（光学工程专业论文）相控阵雷达阵列信号的空域自适应处理.pdf

哈尔滨工稔大学硕士学位论文 摘要 本文主要讨论了楣控降雷达降罗信号的窆域是适应处理，羞羹对阵歹校 准和盲信号分离与盲波束形成两个方向进行了研究。在阵别校准方面，鉴于 现肖的阵列校准方法一般都要求知遵校准源的某些先验知识，在工程应用中 受剃一定的限制，潮此本文提出了一种基予多种源的阵列校准算法，此算法可 以避免上述缺点。在盲信号分离与寓波束形成方磷，提出了一种越定盲信号 分离的改进算法，该算法收敛速度快，且商较强盼稳健性。 全文熬分五章，第一章对相控阵雷达的阵列校准和盲傣号分离与盲波柬 形成遵行了概述，介绍了二者的研究背景、研究意义、国内外发展现状及存 在问题。第二章介绍了相控阵雷达的数字波束形成，并对接收机的幅相误攘 进行了努擀。第三章讨论了籀控簿霭达接j 芟阵列静校准阔艨，并撼出了一种 新的阵列校准算法。它可利用各种可能的源( 如单模源、多模源、时不变d o a 添、薅交d o a 源及各耱源黥组合) 瓣接收箨捌迸聿亍校准，且不需知道校准源 的方向，使阵列校准实现越来更加灵活、方便。第四章对融适应信号处理进 行了雾 究，主要套绥了垂逡痘于我瓣滂技术在雷这接毂系统孛豹巍稻。第五 章对当前自适应及信号处理领域的一个热门课题盲信母分离与盲波束形 戒滚霉亍了磺究，势提出了一释多个信号源熬超定誊嵇号努藩麴改邋算法。它 是利用奇异值分解来确定信号源的个数，并把天线阵的接收数据影射到正交 静德号子空阕中递抒降维娥理，秀避遭漳瘦鑫然对数最大纯准剿，对多个傣 号源按峰度减少的顺序依次进行分离。最麟对本文进行了总结，分析了这两 季孛舞法还存在静缺夔，强及戳嚣还嚣进行熬工痒。 关镳词；栩控阵雷达；阵列校准；空域自邋应处理；盲信号分离；商波束形 裁；毫玲鬃菝量 蹬尔演工糕大学疆士学燕论文 a b s t r a c t t h ep a p e rd i s c u s s e st h ea r r a ys i g n a la d a p t i v es p a c i a lp r o c e s s i n go fp h a s e d a r r a yr a d a r , m u c hw o r ki s d o n em a i n l yi nt w oa s p e c t s - - - o n ei st h ea r r a y c a l i b r a t i o na n dt h eo t h e ri st h eb l i n ds o u r c e ss e p a r a t i o na n db l i n db e a m f o r m i n g a sw ek n o w , m a n ya l g o r i t h m sf o ra r r a yc a l i b r a t i o na tp r e s e n tn e e dt ok n o ws o m e p r e k n o w l e d g eo ft h ec a l i b r a t i n gs o u r c e s ，w h i c hl i m i t st h e i ra p p l i c a t i o nt ot h e p r a c t i c e s oi nt h i sp a p e ran e wa r r a yc a l i b r a t i o na l g o r i t h mt h a th a sn o s h o r t c o m i n g sr e f e r r e db e f o r ei sp r e s e n t e d a n dan e wb l i n ds o u r c es e p a r a t i o n ( b s s ) m e t h o df o rs e v e r a lo v e r d e t e r m i n e ds o u r c e si sa l s op r e s e n t e d i th a sh i g h c o n v e r g e n c er a t ea n dg r e a tr o b u s t t h ew h o l ep a p e ri sm a d eo ff i v ec h a p t e r s c h a p t e r1i n t r o d u c e ss o m eb a s i c k n o w l e d g ea b o u tt h ea r r a yc a l i b r a t i o na n dt h eb l i n ds o u r c e ss e p a r a t i o na n db e a m - f o r m i n g ，i n c l u d i n gt h er e s e a r c hb a c k g r o t m d ，m e a n i n g ，d e v e l o p m e n ts i t u a t i o na n d t h ep r e s e n t e dp r o b l e m s c h a p t e r2d i s c u s s e sd i g i t a lb e a m f o r m i n g ( d b f o f p h a s e da r r a yr a d a ra n dt h ea m p l i t u d ea n dp h a s ee r r o r s s o m er e s e a r c ha b o u tt h e a r r a yc a l i b r a t i o ni sd o n ei nc h a p t e r3 ，a n dan e wc a l i b r a t i o np r o c e d u r ef o rh f r a d a ri sa l s op r e s e n t e d t h em e t h o dp r o p o s e dh e r ec a nu s et h ec o m b i n a t i o n so f s i n g l e m o d e ，m u l t i m o d e ，t i m e i n v a r i a n td o aa n dt i m e v a r y i n gs o u r c e sw i t h k n o w no rm f f , n o w nd o a s ，w h i c hm a k e st h ea r r a yc a l i b r a t i o nm o r ef l e x i b l ea n d m o r ec o n v e n i e n t 。c h a p t e r4m a k e ss o m er e s e a r c h e so ns i g n a la d a p t i v ep r o c e s s i n g ， m a i n l ya b o u ta p p l i c a t i o no fa d a p t i v ej 锄c a n c e l l e ri nr a d a rr e c e i v i n gs y s t e m c h a p t e r5i sm a i n l ya b o u tap r e v a l e n ts u b j e c ti na d a p t i v es i g n a lp m c e s s i n 争- b l i n d s o u r c e ss e p a r a t i o na n db l i n db e a n a f o r m i n g a n dt h o u g hr e s e a r c han e wb l i n d s o u r c es e p a r a t i o nm e t h o df o rs e v e r a lo v e r d e t e r m i n e ds o u r c e si s p r e s e n t e d t h e n u m b e ro fs i g n a l si sd e t e c t e db yu s i n gs i n g u l a rv a l u e d e c o m p o s i t i o n ( s v d ) a n d t h ea r r a y i n p u ti st r a n s f o r m e di n t ot h es i g n a ls u b s p a c et od e c r e a s et h ed i m e n s i o n s + t h e nt h e s es o u r e 宅sc a nb es e p a r a t e do n eb yo n et h o u g hl o g a r i t h m - k u r t o s i s 哈尔滨工程大学硕士学位论文 m a x i m i z a t i o n a tl a s t ，i td r a w sac o n c l u s i o na b o u tt h ew h o l ep a p e r i ta l s o a n a l y z e st h es h o r t c o m i n g so ft h e s et w oa l g o r i t h m sa n dt h ew o r kt h a ts t i l ls h o u l d b e d o n e k e yw o r d s ：p h a s e da r r a yr a d a r ：a r r a yc a l i b r a t i o n ；a d a p t i v es p a c i a lp r o c e s s i n g ： b l i n ds o u r c e ss e p a r a t i o mb l i n db e a m f o r m i n g ；h i g h e ro r d e rc u m u l a n t s 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中己 注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已 经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：盗坦羞 日期：硼，年月y 日 埝尔滨工程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 。1 相控阵雪达接收阵歹l 的校准 。 。 檄述 耀控瓣零达农国茨建设程国怒经济方覆矮途十分广泛，麴霹纛餐季期颈 警飞机的探测和跟踪、监视机场活动、引导空中拦截、监视战略港口和水路。 逶过大范圈豹蹑黥，海军收集艇艇往寒静壤患资瓣，薨鬟撰旱絮溪警、l 爨黥 巡航导弹、绘制海洋和海风图、搽测海洋漩涡并脓视海洋近况等。 超控黪雷达接收疼歹囊多个天线阵元缀成，嚣戆是必了获缮嶷装空越分 辨率，如此大的天线阵对波束形成过程的部件提出了严格的要求。但是由于 各部件之阆存在一定的误差，质以必须鸯一个校搬系统，以保证从每个天线 阵元到波束形成器中的累加点的各个通道有较高的幅度和相位一致性。通道 的校准对熊否达到系统的整体性指标起赣至关鬟要的l 乍愿，掘聚通道鲍一 致性不好，雷达的性能会严重降低，甚至凭法正常工作，所以有必要对其进 行深入研究。 1 1 。2 研究背景及意义 现代谱估计的许多超分辨波束形成算渡，都怒在假设鬣达接收阵列已校 准的前提下提出的，如用于非相关信号源怒分辨波束形成的m u s i c 和e s p r i t 方法，用于相关信号源超分辨波束形成的空间平滑技术等。若在接收数据憩 未对阵歹l 滋彳亍校准，鄹会等致算法的性能下降，严重时甚歪会使算法失效， 所以阵列校准对相控阵雷达阵列接收系统来说是至关重要的。近几十年来， 簿戮棱准一壹是簿到处理中一个较为活跃的颁蠛。韬前诲多的阵弼校准方法 ”j - i 州往往对校准源肖一定的幕求，使其在实际操作中受到一定限制。所以有 哈尔滨工程大学硕士学位论文 必要进一步探索新的校准方法，使阵列校准实现起来更加灵活、方便。 1 1 3 国内外研究现状与存在问题 雷达接收系统的校准包括多通道接收机的校准和天馈线的校准两部分。 对于多通道接收机的幅相误差校准，当多通道接收机频率特性比较理想 时，即幅频响应在带宽内的起伏比较小，相频响应近似为一直线，此时认为 各个接收机之间的幅相误差仅相差一个复常数，这种情况下一般采用所谓的 特征予空间方法校准1 9 】；若多通道接收机频率特性不是很理想，造成各个接 收机在带宽内的频率特性差异比较大时，一般采用通道均衡加以校准【lo 】1 ”j 。 对于接收天线的位置误差及耦合系数校准的算法【1 - 【8 】较多，但普遍存在 的一个问题就是往往对校准源有一定的要求，如需要知道校准源的波达方向 或某些信号特征等先验知识，使它们在实际应用中受到一定限制。 1 2 盲信号分离与言波束形成 1 2 1 概述 我们知道，传统的波束形成方法有基于信号到达方向( d o a ) 的波束形成 和基于用户传输训练序列的波束形成，前者需要估计信号源的波达方向或信 号的导向矢量。而在实际工程应用中，由于受客观条件的限制，信号的波达 方向或导向矢量一般是未知的。如在水声阵列应用中，采用的柔性垂直线阵 列，由于海水的冲击，阵列的流形是时变的且很难精确确定。后者需要在传 送的信号中加入训练序列，接收端首先要对训练序列进行同步，然后利用训 练序列来训练阵列的权矢量。现在的g s m 使用的就是这种方法，其缺点是需 要占用信道资源。为了克服这些问题，近年来人们提出了盲信号分离与盲波 束形成的算法。盲信号分离即是在阵列流形和源信号未知的情况下，只利用 阵列观测数据对源信号进行分离的方法，相应的波束形成称为盲波束形成。 其优点在于不需要知道阵列流形、波达方向、训练序列、干扰和噪声的空间 哈尔滨工程大学硕士学位论文 自相关矩阵等先验知识。 1 2 2 研究背景及意义 盲信号分离与盲波束形成已成为自适应及信号处理领域的一个热门课 题，在雷达、图象、水声、地震学、导航系统以及数字通信等众多领域都有 广阔的应用前景。现有的许多算法一般只讨论接收天线个数等于源信号个数 情况下的盲信号分离( 完备的盲信号分离) 。但在实际应用中，信号源的个数 往往是未知的，甚至是可能随着时间而变化的，因此混合矩阵可能是非方阵 和不可逆的。所以，对非完备( 包括欠完备和超完备或超定和欠定两种情况) 的盲信号分离的研究具有更大的现实意义。 1 2 3 国内外研究现状与存在问题 目前典型的盲信号分离与盲波束形成算法主要有三类：恒模算法【1 4 l 一【2 0 ( c m a ) ；基于周期平稳的算法【2 1 】- 【2 0 ：基于高阶累积量的算法，如峰度最大化 准则算法【2 1 】- 刎( k m a ) 、熵最大化分析法口7 1 和独立分量分析算法1 2 9 】- 【3 5 1 ( i c a ) 等。 其中，c m a 曾广泛应用于自适应信道均衡，也可以利用阵列信号的恒模 特性来提取有用信号，这种算法在2 0 世纪8 0 年代涌现出了很多。但是它所 采用的代价函数不能保证算法收敛到全局最小点。 基于周期平稳的算法是根据信号间的不同周期平稳频率进行信号分离与 波束形成。因为大多数通信信号都是周期平稳的，而稳定噪声信号不存在有 效的周期平稳频率，所以在通信系统中应用较多。但当期望信号不是周期平 稳的，或干扰信号与期望信号的周期平稳频率很接近时，此方法就不再适用。 基于高阶累积量的算法由于利用了信号的高阶统计特性，因此能去除任 何高斯型噪声。但是，它对于非高斯型干扰信号的处理比较困难，而且算法 的收敛速度较慢，运算复杂。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 3 本文的主要工作 本文主要讨论了相控阵雷达阵列信号的空域自适应处理，着重对阵列校 准和盲信号分离与盲波束形成两个方向进行了研究。提出了一种新的阵列校 准算法和一种超定盲信号分离的改进算法。 本文是在假定接收机的幅相误差得到充分补偿的前提下，提出了一种新 的阵列校准算法，对阵列的位置误差和互耦系数进行校准、估计。它可以利 用各种可能的源( 如单模源、多模源、时不变d o a 源、时变d o a 源及各种源 的组合) 对接收阵列进行校准，而且不需知道信号源的先验知识，如校准源 的数目及来波方向等，使阵列校准实现起来更加灵活、方便。 本文提出的多个信号源的超定盲信号分离的改进算法，是利用奇异值分 解来确定信号源的个数，并把天线阵的接收数据影射到正交的信号子空间中 进行降维处理，再通过峰度自然对数最大化准则，对多个信号源按峰度减少 的顺序依次进行分离。用非线性函数对学习速率进行调节，避免了人为选取 不当而导致的算法发散。该算法收敛速度快，且有较强的稳健性。 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章相控阵雷达的数字波束形成 2 1 数字波束形成( d b f ) 的意义3 6 1 用硬件模拟的方法实现的多波束，一旦方案确定之后，波束形状、相邻 波束的相交电平和波束指向等便固定了，不易改动。特别是当波束比较多时， 不但硬件复杂而且调试的难度较大，要形成低副瓣的多个接收波束就更为困 难。 随着电子计算机、大规模集成电路和数字信号处理技术的发展，通过数 字处理方法形成相控阵雷达接收波束变成可能，并有助于进一步提高相控阵 雷达系统的性能。 为了提高相控阵雷达的自适应和反干扰能力，则要求接收波束能受计算 机控制且灵活可变。而用数字方法形成接收波束，使接收天线具有了自适应 能力，使相控阵雷达能同时快速的对多目标进行空域滤波。 双多基地雷达系统在抗电子干扰、抗反辐射导弹和反隐身技术方面均有 重要作用。而实现双多基地雷达系统的一个重要条件就是接收站应具有形成 大量接收波束的能力，以便覆盖发射站所照射的全部空域。 出于以上等原因的考虑，数字波束形成技术的研究和应用日益受到重视。 2 2 数字波束形成原理 波束形成又称为空域滤波，即对各个阵元信号加权求和，增强有用信号 而将噪声与干扰抑制掉f 3 7 j 。它是阵列信号处理的一个基本研究内容，也是雷 达、通信与导航等基本任务之一。 如图2 1 所示的线阵( 其中一个单元也可看成是一个子天线阵) 单元之 间的“空间相位差”与“阵内相位差”九分别为o q 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 胛1 西= 三竺d s i n 护 吗丹 ( 2 一1 ) 如= 竿d s i n 8 b j 式中： 口 一一 目标所在角度； 毋来自目标的回波在相邻单元之间的相位差，即相邻单元 之间的“空间相位差”； 以 天线波束的最大值指向； 九天线波束最大值在铭方向时各单元之间的相位差，它由 各单元的移相器提供，简称为相邻单元之间的“阵内相位差”； 五 一一雷达的中心工作波长。 ( )1 n - 2 n 一1 图2 1n 单元线阵图 在用数字方法形成接收波束时，九按预定的波束指向以由计算机或专 用数字信号处理机提供。为了保持各天线单元( 或天线子阵) 接收信号的幅 度和“空间相位差”信息，各单元( 子阵) 通道要采用正交相位检波器输出， ，、q 两通道的信号经a d 变换后送计算机3 6 1 。 对第i 单元，在某一个抽样时间内记录下来的接收信号为 1 。= a mc o s a 妒o + i a ( o 】1 ( 2 - 2 ) q i = a f 0s i n a p o + i a4 p i 式中： a ( o o 回波信号与本振信号之间的相位差，对各个单元都 一样。 a ，。 一 各单元的信号幅度。当各天线的增益相同，且各传 6 麓一 一 昧影， 一 盟 输通道的增益也一样并为等幅加权时，则口。为常数；如果对天线单元( 或子 阵) 实现了幅度加权，那么，d ，。便不是常数。 假设要形成多个波束，且每个波束的指向不同。设第七个波束的波束指 向为口。，则数字波束形成处理机提供的阵内相位补偿值应为a 。 = 竿d s i i l ( 2 3 ) 进行相位补偿后，第i 路的信号的输出为 = 口，oc o s a 妒o + f 妒一f 妒b i i ( 2 4 ) g f = a i os i n a ( p o + i a q 一f 妒b i 】i 由公式( 2 - 2 ) 和公式( 2 4 ) 可得 ，；= c o s ( f p 。) + q ，s i n ( i a q , ) 1 d = 一s i n ( i a ) + q c o s ( f ) j 写成矩阵形式为 阱 篡i 晒4 i a 妒= ) i 麓心 e ， l q ；j l sc o s ( f ) j k j “叫 因此，作一次矩阵变换，经过4 次实数乘法与2 次加法计算，即可实现 对一个单元的相位补偿。 如果要在d b f 处理机中实现降低天线副瓣所需的幅度加权，令第i 单元 的幅度加权系数为，则和d 应为 三鬟z ：麓心， 第i 单元的总幅度加权系数为a ，为 a ，= 口a ，o ( 2 - 8 ) 第七个波束的天线方向图函数阪( 口) l 为 i r ( 口) = + 姚弦 ( 2 9 ) 哈尔滨工程大学硕士学位论文 一1一l 式中： ：= ，q ：= q 1 ，。 i = 0_ 0 2 3 阵列天线的方向图分析h 田 2 3 1 线性阵列的方向图分析 由m 个无方向性的传感器组成的线性均匀阵列，阵元间距为d ，来波方 向与法线方向夹角为目，则第i 个阵元感应的复电压振幅，在忽略噪声的条件 下为 驴s 。e j 争i 口：s oe _ j ( w ( 2 - 1 0 ) x 5s o “ 2“一 () 式中： ：2 矛d s i n _ _ _ 0 0 ； j 。一一来波复振幅； a 雷达的中心工作波长。 将所有阵元输出相加后得到的阵列输出为 y o = 。j o 。1 垆= m s o e 将式( 2 1 1 ) 取绝对值并归一化可得 y 。= ( 2 1 2 ) 阵列输出的绝对值与来波方向臼间的关系称为传感器( 天线) 的静态方向图。 当d = 2 1 2 时，均匀线阵方向图( 如图2 2 所示) 为天线方向囱的主要指 标。 舄 竿 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ( 1 ) 主瓣方向( 天线阵列最大增益方向) ，位于= 0 或0 = 0 处。 ( 2 )零点波瓣宽度( 天线主瓣两侧第一个零点之间的角度) ， j， b 矾= 2 s i n 川三，当m d 丑时，口r v o 竺。 ” 埘m d ( 3 )半功率点主瓣宽度( 主瓣半功率点之间的角度) ，可以通过 ；计算，也可以由图2 2 得到。 4 2 ( 4 ) 第一副瓣高度，当mjm 时，旁瓣高度逐渐降低，但并不能无限减 少，其极限高度为1 3 4 d b 。 ( 5 ) 栅瓣，当阵元间距d 2 2 ，方向图可能出现较大的旁瓣，甚至与 主瓣高度相同，这种旁瓣称为栅瓣。对接收方向图而言，表现在不同方向上 有两个很大的输出，使人们无法确定信号从哪个方向进入阵列，所以又称为 模糊瓣。避免出现栅瓣的条件是d 2 2 。 ( 6 )具有m 一1 个零点( 或称为零陷) 。 2 3 2 相控阵天线阵列 在上- - + 节中，我们将各阵元输出直接相加，其阵列输出最大值( 阵列主 瓣) 出现在阵列法线方向( 0 = 0 ) 。为了使所需信号的来波方向输出最大，必须 转动天线( 扫描) 使阵列的法线对准所需信号的来波方向，十分不方便。 相位控制阵列( 相控阵) 则是一种新的构思，在每个阵元后面施加相位滞 后( 或超前) 加权的方法，来改变天线主瓣方向的指向。 设第i 个阵元的权值为，那么阵元加权的输出为 y o = w i g o e 一。h 垆( 2 1 3 ) i = 1 若w ，= e “”岛，岛= 等d s i n 易，则 9 胪蚶争训剃 将式( 2 1 4 ) 取绝对值并归一化可得 l y 。 = ( 2 一1 5 ) 爨然，主瓣指爨绥。 只要控制巳从一9 0 。到9 0 。变化，则可实现阵列指向的扫描，这种扫描 称为毫拯攥。 2 3 。3 蹲列的伐势 对于m 个黪元憝线性簧戆爨阵列，冬黪元与繁一簿元躲藏爨为 d ，d ：，如，则第i 个传感器的输出为 x f 秘) = s ( t ) e 。3 + 雌，( f ) ( 2 一1 6 ) 式中：h i ( t ) 一同分布、互不相关鲍噪声。 输入信嗓比为 e 蹶。渊3 ； 治m 输出信号为 y ) ：m 耐2 # 半：m s ( t ) + 羔强回。玲竽 = m s ( t ) + 即( f ) ( 2 1 8 ) 郝么输出髂噪耽为 0 ：粤：m ( s n r ) ， ( 2 1 9 ) m c r 可觅，采霜传感嚣阵列后，信嗓浇性能有甥驻提高，键高豹幅度与簿元 数m 成正比。 2 4 数字波束影成的性能改善与幅相误差分析 评价数字波束形成性自好坏的两个重舞指标就是半功率点波柬宽度和副 瓣毫平( 茏其是第一嚣瓣嘏平) 。冀中，滚东宽度影嫡降魏豹溺焦精度及分辨 率，而副瓣电平关系到阵列的抗干扰和噪声的能力。所以，为了使系统具有 较强装分辨率帮抗于噪藐力，应采取潜藏戳尽量减少渡秉宽度并辫低斟瓣奄 平。目前，许多超分辨波柬形成方法，如m u s i c 、e s p r i t 和空间平滑技术铸， 帮露隘奏效建减少波素宽度，提豢分辨率。枣予麓溪豹限爨，本文对超分麓 波束形成就不作详细介绍，有兴趣的读者，可参考文献 4 0 1 。下酾仅阐逃数 字波束形成低裂瓣魅能黪实瑗。 2 ，4 。1 数字波来彩成低副瓣| 生琵的实现 摆控黪天线黪裁瓣特楼在穰大程度上决定了嚣达鲍摭予我、撬反辐射暴 弹及杂波抑制等战术性能，它是雷达系统的一个煎要指标。在现代战场上， 霉达嚣l 羟务耪复杂豹电子于扰，冀中旁瓣予找是主要蛉干貔形式。嚣旦在鼹 测多个目标时，特刚是观测其有效反射面积变化很大的目标时，副瓣电平过 意灼雷达容易造成多个目标之闻的模糊，不利于鼹标航迹的楱关处理。对于 机载或星载合成孔径雷达( s a r ) ，高的天线副瓣电平将会降低雷达的成像质 量。因此邋过降低旁瓣等方式以降低干扰是雷达摭干扰的重要措燕之一 3 9 1 。 根据前面所述的数字波束形成原理，通过计算机仿真，得到8 单元均匀 线阵的方向图，如图2 2 所示。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 由图2 2 可知，它的第- - n 瓣电平比主瓣低一1 3 4 d b ，而这个指标值是远 不能满足实际的工程需要的，通常所说的低副瓣与超低副瓣天线通常是指第 一副瓣电平比主瓣低3 0 d b 和4 0 d b 以上的天线。为了获得所需的低副瓣电平， 阵列中各天线单元的激励电流的幅度应按一定的照射函数( 如台劳分布、带 台阶的余弦分布函数) 进行加权。 可 v 相 磐 厂八 afh “、f、。 匿!z、f i - - - 、厂 。弋 醛 _ - ， l - 。 | - 一 f 一 il 图2 2 阵列天线方向图m 2 8 下面我们分别用海明窗和切比雪夫窗进行幅度加权，将所得天线方向图 与未加权时的d b f 进行比较。设雷达接收天线为3 2 单元均匀线阵，阵元间距 为波长的一半。海明窗函数为h a m m i n g ( 3 2 ) ，3 2 表示天线的阵元数。切比雪 夫窗函数为c h e b w i n ( 3 2 ，4 0 ) ，3 2 和4 0 分别表示天线的阵元数和期望得到的 副瓣电平。仿真结果如图2 3 所示。 由图2 3 可以看出，与等幅馈电相比，用海明窗和切比雪夫窗对幅度加 权后，天线方向图的副瓣电平显著降低，且用切比雪夫窗加权得到的方向图 的副瓣电平比用海明窗加权得到的方向图的副瓣电平要平稳。但二者的半功 率点波束宽度与未进行幅度加权时相比都展宽了。具体数值分析见表2 1 。 与等幅馈电情况相比，幅度加权虽然会使方向图的副瓣电平降低，但同 时也会造成半功率点波束宽度的展宽和天线增益的下降。因此，在选择具体 加权方法时应根据实际需要进行折衷。 晗尔滨工程大学硕士学位论文 图2 3用不同的窗函数对幅度加权的天线方向图m = 3 2 表2 1 天线方向圈特性与照射函数蓑系m = 3 2 等幅馈毫海秘鬻辐衰热授留魄誊夫窑稻发栩毂 第一副瓣理论值一1 3 44 2 8 4 0 电平( d 8 ) 矣验蓬 - 1 3 。4- 4 2 。7- 4 0 1 半功率点理论值 3 1 8 7 54 ，7 8 1 34 3 0 3 1 滚窳宽度 实验值3 1 94 8 04 3 2 ( 度) 2 4 2 数字波束形成的幅柏误差分析 相控阵雷达中各单元的激励电流在幅度和相位上不可能完全保持一致， 存在着隧橇枣蓦凌粒裙佼误差。弓l 起这些耩耜误蓑酶原西鬻矮多，绸蟊天线单 元方向图的不一致性，天线单元之间互耦引起的天线单元的阻抗变化，以及 缓线帮各逶遂之闯懿蕹稳误差l 。它爨对箨疑方淘鎏瓣戮瓣毫平、天线攒益、 波束宽魔以及波束指向等性能均有影响，下面通过举例进行分析。 疃尔滨工程大学磷士学位论文 2 4 。2 1 计算执傍冀 为了能更清楚地说明天线的幅度和稍位误整对接收方向图的影响，特假 以下接真蜜验。 设鬻这接收天线为1 6 擎元瓣筠訇线簿，箨元阀难为波长躲一半。信号熬 波遮方商与天线阵丽的灾熊麓0 。设傣邀为瑗慧鹣离赣蛊噪声僖遵，信漾 比为3 0 d b 。这里只考虑由传感嚣挝置误麓和互耦所引熬的幅度和桐位误箍， 帮骰设按牧橇麓糖稳误差已经缌到充分枣 馁。其中，每一个天线攀元的幄度 误差和相位误嫠都是随机产辍的，敬俊范酮分剐为 - o 80 8 积 一0 5 0 。5 。傍真缝榘黝图2 。4 所承。 图2 ，4 蝮棚误差对天线方向围的影响m = 1 6 2 4 2 。2 仿真缭梁分丰斤 下鬻，辩图2 ，4 进行其体分耩。 ( 1 ) 警仅有耩度误差辩，第一副瓣纛平升离了2 8 d b ，半功率点波索宽发 展宽了0 0 2 4 ，波荣搬向几乎没有什么变讫。 ( 2 ) 仅毒穗键谈羞越，第一副瓣毫乎升篾了0 。0 5 d b ，半功零点波束宽度 展宽了0 1 1 。，波涞帑商谝穆了1 4 i 。 1 4 ( 3 ) 既有幅腹误茇又有相位误差时，第一潮瓣电平升鬻了5 + 9 d b ，半功率 点波柬爨嶷袋竟了0 。o l 。，波寐指向镳移了1 4 。n 需要说明的怒，戳上的数值分析都最根据2 4 ，2 1 中静镑囊实验得到鳆e 由于此实验中救蠛度误蒺翔撼使谟差郝楚随梳选取酶，所戳前面韵分橱数据 也其肖随税穗，只是为了能蠹鼹堍说明溺遂。 2 5 本毫，j 、结 本牵主臻讨论了糟控阵鬻达豹数字波隶澎成( d b f ) 嬲题。曾先，阐述了 数字波象形成的意义、藤理。接着，举饲分析了翔簿邋过耀浚翱权来降僬方 岛图韵澍瓣牲艇。最矮，分掇了系统购蟠渡秘攘袋误差对阵列方固圈晌影响。 晗尔滨工程大学臻士学位论文 第3 章相控阵雷达接收阵列的校准 3 1 相控阵雷达阵列接收系统的概述 相控阵雷达接收部分是一个阵列接收系统，包括接收天线阵、馈线、模 拟接收极、数字接收机以及信号处理机等部分。熬个系缝中毒多个接收邋道， 每一接收通道均禽有完整的天线阵元和模拟接收机。相控阵雷达阵列接收系 统的原理框图如图3 1 聪示。 其中，以， ，4 。表示接收天线阵阵元，原则上天线阵结构可以怒任 意的，但实际工程中一般聚用有规则的几何结构，例如均匀线阵( u l a ) 、均匀 灏阵、平面阵甚麓还有立体阵等，本文采用的是均匀线阵。，r i ，一，r 。表 示模拟接收机，每个天线阵元接一个模拟接收机，用来宪成信号的接收、放 大、滤波等。a d c ( 模数转换) 在模锻接1 | 曼机的输磁端进行。为了褥到信号的幅 殿和相位信息，需疆进行正交检波，这是通过d d c ( 数字下变频) 来褥到正交i 、 q 两路信号韵。校准源咸来校礁多路模拟接收机，使各路模拟接收祝在幅度 和相位一致性上达到系统的要求( 注：利用d d c 得到的正交i 、q 两路信号， 国芷交藩糖不平衡弓| 入静镜频撵麓度可戳骰至i j - 8 0 d b 以上，因此可戳不考虑 正交不一致性的校正) 。校准矩阵是在雷达工作期间且在波束形成之前阁来 眷褛多逶遴频率特牲兹不一致穆。置。，蜀，妥。筵转撩开关，在独立校准 多通道模拟接收机期间，模拟接收机的输入端接校准源的输出；在雷达磁常 工孛# 期阕，模掇按浚辊静输入端臻籀癌静天馈线辩“。 为了保证相控阵雷达的正常工作，就要求它的各接收通道的幅相特性保 蛰一致。器弱，警各接l | 芟逶逶懿襁稳一致往较差辩，接浚辘翡藕程误差、簧 感器位置误差及阵元间的瓦耦会大大地降低系统的性能，严重时筷至会导致 系统无法蓬豢工铭。霾熬，在馕攥耪控黪霉速之蔫，必缀对它遂行校准。下 一节简单介绍了相控阵雷达接收机的校准，而3 3 节就是在假定接收机的幅 援误差褥测充分奉 偿故懿堤下，强蹬了一转瑟爨辫裂校垮方法。 埝尔滨工程大学联士学馥论文 一 3 。2 相接阵雷达接收机的校准 、 1 1 ：一， ； ) ( 0 i n x 一， l i a ， li n 。 1 1l i n 。c l 1 n 。c ll 一。c i 。n 。e 一l 一川。!一一l 。e | 。c lll | 棱椎矩阵| 一一一 | 校难斑阵|f 校准怒阵 l ? l l 脉压 l i 脉压 ll 脉压 | 多波束形成 图3 1 相控阵雷达阵列接收系统的原理框图 1 7 蜍尔滨工程大学硕士学位论文 3 。2 。1 捆控阵黉达接收枧的期适应送道均衡 对接收飒蛉校壤可采用叁适应运道均德技术，宅是对频率蛹应进行校准 的，因此可以采取频域处理方法。频率响应包含了幅频响应和相频响应两部 分，堰频响应反映了信号避过该系统蜃萎频率成分变化的。 毒况，霹相频晌应 反映了信号中各成分通过该系统厝在时间上发生的移位情况。一个理想的离 教对闻系绞，除了县有所希望躬蠛频响应外，还嫩具有线性相位。 通常怒以某一通道为参考通道，而在蔟余的各个通道中插入均衡器，使 其它所有避道的频率响应都与参考通道援一致。均衡器可以选用舆有一定幄 相频率特性的f i r 滤波器，这样个通邋需要一l 的均衡器。此方法保证 了备通道间频率特性枢一致，但每个通道不一定舆有良好的滤波特性。为了 能踅观简单地说明闷题，下面只分析了一个参考通道与一个待校漆通道酌情 况，多通道的校准可依此类推。 设通邋i 为参考信道，通道2 为待校准信逶，在对域中对两个通道褥对 加入测试信号j ( f ) ，设此信号通过两个通道，经a d 采样避化后( i 、q 正交 秘貉之前) 的输出分涮菇y t ( n ) 和) ，：( h ) ( h = o ，1 ，2 ，n 1 ) ，为采样点数。 对y 。( n ) 和y ：( n ) 进行d f t 分析，得到k ( ) 和y 2 ( ) ，其表达式分别为： - 1 一 _ ( 七) = y l ) e x p ( 一j 等腑) ( 3 1 ) n = o j 一1 一 如( i ) = y z ( h ) e x p ( 一等n k ) k = o ，1 州2 ，一1 ( 3 2 ) n = o z t 翊通道2 豹校正蘑数m ( k ) 为： m ( 蠹) = 罟祟k = o ，1 ，2 ，n 1 ( 3 3 ) 2l 卅 故用于信邋2 的均衡器的响应函数为好( 女) = m ( k ) ，对4 ( k ) 求 ! d f t 运算就 可敷得虱均衡器酶冲激晌波矗( 挖) ，郎横向滤波器的权值系数。 需要说明的是，测试信号一般要求通道内能擞集中，以取得较高的测量 稽寝。同辩还要求测试信号有较裔的信礞玩，西为信噪托筒对仅搿一次采样 就可以得到良好的校正效果。实际系统中可以选用线性调频信号( l f m ) 或单 1 8 蛤尔滨工程大学硕士学位论文 频离精度的正弦波。 3 2 2囱适应通道均衡的性能评健 评价国适应通道均衡性能好坏的两个霾要指标就是邋道的剩余失配和失 醮改善禹予。所醵，为了驻更好魏了解鱼适应通滗均衡静性能，下面就将对 这两个概念进行介绍。 3 2 2 1 通道失配 设参考信道与第f 个接收通道的频率响应分别为丑0 ( ，w ) 和r ( - ，叻，则 第f 令蔹竣暹遂豹失配叠( 歹奶定义为r ，( 歹昀与置。，( 朋之跑； d m w ) = 器嘲( w 呻) 4 ) 式中：d ，( w )第f 个通道的幅度必配； 纯( w ) 一第个逶遣瓣褶位失配。 d ，( w ) 的均值和均方根值的表达式分别为： 2 丽i 谚( 哟锄 ( 3 5 ) 蜘b ( 咖h ) 2 叫j 纸( w ) 的均值和均方根值分别为： 张= 去声 蚣b “c 们训。州； 式中：b 一均衡带宽。 ( 3 - 6 ) ( 3 - 7 ) ( 3 - 8 ) 埝尔滨工程大学硬士学位论文 3 ，2 。2 。2 剩余失凝 设均德后第i 个遥道的频率晾应为蜀( 歹的，戴北通遂豹剩余失配g l 歹叻 定义为骂( 朋与h 一( m 之比： 静) 。毒篇吲鳓删砷 净9 ) 式中：g ，( w )第i 个通道的剩余幅度失懿； 帆( w ) 一一第i 个通道的剩余相位失配。 自适废通道均衡的理想结果楚，g ，( w ) 的均僮g ，为1 ， 为0 。此时，g 。( w ) 和，( 计对应的均方值液达式诃写为： 鼢陆脯c 州) 2 卅j 妖( 叻的均僮嫉 ( 3 - 1 0 ) 毗= b 聃c 删) 2 i 咖 j ( 3 - 1 1 ) g i ( ，) 和( w ) 越小，则表示自适成通道均衡的性能越好。 3 2 2 3 失配改蔷因子 设( l ) 。和( l ) ；分别为第f 个通道的幅度失配改善因子和相能失配改落 迸子，萁表这式分羽为： ( t ) ，：2 0 l o g ( 竽) ( s 一1 2 ) 岛g ( ) 。= 2 0 l o g 謦) ( 3 1 3 ) 擎i 由上式可知，( l ) ，和( ) ，属于相对概念的范畴。所以，( l ) ，和( l ) ，的 鼗傻大小仪表示耋逶应逶逶豹均衡程度，掰不能代寝通道均衡的瞧能。毽在 通邋的初始失配完众相同的情况下，贝j j ( i a ) 。和( ，。) ，越大，就表示自适应通道 哈尔滨工程大学硕士学位论文 均衡的性能越好。 3 2 3自适应通道均衡的性能分析 自适应通道均衡性能的好坏受多种因素的影响，如接收通道频率响应畸 变程度、均衡带宽时间、均衡器的阶数、有限字长、加权矩阵和运算量等。 下面就将对自适应通道均衡性能的主要影响因素进行分析，为实际应用中自 适应通道均衡性能的改善提供理论依据。 1 接收通道频率响应畸变程度 对第f 个通道的频率响应r 。( ，w ) 进行傅立叶级数分解。除了常数项以外， 其1 次项、2 次项、n 次项分别被称作1 次畸变、2 次畸变、n 次畸 变。n 值越大，说明接收通道频率响应畸变程度越大，均衡越困难。 2 均衡带宽时间一延迟积 假设b 是均衡带宽( 即均衡滤波器的带宽) ，b 越小，均衡性能就越好。 但是系统抑制宽带干扰和处理宽带信号的能力将下降，所以曰应根据实际应 用中的需要进行选择。 r 是均衡滤波器的单位延迟( t = 1 疋，t 是采样频率) 。当b t 1 ( 即 b 工) 时，由于f i r 滤波器频率响应混叠，造成均衡器性能下降，剩余失 配增大。然而，若b t 太小，剩余失配也会增大。所以最佳丁值的选择与失 配特性有关，存在一个最优区。 3 均衡器的阶数 当采样点数m 和r 固定后，均衡器的阶数越高，它的自由度和均衡能 力也就越强。但实际上并不能取得太大，因为的选取除受到计算量、设 备量的限制外，主要还受计算精度的限制。而m 的选择范围较宽，但在m 比 大的多的范围内，均衡器的性能对m 的变化并不敏感。 需要说明的是，在扫频工作方式下，各路接收机应使用相同阶数的f i r 滤波器，以使群延时相同，这样对群延时进行补偿时就比较容易。 4 有限字长 均衡器的频率响应取决于均衡器的系数。而均衡器的系数通常是由有限 位的二进制数来表示的。有限字长的量化噪声将会影响均衡器的性能。一般 2 l 哈尔滨工程大学硕士学位论文 字长的选择准则是在满足均衡器性能要求的前提下使用较短的字长。 5 加权矩阵 通常，通道的中心频带是重要区域，要求有较高的均衡性能，而通道的 两边相对来说是次要的区域，对均衡性能的要求也稍低一些。加权的目的就 是增加均衡带宽中心区的拟合精度。通过加权使下式成立： n 唣n l w ( a h l 一6 f ) i ( 3 - 1 4 ) 式中：w 一一加权矩阵： b ， 一一第i 个通道的校正函数； a 一频率因子，是一个的矩阵，j l a k l = e x p ( 等尼，) ， k ，1 = 0 ，1 ，2 ，- - ，n 一1 。 所以选择适当的加权函数( 如海明窗、切比雪夫窗等) ，可以提高重要频 带区域的均衡性能。 6 运算量 我们知道，均衡过程中的运算量越大，则系统的均衡速度就越慢。运算 量c o u n t 的表达式如下所示： c o u n t = 2 m l o g t + 删+ n ( n + 1 1 ( 3 1 5 ) 其中：m 一作f f t 运算时所用的点数； m 一一待均衡带宽内的采样点数，m m t ： 所以选择采样频率时要考虑它对系统运算量和均衡速度的影响。 3 3 基于多种源的阵列校准方法 本节提出了一种新的阵列校准方法，它是在假定接收机的幅相误差得到 充分补偿的前提下，对传感器的