（信号与信息处理专业论文）宽带数字波束形成技术及实现研究.pdf

摘要 摘要 为了提高雷达的抗干扰能力，提高雷达对目标的分辨、识别能力，解决目标 的雷达成像问题，数字阵列雷达必须采用宽带信号。随着高速采样技术和高速数 字处理器的发展，宽带雷达信号的全数字处理成为可能，宽带数字阵列雷达越来 越引起人们的关注。宽带数字阵列雷达是采用宽带信号波形而且发射和接收都使 用数字波束形成技术的全数字化阵列天线雷达。宽带数字波束形成( d b f ) 是宽 带数字阵列雷达的关键技术之一，并成为重要的研究方向。 首先，本文从数字波束形成系统和宽带雷达信号两方面介绍了宽带d b f 的 基本理论；同时还介绍了宽带数字波束形成频域处理算法，其思想是对接收信号 进行f f t 变换，在频域上进行波束形成，主要有非相干处理方法( i s m ) 和相干 处理方法( c s m ) 两类方法。仿真实验验证了两种算法进行d b f 时的有效性。 然后，本文对宽带d b f 频域处理算法进行了深入研究。考虑了相干源背景下 的数字波束形成，给出了相干源模型，分析表明频域平滑算法能够分辨相干信号 源，从而有效克服信号对消现象。子阵级的宽带d b f 将子阵划分理论与d b f 技 术相结合，在子阵级上进行宽带d b f ，有效减小了计算量和系统复杂度。为了提 高算法的稳健性，还研究了零点加宽技术。 考虑到线性调频信号( l f m ) 的特殊调频特性，本文接着介绍了拉伸处理理 论，经过拉伸处理和窄带滤波的目标信号带宽大大降低，波束形成可以在一个很 小的带宽上进行，数据采样率大大降低，利于工程实现。 最后，本文初步探索了典型的d b f 算法m ) r 算法和i s m 方法在a d s p t s 2 0 1 s 平台上的实现。利用v i s u a ld s p h 提供的软件环境，用a d s pt s 2 0 1 s 的 汇编语言对两种方法进行软模拟，仿真结果表明程序能够达到预期效果，完成波 束形成性能。 本文主要对宽带d b f 技术进行了较深入的分析和研究，通过仿真比较得出一 些具有实际意义的结论，为宽带数字阵列雷达的工程实现提供参考。 关键词：宽带，数字阵列，d b f ，拉伸处理，a d s pt s 2 0 1 s a b s t r a c t a b s t r a c t d i g i t a la r r a yr a d a rt r a n s m i t s w i d e b a n ds i g n a l ，f o rt h en e e do fi m p r o v i n g a n t i - i n t e r f e r e n c ea b i l i t y , i m p r o v i n gi d e n t i f i c a t i o n , r e c o g n i t i o no ft h et a r g e t , a n ds o l v i n g t h ep r o b l e mo fr a d a ri m a g i n g w i t ht h e d e v e l o p m e n to fh i 曲一s p e e ds a m p l i n g t e c h n o l o g ya n dh i g h - s p e e dd i g i t a lp r o c e s s o r s ，w i d e b a n dr a d a rs i g n a lc a nb ed e a l e di n a l l - d i # t a l ，a n dt h e nw i d e b a n dd i g i t a la r r a yr a d a ri sc o n c t 日i i o ：lm o r ea n dm o r e w i d e b a n dd i g i t a la r r a yr a d a ri sf u l l yd i g i t i z e da r r a ya n t e n n ar a d a r , e m p l o y sw i d es i g n a l w a v e f o r m , a n dn s e $ d i g i t a lb e a m f o r m i n gt e c h n o l o g yi nt r a n s m i t t i n ga n dr e c e i v i n g w i d e b a n dd i 百t a lb e a m f o r m i n g ( d b f ) i so n eo ft h ec r i t i c a lt e c h n o l o g i e s ，a n db e c o m e s a ni m p o r t a n tr e s e a r c hd i r e c t i o nf o rw i d e b a n dd i g i t a la r r a yr a d a r f i r s to fa l l ，t h i sa r t i c l ei n t r o d u c e st h eb a s i ct h e o r yo fw i d e b a n dd b f i n c l u d i n gt h e d i g i t a lb e a mf o r m i n gs y s t e ma n dw i d e b a n dr a d a rs i g n a l s b e s i d e s ，w i d e b a n dd b f m e t h o d si nf r e q u e n c y - d o m a i ni si n t r o d u c e d ，t h ei d e ai st ot r a n s f o r mr e c e i v es i g n a l sb y f f t ，a n dt h e nd od b fi nt h ef r e q u e n c yd o m a i nu s i n gi n c o h e r e n ts i g n a l - s u b s p a c e m e t h o d ( i s m ) a n dc o h e r e n ts i g n a l s u b s p a c em e t h o d ( c s m ) v a l i d i t yo ft h et w o m e t h o d si sp r o v e db ys i m u l a t i o n t h e n , w i d e b a n dd b fm e t h o di nf r e q u e n c yd o m a i ni ss t u d i e dd e e p l y d b fi nt h e c o n t e x to fc o h e r e n ts o u r o 嚣i sc o n s i d e r e d ，g i v i n gt h ec o h e r e n ts o u r c em o d e l t h e a n a l y s i ss h o w sf r e q u e n c yd o m a i ns m o o t h i n ga l g o r i t h mc a nd i s t i n g u i s hc o h e r e n ts i g n a l s o u r c e s ，s oa st oo v e r c o m et h ep h e n o m e n o no fe x t i n c t i o ne f f e c t i v e l y w i d e b a n dd b f a ts u b a r r a yl e v e lc o m b i n e st h et h e o r yo fs u b a r r a yd i v i s i o na n dd b ft e c h n o l o g y , r e d u c e st h ec o m p u t a t i o na n ds y s t e mc o m p l e x i t yt oac e r t a i ne x t e n t 1 1 1 et e c h n o l o g yo f w i d e n i n gn o t c h i ss t u d i e dt oe n h a n c et h er o b u s t n e s so ft h ea l g o r i t h m t a k i n gi n t oa c c o u n tt h es p e c i a lf r e q u e n c ym o d u l a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fl f m s i g n a l s ，t h i sa r t i c l ei n t r o d u c e ss t r e t c h i n gp r o c e s s i n gt h e o r yi n t ow i d e b a n dd b et h e b a n d w i d t ho ft a r g e ts i g n a la f t e rs t r e t c hp r o c e s s i n ga n dn a r r o w b a n df i l t e r i n g t h ed a t a s a m p l er a t i oi sr e d u c e dg r e a t l y , s ot h a td b fc a nb ee a r r i e do u ti nas m a l lb a n d w i d t h a n dt h em e t h o di se a s yf o re n g i n e e r i n gi m p l e m e n t a t i o n f i n a l l y , t h ei m p l e m e n t a t i o no fm v d ra l g o r i t h ma n di s mb a s e do na d s p 一 垒里! ! ! ! ! 竺! 二一 _ - _ - l _ - - - _ _ l _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ - _ _ - - _ _ _ _ - 一一一 t s 2 0 1si se x p l o r e di nt h et h e s i si n i t i a l l y u s i n gt h es o re n v i r o n m e n to f v i s u a ld s p + + ， s o f ts i m u l a t i o no ft h et w od b fa l g o r i t h m si sd o n eb ya s s e m b l yl a n g u a g e s i m u l a t i o n r e s u l t ss h o wt h a tt h ep r o c e s sb ea b l e t oa c h i e v et h ed e s i r e dr e s u l t s ，a 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 i nt h i sd i s s e r t a t i o n , i ti si n d e p t ha n a l y z e da n dr e s e a r c h e dt h a tw i d e b a n dd b f a l g o r i t h m s o m ec o n c l u s i o n so fp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c eh a v e b e e nd r a w nt h r o u g hal o to f s i m u l a t i o na n dc o m p a r i s o n , t ob et h er e f e r e n c ef o rp r a c t i c a li m p l e m e n t a t i o n o f w i d e ：b a n dd i g i t a la r r a yr a d a r k e yw o r d s ：w i d e b a n d ，d i g i t a la r r a y , d b f , s t r e t c hp r o c e s s i n g , a d s p t s 2 0 1s 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己在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：邀些丝 日期：2 。0 7 年r 月埤日 关于论文使用授权的说明 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：熬尬红导师签名： 乒 锄 厂、7 青 日期：埘7 年皇月游日 第一章绪论 第一章绪论 在现代电子战中，敌对双方均要采取各种电子手段来扰乱和破坏对方雷达的 正常工作，雷达对抗空间的信号形式越来越多，信号密度越来越大，所占频谱越 来越宽，雷达的工作环境日益苛刻。面对日益严峻和高度对抗的环境，在抗干扰 和反侦查方面的性能直接决定了雷达系统的生存能力。没有抗干扰能力的雷达是 很难发挥作用的，雷达的性能必须大幅度提高，应具备高精度、多功能、多目标 探测、抗干扰、多种自适应和目标识别等能力【l 】【2 1 。数字技术的应用能很好地提 高雷达的上述能力。 1 1 研究背景及意义 1 1 1 数字波束形成 波束形成是对多传感器阵列接收到的数据在空间上增强期望信号、抑制噪声 和干扰的处理过程，是阵列信号处理的一个重要内容。按波束形成的方式可以分 为模拟波束形成和数字波束形成( d b f ，d i g i t a lb e a mf o r m i n g ) 。 模拟波束形成是在射频采用模拟器件( 如移相器、时延单元及波导等) 来形 成波束，使用模拟波束形成的相控阵雷达波束形成网络方案确定之后，波束形状 将无法改变，仅能改变波束的指向，难以实现波束的自适应控制。 数字波束形成( d b f ) 则是以数字技术在基带上使用复加权实现波束形成的 技术，它保留了天线阵列单元信号的全部信息，可以采用先进的数字信号处理技 术对天线阵列信号进行处理，以获得优良的波束性能。此外，数字波束形成可以 自适应地形成波束实现空域抗干扰；还可以同时形成多个独立可控的波束而不损 失信噪比；波束特性由权矢量控制，灵活可变；扫描波束的形状和波束指向可通 过移相器进行控制，并可随距离单元不同而灵活改变：采用d b f 的天线具有较好 的自校正和低副瓣性能。d b f 的这些优点是模拟波束形成所不具备的，对提高雷 达性能具有深远的影响【4 j 。 八十年代以来，d b f 技术受到了许多国家的广泛重视，必将对现代雷达技术 的发展产生重大影响。新一代雷达及改进型雷达将更多的采用这种技术。 电子科技大学硕士学位论文 1 1 2 数字阵列雷达 传统的模拟相控阵雷达的天线阵列基本全是由模拟器件构成，核心是模拟 t r 组件和移相器，存在功耗高，动态范围小，可靠性差等缺点。数字阵列雷达 ( d a r t ，d i g i t a la r r a yr a d a r ) 在雷达面临严峻挑战的情况下应运而生，是一种收、 发都采用数字波束形成技术的全数字化相控阵雷达，在数字域实现幅相加权并形 成所需要的波束( 即数字波束形成) 。 与采用模拟器件来实现波束形成的传统雷达相比，数字阵列雷达具有很多优 势【4 】： 1 大的动态范围 2 易实现相控阵的宽带宽角扫描 3 低损耗，低副瓣 4 容易实现多波束 5 低角测高精度高 另外，数字阵列雷达还具有可制造性强、全周期寿命费用低；系统任务可靠 性高等优点。 正是由于在实现方法和系统性能上比传统的模拟相控阵雷达更灵活，数字阵 列雷达具有无可比拟的优越性，在数字气象雷达、数字空中交通管制雷达、数字 s a r 、警用d a r 、反导用d a r 及数字动目标模拟器( m ，r s ) 等军事和民用领域 中都有广阔的应用前景。因而数字阵列雷达成为相控阵雷达发展的一个重要趋势， 倍受人们关注。 现代雷达的任务不仅仅是要完成对目标位置、速度等信息的提取，而且要求 对目标进行成像分析和识别，这就要求目标具有较高的分辨能力。例如未来的弹 道导弹防御( b m d ) 系统，要求雷达同时具有高的角度和距离分辨率。要想获得 距离向的高分辨率，就要求雷达的发射信号具有大的带宽，以激励出目标的其他 的微波反射特征【5 1 。另外，相控阵雷达具有灵活控制的波束、高的信号增益、强 的干扰抑制能力及角度高分辨等优点而被广泛使用。相控阵雷达采用宽带信号后， 进一步增强了雷达的功能，它的应用使雷达发展产生了质的飞跃，其优越性将更加 明显和突出，例如，优异的目标识别能力、抗杂波干扰性能、反目标隐身能力、 以及抗电子与非电子干扰能力等。采用宽带信号的多功能相控阵雷达将是现代雷 达发展的一个重要方向。 数字阵列雷达是目前世界上最先进的相控阵雷达，随着高速采样技术和高速 2 第一章绪论 数字处理器的发展，宽带雷达信号的全数字处理成为可能。当数字阵列雷达的发 射信号采用宽带信号时，就称为宽带数字阵列雷达( w b a d r ) 。 宽带数字阵列雷达的众多优点，使其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，从而提供良好的抗干扰性能，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。宽带数字阵雷达越来 越引起人们的关注。 宽带数字波束形成是宽带数字阵雷达的关键技术之一【引。在数字域实现波束 形成，并对干扰来袭的方向置零，这是今后数字阵列雷达信号处理方面的一大研 究方向。 1 2 国内外相关技术研究动态 1 2 1 宽带数字波束形成技术的发展现状 早期的数字波束形成主要是相对窄带信号而言的，但是，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信 号，即宽带信号。当波束扫描角较大时，各个接收阵元的输出包络延时会出现大 于信号分辨力的现象，即“孔径渡越问题，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。宽带信号虽然可以看成各相邻窄带信号 的叠加，但是宽带阵列模型并不等于各窄带阵列模型之和，宽带阵列的处理过程 要复杂的多。 目前，对宽带信号处理算法的研究主要分为两类唧羽，一是以f r o s t f 6 】提出的宽 带信号处理自适应阵列结构为基础，称为空时处理方法，另一种是将宽带信号进 行f f r 变换得到按频率分路的多路信号，然后分别对各个频率的信号进行自适应 波束形成处理，此方法称为频域处理方、法【1 2 j 。 f r o s t 6 】提出的是线性约束最小方差( l c m v ) 算法，其特点是通过横向滤波器 ( 抽头延迟) 来实现对不同频率的信号进行不同的加权，达到宽带信号波束形成 的目的，但是这种方法的硬件实现复杂，并且抽头延迟使得加权向量的维数大大 增加，运算量也随之增大，所以利用快速傅立叶变换( f f t ) 技术，把时域的信号 利用d f t 变换到频域，将信号的时延表示为相移的形式，用离散傅立叶变换后的 电子科技大学硕士学位论文 频谱序列代替原来的时域序列进行计算成为了主要的宽带信号处理方法【1 2 1 。宽带 数字波束形成，就是有效利用多个频点协方差矩阵以便数字波束形成性能优于单 个频率的窄带方法。这种方法对那些能量不是集中在一个窄带内的信号是很适用 的，例如，由于直升机的推进器或者发动机产生的多个谐波构成的声源等。另外， 还可以通过较陡的截止频谱的滤波器组，如正交镜像滤波器组【l o 】或余弦调制滤波 器组【l l 】，来减小不同频点之间的互相关。 时域处理方法需要较多的延时单元，并且涉及到高阶协方差矩阵的求逆问题 ( 矩阵大小为m l x m l ，m 和分别代表阵元数和抽头延迟线数) ；频域处理方法 直接对阵元接收信号作d f t 处理，对于宽带或超宽带信号，采样频率高，数据量 大，所以计算非常复杂，难于工程实现。当前，因数字器件的速度越来越高，对 于信号带宽有限的情况，频域d f t 和时域处理方法有可能实现，但设备量较大。 文献1 1 4 1 1 1 5 针对线性调频信号( l f m ，l i n e a rf r e q u e n c ym o d u l a t i o n ) 提出了一种 简化和便于实现的宽带阵列处理方法，即将拉伸处理和频域波束形成方法结合起 来，大大降低了接收信号的处理带宽和数据率，计算复杂度也随之降低。 1 2 2 数字阵雷达的研究进展 全新概念的数字阵列雷达以其无可比拟的优势，正在成为相控阵雷达的一个 重要发展方向，广受人们的关注。数字阵列雷达的研究大体可分为三个阶段：早 期概念研究阶段、关键技术研究阶段和实验系统研究阶段【2 】。 近年来，国外一些发达国家在数字阵列雷达系统方面投入了大量的人力物力， 实用化数字阵列雷达的研究也取得了一定的进展，出现了一些采用d b f 技术的实 验系统和数字阵雷达系统： 美国海军研究局( o n r ) 2 0 世纪8 0 年代开展了数字阵列雷达的先期概念研 究，在此基础上于2 0 0 0 财年设立了数字阵列雷达开发计划，正式开展全数字波束 形成的数字阵列雷达( d a r ) 的研究f 1 6 】【1 7 1 ，参加研究的3 个主要单位分别为美国 海军实验室( m i t l l ) ，n s w c d d 实验室和麻省理工学院林肯实验室。这是一 个较为完整的l 波段9 6 个单元的实验样机系统，其核心技术是基于d d s 的发射 数字波束形成和基于a d 的接收数字波束形成。 乌克兰u k s p e t s t e c h n i k a 公司2 0 0 1 年7 月完成了数字阵列雷达研发项目的研 究，公司将研究成果向军事代理部门的专家进行了展示。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。 4 第一章绪论 英国r o k e m a n o r 研究中心最早提出了数字t r 组件的概念，并对基于d d s 的相控阵全数字t r 组件进行了深入的研究。为验证数字组件用于雷达设计的可 行性该公司开发了一个1 3 单元的收发全数字波束形成试验阵，验证系统采用了 1 3 个数字组件，并在每个单元使用工作在4 0 0 m h z 的p l e s s e ys p 2 0 0 2 芯片作为波形 发生器。 除上述研究外，国内有许多学者和专家对数字阵列给予了极大的关注，积极 开展了用于雷达、通信等领域数字阵列关键技术的研究，并取得了一定的成果【l 引。 中国华东电子工程研究所于1 9 9 3 年提出了“直接数字波束控制系统 的概 念，1 9 9 8 年研制出4 单元基于d d s 技术的d b f 发射阵，2 0 0 0 年9 月研制成功8 单元一维收发全数字波束形成试验系统，可以观察1 0 k i n 以内的汽车、飞机等目 标，是全数字相控阵雷达的雏形。2 0 0 5 年，该所完成了5 1 2 个单元的数字阵列雷 达延时验证系统研制，标志性成果为高度集成和可靠的d a m ( 数字阵列模块) 。 目前，该所正在进行数字阵列雷达工程应用研究f 2 1 9 1 。 中国某电子研究所构建了一个基于直接频率合成的4 单元l 波段相控阵发射 阵实验台，对相关技术进行了研究。 国内某高校从上世纪9 0 年代开始，便开展了雷达波形数字产生技术的研究。 2 0 0 3 年开始，对宽带数字阵雷达技术进行了前期理论研究，并进行了数字波形产 生、高速a d 采样和光纤传输等试验，在系统方案和单元模块电路等方面已取得 了一定进展。 随着高性能数字硬件和数字处理技术的不断发展，数字阵列雷达目前已进入 工程实用阶段。雷达作为一种特殊的无线电装备，也必然遵循从模拟到数字再到 软件化这样的发展道路。数字阵列雷达是一种可由软件来控制的数字化雷达，是 基于硬件面向用途的。未来发展将是在通用硬件平台上，通过不同的软件编程实 现单部雷达的多功能化，通过网络软件实现多部雷达的组网以及对节点雷达体制、 工作方式、工作频段、信号参数和处理方法的可编程控制。通用、灵活、高性能、 低成本的软件化雷达将是数字阵列雷达未来发展的方向。 1 3 论文研究内容与结构安排 本论文是在某实验宽带数字阵列雷达的背景下，主要研究各种宽带数字波束 形成算法，进行性能分析与仿真，得出对实际工程应用有借鉴意义的结论，并考 虑典型算法的d s p 仿真。 电子科技大学硕士学位论文 论文结构安排如下： 第二章介绍了宽带数字波束形成的基本理论，重点研究了频域处理方法，对 其中的非相干信号子空间方法( i s m ，i n c o h e r e n ts i g n a l s u b s p a c em e t h o d ) 和相干 信号子空间方法( c s m ，c o h e r e n ts i g n a l s u b s p a c em e t h o d ) 中的旋转信号子空间 ( r s s ，r o t a t i o n a ls i g n a ls p a c e ) 算法进行了仿真分析。 第三章在相干源背景下、子阵级和宽零点三个方面分别对宽带数字波束形成 技术进行了深入研究。 第四章针对l f m 信号的调频特性，将拉伸处理与数字波束形成技术相结合， 介绍了其处理流程，并进行仿真分析，最后考虑了在子阵级实现。 第五章利用v i s u a ld s p 提供的软件环境，在a d s pt s 2 0 1 平台上对m v d r 算法和i s m 方法的实现进行了初步探索。 第六章是全文总结与展望。 6 第二章宽带数字波束形成基本理论 第二章宽带数字波束形成基本理论 接收空间传播信号的系统经常碰到干扰信号，同时都会有不同程度的噪声， 如果期望信号和干扰信号出现在同一时间频率带上，时域滤波是无法将其分开的。 但是在多数情况下，期望信号和干扰信号来自空间位置不同的信号源，利用此特 性，在接收端使用空域滤波器可以将它们分开。 数字波束形成技术的实质是数字式空域滤波，从一定意义上来讲，就是自适 应数字波束形成。在理想的条件下，数字波束形成技术可以有效地抑制干扰而保 留期望信号，从而使阵列的输出信号干扰噪声比( s l n r ) 达到最大。 本章为以后各章的基础，首先介绍数字波束形成系统的基本原理，在给出宽 带信号波形的基础上，对比单频信号模型建立宽带阵列信号模型。考虑到已有文 献1 2 2 】详细研究过时域处理方法一空时自适应处理方法( s p a t i a lt i m ea d a p t i v e p r o c e s s i n g ，s t a p ) ，最后重点介绍了宽带数字波束形成频域处理方法。 2 1 数字波束形成系统的基本原理 2 1 1 数字阵列雷达的处理流程 数字阵列雷达的基本工作原理是：发射模式下，由实时信号处理机产生每个 天线单元的幅度和相位控制字，通过数据传输系统送至数字t r 组件，控制其产 生一定频率、相位、幅度的射频信号，经上变频和放大处理后由天线单元发射出 去在空间合成所需要的发射波束。接收模式下，每个t r 组件接收各天线单元的 微波信号经射频采样、直接数字下变频( d d c ，d i r e c td o w nc o n v e r t e r s ) 后输出 f q 回波信号，再通过高速数据传输系统( l v d s 方式和光纤传输) 送至信号处理 机，由信号处理机完成d b f 和软件化信号处理。 图2 1 以两个阵元的线阵为例，给出了数字阵列雷达的信号处理流程。阵元 间距为d ，两个阵元的接收信号间的相对延时可表示为f = d s i n o c ，即 玉，( f ) = 五。o d s i n o c ) 。混频器相当于乘法器，若信号为单频信号 而l ( f ) = c o s ( c o o t + ) ，参考信号为x o ( t ) = c o s ( o ) l t ) ，则混频器的输出为： 皇量型堇盔兰堡主兰垡笙奎 一一 _ 一 数字波束形成 图2 - 1 数字阵列雷达信号处理流程 恐j ( f ) = 五1 ( f ) 而( f ) = 圭c 0 s 【( + q y + 】+ 圭c 0 s 【( 一q y + 】 ( 2 1 ) 恐2 ( f ) = x 1 2 ( f ) ( f ) = 1 2 e o s ( c o o + q 弦一f + 编】+ - 圭c , o s ( c o o q ) f 一f + 纯】 通过模拟带通滤波器，将不需要的高频信号+ 劬滤除，则输出信号为： 妒主州( 峨一础+ 刚 ( 2 - 2 ) 毛：( f ) = 圭c o s ( c o o q ) 卜f + 仇】 设a d c 的采样速率为织( 采样周期为霉= 2 7 r q ) ，雠n y q u i s t 采样定 理，则通过a d c 和d d c 后，信号为： 咖】= 圭唧冰训毋】) ( 2 - 3 ) ：【雅】= 圭e x p - 【( 一q ) n 霉一f + 】) 第二章宽带数字波束形成基本理论 然后进行数字波束形成，对于单频信号，只需对： ，l 】移相即可： 气： 刀】= ，： 刀】e x p ( _ ，f ) = 去e x p 歹【( 一q ) ，l 互+ 】 ( 2 - 4 ) 将黾：【万】与。【刀】比较可知，两信号此时相位完全一致。 数字波束形成是以数字形式在基带实现的，通过适当的延时或者移相，才能 使从某一方向入射的期望信号能够同相相加，输出最大。 2 1 2 数字波束形成接收模型 数字波束形成技术，是将传统相控阵雷达中射频复加权移至数字基带上的波 束形成技术，把对阵列的衰减器和移相器的控制变成了直接对数字信号进行加权 运算。这些权值可以根据阵元获取的采样数据，甚至包括波束形成输出数据，运 用某种自适应方法进行实时更新，从而使波束具有特定的形状和期望的零点，来 达到增强有用信号、抑制干扰的目的。 图2 - 2 线性数字波束形成系统 图2 2 给出了一个均匀分布线阵( f 0 肌l i n e a ra 盯a y ，u l a ) 的数字波束 形成系统，主要组成单元有：传感器阵、自适应信号处理器和方向图形成网络。 其中m 为天线阵元数目，吒是来自第所个天线阵元的接收数据，包含信号、干 扰和接收机噪声，w 二为复加权系数的共轭。 传感器阵接收信号 9 电子科技大学硕士学位论文 x r = k ，x 2 ，x n 】 方向图形成网络得到系统输出信号 y 2 w 日x ( 2 5 ) ( 2 6 ) 其中，w = ，w 2 ，r 由自适应处理器通过求解约束性问题得到【2 们，例 如m v d r ( m i n i m u mv a r i a n c ed i s t o r t i o n l e s sr e s p o n s e ) 波束形成算法是使噪声以 及来自非期望信号方向的任何干扰所贡献的功率最小，同时保持期望信号方向增 益为恒定，其约束性问题为： i m i nw r r w ( 输出功率) 1 s tw h a o ：1 ( 设置某一方向的增益为1 ) ( 2 - 7 ) 式中的a 。为某一方向的方向矢量，使该方向入射的信号无失真地通过空域滤 波器。r 为接收信号的协方差矩阵 r = 研双h 】( 2 - 8 ) 其权值的形式为 w - 袅- - - w u ( 2 - 9 )舭i 丽了 自适应处理器是自适应天线系统的核心，波束形成网络的复加权系数是由自 适应处理器进行调整的。波束形成网络加权系数的选择，对波束天线自适应干扰 置零起着决定性的作用，自适应算法是其中的关键。在环境变化时，自适应算法 的选择决定了波束自适应控制能力和反应速度、以及实现算法所需硬件的复杂性。 m v d r 波束形成器能够提供最佳的信号保护、干扰消除和噪声降低能力，理想情 况下，m v d r 的波束指向性函数近似为万函数。可以这样讲，m v d r 算法简单、 分辨性能良好。 2 2 宽带雷达信号 2 2 1 雷达信号处理时序 相控阵雷达的工作模式是在一个工作周期内，先发射信号，发射完毕后开 l o 第二章宽带数字波束形成基本理论 始接收信号进行处理。在相控阵接收信号的整个时间里，干扰源是一直存在的， 无论波束指向方向有没有期望信号存在，阵列接收的信号中都包括干扰信号和噪 声。图2 3 为相控阵雷达接收过程中回波信号和干扰的存在示意图。 工作周期z 。 间t 图2 - 3 雷达信号及干扰不恿图 通常干扰机为宽带的，干扰信号带宽为接收机带宽( 即为发射信号带宽) 。 2 2 2 宽带接收数据 雷达的距离分辨力( a r = c ( 2 b ) ) 需要信号具有大的带宽，对于距离分辨率 达到厘米级的雷达来说，信号带宽要达到几g h z 。目前，对于窄带、宽带与超宽 带尚无完全统一的定义，不过普遍认可的定义是：当相对带宽( 信号带宽与中心 频率之比) 小于1 称为窄带( n b ) ，在l 与2 5 之间为宽带( w b ) ，大于2 5 时称为超宽带( i n 聘) 。也有少数观点认为相对带宽小于1 0 为窄带，在1 0 与1 0 0 之间为宽带，大于等于1 0 0 为超宽带。实际中的宽带雷达，声纳和扩 频通信系统的相对带宽通常为7 1 5 。 宽带波形的选择一般考虑以下三类：瞬时宽带信号、宽带线性调频信号和频 率步进信号【5 1 。本文用线性调频信号作为宽带信号，它具有较大的时宽频宽积 ( 绉1 ) ，较好地解决了作用距离与距离分辨力之间的矛盾，适用于远程、超 远程警戒雷达。 2 2 2 1 线性调频( l f m ) 信号 对于一个线性调频( l f m ) 信号，其角频率为缈( f ) = 劬+ 2 死g t ( 0 t 丁) ，式 中，鳓= 2 x f 为起始角频率，= b t 是调频速度，b 为带宽，丁为脉冲持续时 间。 线性调频信号的瞬时频率f ( t ) 与时间的关系如图2 4 所示，其载频调制特性 为在t 内由低端石至高端以按线性规律变化。 电子科技大学硕士学位论文 图2 - 4l f m 信号频翠燹化曲线 信号的相位用烈f ) 表示，为 伊( f ) = p o ) d t = q f + 寺2 掣f 2 = 2 a ( f l t + 0 5 9 t 2 ) ( 2 - 1 0 ) 所以线性调频信号可以表示为s ( t ) = e 1 2 。( + 0 5 ( o f d 。 由于信号到达各个阵元的时间差异，同一平面波在各阵元输出端的响应有不 同的延迟时间。假设阵列是由膨个阵元组成的均匀线性阵列，阵元无方向性，间 距为d 。考虑k 个分别来自儡，岛，& 的远场宽带信号s 。( 刀) ，s ：( 刀) ，( 聆) ， 假设k m 。对于来自到达角为幺的第k 个信号吼o ) ，c 为光速，则相邻阵元间 的延时为f = d s i n o k i c ，以第一个阵元为参考阵元，对信号以周期i 进行采样。 在第刀时刻有 妒( ，1 ) = q ( 以i ) + 去2 掣( 以互) 2 ( 2 11 ) 则第一个阵元阵面信号为 墨( 咒) = & ( 万) = “( 2 1 2 ) 第二个阵元阵面信号为最( 玎) ，相位为 仍( 刀) = q ( 以z + f ) + 寺2 掣( 刀霉+ f ) 2 ( 2 - 1 3 ) 式中，f 是两个相邻阵元收到入射波的时间间隔，有f = d s i n o t c 。 第m 个阵元& ( 刀) ，相位为 ( 刀) 2 鳓乙+ 三12 掣 ( 2 1 4 ) 0 = 刀霉+ ( 研一1 ) r 当有多个信号源时，阵面信号叠加，阵列接收数据表示为 1 2 第二章宽带数字波束形成基本理论 x ( 珂) = s ( ，1 ) + n ( 刀)( 2 - 1 5 ) 式中，x ( n ) = 五( 捍) ，而o ) ，( 万) r 表示阵列的接收数据，信号数据矢量 s ( 疗) = 墨0 ) ，岛( 甩) ，( 刀) r ，n ( 丹) 一【，l i ( ，z ) ，n 2 ( n ) ，研) r 为阵列接收的噪声矢 量，而且( ，1 ) 为彼此相互独立的白噪声采样。 2 2 2 2 接收数据模型 由2 1 节的分析可知，对于单频信号来讲，由于阵元间距是固定的，发射信 号的频率已知，则相位差仅依赖于来波方向，阵元间的延时通过简单的移相就可 以实现，阵列接收数据可以表示为 x ( 玎) = a s ( n ) + o )( 2 - 1 6 ) 这里，s ( n ) = i s 。( 刀) ，屯( 刀) ，( 疗) 】r 表示k 个来波信号，a = 【a ( q ) ，a ( 幺) ，a ( ) 】r 为信号的阵列流型，式中的a ( 吼) = 【l ，e 一2 加，e 。2 r f 似1 ) 7 】r 是m 维的列向量，用 相移来表示从幺方向入射的信号在各个阵元间的延时关系。这是阵列输出的窄带 模型，是窄带阵列信号处理的基础。 宽带信号由于信号频率是在带宽范围内变化的，而不同频率成分在同间距的 阵元间产生的相位差不同，即不同频率信号对应的阵列流型不同。如果我们假定 宽带信号s ( n ) 是由，个窄带信号叠加而成，即 ， s ( 以) = ( 厅) ( 2 - 1 7 ) ，- l 其中( 以) 是以乃为中心频率的窄带信号。则前面所述的窄带模型可以扩展到宽 带。对于单个的宽带信源，其阵列输出为： ， x ( 刀) = a ( 乃，d ( ，1 ) + n ( ，z ) ( 2 1 8 ) = i 如同s ( n ) 一样，n ( n ) 也可以被写为- ，个窄带噪声信号之和 ， n ( 疗) = ( 以) 产l 于是( 2 1 8 ) 式可以被重新写为： ( 2 - 1 9 ) 电子科技大学硕士学位论文 ， x ( 以) = a ( 乃，o ) s - ，：，( ，1 ) + ( ，1 ) 】 ( 2 2 0 ) ，= l 虽然宽带信号可以看作各相邻窄带信号的叠加，但是宽带阵列模型并不等于 各窄带阵列模型之和，窄带波束形成方法不再适用。目前存在的宽带数字波束形 成方法主要有两类：空时自适应处理方法和频域处理方法。文献 2 2 1 在相对带宽 接近5 的前提下对前者进行了仿真，证明该方法有较好的干扰抑制性能，但是 抽头延迟使得权向量的维数大大增加，运算量也随之增大，不利于实时的自适应 处理。本文主要针对后者进行研究，其基本思想是：利用快速傅立叶变换( f f t ) 技术，把时域的信号变换到频域，将信号的时延表示为相移的形式，用离散傅立 叶变换后的频谱序列代替原来的时域序列进行计算。 2 3 宽带数字波束形成频域处理算法 将宽带信号进行f f t 变换得到按频率分路的多路信号，然后分别对各个频率 的信号进行自适应波束形成处理，称为频域处理方法。频域处理方法主要有两类： 第一类是非相干信号子空间处理方法( i s m ，i n c o h e r e n ts i g n a l s u b s p a c em e t h o d ) ， 第二类是相干信号子空间处理方法( c s m ，c o h e r e n ts i g n a l s u b s p a c em e t h o d ) 。两 种方法在处理结构上是一致的，区别在于加权向量w ( 厂) ，= 1 ，j 的计算是否 进行聚焦运算。 宽带信号频域算法的处理结构图如图2 5 所示。 图2 5 宽带信号频域处理图 1 4 第二章宽带数字波束形成基本理论 考虑k 个宽带源信号为远场平面波，分别从不同的方向辐射到阵元上，并具 有相同带宽口和中心频率厶。噪声为相互独立的零均值高斯白噪声，且与信号不 相关，方差为一，并与源信号具有相同的带宽。 假设对阵元接收信号的采样总时间为t o ，现将其分三段，每一段为r ，对 每一个阵元接收到的信号在时问上作点f f t ，其中有效工作频段上有j 点( 也 称频点数，即f r e q u e n c y b i n ) ，也就是有，个子带，便可得到三组互不相关的窄带 频率分量，每组有j 点数据，本文中将三称为频域快拍。 阵列输出数据向量x ( f ) 经过快速离散傅立叶变换( f f t ) 或通过不混叠的带 通滤波器网络分解为，个互不重叠的窄带部分。厂j 频带上得到的数据向量为： x ( z ) = a ) s ) + n l ) j = l ，_ ， ( 2 2 1 ) 乃表示第j 个子带的中心频率，x ) 为第j f 个频带的接收信号向量，s ) 表示 在第_ ，个频带的信号向量，n ) 表示噪声在兀处的谱分量