从而获得优良的波束性能2 3 之6 】。一般来说，阵列信号处理只考虑基 带信号，式( 2 7 ) 的数字基带信号形式为： x ( 珂) = 口( 秒) s ( 刀) ( 2 8 ) 若波束指向角为，对应的相邻阵元间的波束控制时延为： l2 d s i n o b c ( 2 9 ) 为了形成波束，阵元后接一个可控移相器，其中第二阵元相对于第一阵元的 阵内相位差： l22 x d s i n o n 3 , 佗1 0 ) 并令w c o ) = ile 一胁e j ( u - o 一i ，可知，在任意方向8 ，阵列输出信号为： y ( ，z ) = w ( o b ) x ( n ) = w ( o s ) a ( t 9 ) s ( ”) ( 2 1 1 ) 其阵元天线的方向性函数为： i f ( o ) = , v ( t g n ) a ( t 9 ) i ( 2 - 1 2 、 许多情况下，为了获得较低的旁瓣，还要对雷达中的各阵元的幅度进行幅度 加权。主要的加权函数有切比雪夫( c h e b y s h e v ) 力h 权、海v 韭 ( h a m m i n g ) j j i 权等。在本 论文中，默认情况下采用3 0 d b 的切比雪夫加权。 2 2 宽带信号对数字波束形成的影响性分析 对于宽带信号，由( 2 - 6 ) 式司知，相邻阵兀之间的相位差燹为： 仍= = 2 x f d ( s i n o ) c f213)o)ti 2 x m ( s i n 仍2 r 其相位差与频率由关，宽带数字阵阵元天线的方向性函数就改为： l f ( o ，力i = 1 w c o 矗，门口( 乡，) 1 ( 2 - 1 4 ) 其中： 口( 9 ，厂) = 1 矿8 脚】 ( 2 1 5 ) 由此可见，天线的方向性函数不仅为空间角度目的函数，而且也是信号频率厂 1 n 第二章宽带数字波束形成 的函数，这说明信号的频率对天线方向图有着影响。 传统的相控阵天线实际上是一个窄带系统，相控阵天线方向图形成时，信号 频率是选定的某个固定频率，即将雷达信号当成连续波信号。但是实际所用的脉 冲信号含有一定的频带宽度，如果雷达信号的带宽相对较少，那么可以考虑把信 号频率当成常数，但是，当带宽足够宽时，天线方向图会随着频率的改变而改变， 这时必须要考虑信号频率的变化对天线方向图的影响。 由2 1 节分析可知，对于来自幺方向的信号第个阵元与第一个阵元之间的 阵内相位差： 2 2 ，r ( n 一1 ) d s i n 0 b 凡 f 2 1 6 ) 在( 2 1 6 ) 式中，令( n 一1 ) d = l ，则l 表示天线线阵两端两个阵单元之间的间距， 即线阵孔径。考虑c = 兀九，故： 22 x f o t b o ( 2 1 7 ) 其中： 乃o2 l s i n o n c f 2 1 8 ) 乃。为阵列天线的孔径渡越时间。 在传统的相控阵雷达中，移相器提供的相移值通常是不随频率变化的。因此 当信号频率由f o 变为五+ 厂后，对于位于幺方向的目标，其回波信号在第阵元 与第1 阵元之间产生的空间相位差将变为： 9 。肼22 ，r ( f o + a f ) t b o22 x ( f o + a f ) r s i n o c2 缈删+ 缈肼( 2 1 9 ) 式中： 22 尬f b o 2 2 庇f l s i n 0 8 c ( 2 2 0 ) 天线波束的指向取决于由移相器决定的阵内相位差妒驯与空间相位差的 平衡，妒删= 。由于兀变为五+ 鲈后，伊跗，故波束指向应由吃偏转一个 角度。 由( 2 1 3 ) 可得： 咖岛。赤 ( 2 - 2 1 ) 对频率取微分，可得： 电子科技大学硕士学位论文 c o s 岛巳。荔c 叱矽b 名一a f ( 2 - 2 2 ) 把( 2 1 7 ) 式代入上式得： g i = - a ，f 。t a n 岛 ( 2 2 3 ) 上式反应了信号频率由f o 变为+ 后，引起的天线波束指向的偏移乡厂。这 一现象反映了天线波束指向随信号频率的改变而在空间漂移，称为相控阵天线孔 径效应。 考虑1 6 阵元均匀线阵结构，信号中心频率为2 1 g h z ，阵元间距d 为工作频率 波长的一半，信号到来角方向为2 0 。，信号带宽分别取2 0 m h z 、2 0 0 m h z 、4 0 0 m h z 时移相处理后的波束图如下： 信号带宽2 0 m 的功率波束图 d 、。 褶 磐 1 r 世 葚 1 县 刁 v 相 磬 1 r 垃 甚 1 皿 图2 - 2 信号带宽为2 0 m 时功率波束图 信号带宽2 0 0 m 的功率波束图 浠孵 t t 黼网酣 一一理想波束图 - 一一 【j 一 移相处理波束图l ： 空间角度 图2 3 信号带宽2 0 0 m 时功率波束图 1 2 第二章宽带数字波束形成 d ：旧 磐 1 r 垃 s 1 县 信号带宽4 0 0 m 的功率波束图 0 7 凇磁k 疆：础l 懈8lli稀 r 州弹洲t 一 州l i 理想波束图 i ? 移相处理波束图 02 04 06 0 空间角度 图2 4 信号带宽为4 0 0 m 时功率波束图 由以上三个图可知，当带宽增加时，由于孔径效应的影响，波束方向图的指 向越偏离2 0 0 的方向，使得误差范围越大。 对于宽带相控阵雷达，阵元天线的方向图除了受指向的影响外，信号的频率 的高低都会对波束的主瓣宽度产生影响。相控阵天线的波束宽度： 。 15 1 2 1 5 l c 鼠广矿丽2 万一n d f c o s c o s ( 2 - 2 4 ) d v 口。 - 一- r ， 由上式可知，波束宽度与频率成反比。图2 5 为信号中心频率分别为1 7 g 和 2 1 g 的功率波束图。 、 刁 、- 熘 磐 1 r 进 尊 1 县 信号频率分别为1 7 g 和2 1 g 的功率波束图 飞、 r 溉溉。、删慨黑i f 1 j 7y 洲 r 咿1 1 7 g 的功率波束图 f 2 1 g 的功率波束图 02 04 0 空间角度 图2 - 5 信号频率1 7 g 和2 1 g 时形成的功率波束图 从图2 5 频率越高，形成的波束主瓣越窄。这说明在宽带信号中，由于不同频 率点形成的波束主瓣宽度不同，当目标信号从波束宽度内的非波束指向方向入射 时，输出的回波信号的不同频率分量得到的波束增益不同，导致了信号的线性失 1 3 电子科技大学硕士学位论文 真，这给后续识别带来了困难。这就牵涉到宽带恒定束宽波束形成的设计问题。 目前，对于恒定束宽的研究国内外学者在这方面做了很多研究。宽带恒定束 宽波束形成可以在时域实现，也可以在频率实现。频率恒定束宽波束是通过把宽 带划分为较小的子带并对相应的子带中心频率单独设计恒定束宽，这种方法不能 保证信号的相位连续。主要方法有：w a r d 等人的基于连续孔径阵列法【3 8 1 ，该方法 对阵元有一定的要求，难以胜任任意形状的基阵；智婉君和李志舜提出的空间重 采样法【4 5 1 ，该方法只适用均匀线阵；杨益新与孙超提出的适用于任意几何形状阵 列的采用b e s s e l 函数分解设计法1 4 6 ，该方法的缺点是由于采用b e s s e l 级数近似时 需要比较高的阶数，导致要求阵元数目较多。以上几种方法需要所有阵元没有方 向性和满足各阵元完全相同的假设。 时域恒定束宽波束是通过设计合适的f i r 滤波器组来实现。主要方法有：w a r d 等人给出的一种适用于均匀线阵列利用波束响应与f i r 滤波器之间的关系设计 f i r 滤波器的方法【3 8 】；张保嵩等人提出的用f i r 滤波器拟合离散频率点上恒定束 宽的方法，此方法在给出离散频率点上选择合适的自适应参数情况下，可以用于 任意阵列【3 9 1 ；n r o d e b o 等人提出的直接设计f i r 滤波器组的方法【训，该方法同样 可以用于任意的阵，但需要较高的阶的f i r 滤波器组来实现。此外，还有些数值 方法被提出，具体的实现本论文不做详细的研究。 由分析可知，传统的波束形成器已经不适合用作宽带波束形成。若对带宽轻 宽的信号采用传统的波束形成技术，则会引起一系列的问题，如：波束指向漂移、 有效分辨率减低、主瓣展宽等。而且，在空间有强干扰的存在的情况下，也会列 雷达信号的后续处理不利。因此，针对瞬时宽带信号，必须考虑采用其他的方注 来形成波束。 2 3 宽带数字波束形成 宽带信号比窄带信号含有更为丰富的信息，更有利于实现对目标检测、参量 估计等，然而，对宽带系统，接收通道或发射通道在整个频带内存在着延时的万 一致，这是宽带波束形成必须克服的问题。下面从频域和时域两个方面分别介绍 宽带波束形成。 2 3 1频域宽带波束形成 频域宽带波束形成主要利用了采样技术和波束形成技术。首