（信号与信息处理专业论文）通道均衡在宽带数字阵列雷达中的技术研究.pdf

摘要 摘要 宽带数字阵列雷达是采用宽带信号波形、发射和接收都使用数字技术和波束 形成技术的阵列天线雷达。其相对于传统相控阵来说，具有巨大的优势：易于实 现超低副瓣，大的动态范围，波束扫描速度快，可同时多波束等。然而宽带数字 阵列雷达阵列通道中的模拟器件及其构成的电路特性的差异会使多个发射通道和 接收通道产生随频率变化的幅度和相位特性的不一致，即通道失配。通道失配会 严重影响宽带数字阵列雷达所具有的优越性能。 本论文针对这一问题，分析了通道失配对雷达性能的影响，重点研究了宽带 数字阵列雷达中的补偿通道失配的通道均衡技术。 首先从理论上推导了通道失配对数字波束形成以及脉冲压缩的影响。给出了 f i r 扰动模型，并通过仿真实验表明，不论是通道幅度失配，相位失配或者幅度相 位均失配，通道失配对低旁瓣波束形成影响都非常大。工程上，为了得到低旁瓣 波束需要精确地控制雷达通道在整个波形带宽内的频率响应。 然后研究了通道均衡的时域算法和频域算法。通道均衡的时域算法是基于维 纳滤波理论和最小二乘理论，文中给出了时域均衡的基本算法，并基于给出的i i r 零极点扰动模型进行了仿真。本论文重点讨论了通道均衡频域算法，并对基本算 法作了适当的修正即采用加权的最小二乘拟合法，并且把参考通道幅度响应作为 加权矩阵的对角元素，获得了更好的均衡性能。此外，还详细分析了通道频率响 应的失配程度、校正信号信噪比、均衡器抽头数、带宽时间延迟积、f f t 点数m 等因素对均衡器性能的影响，为以后的工程实现提供了理论基础。 为了满足工程应用上计算复杂性和性能之间的折中，我们考虑在一定的条件 下，用传统的窄带校正的方法来替代均衡。通过仿真实验，可以看出在对带宽、 通道失配程度、b t 值有一定约束时，以校正来代替均衡能够在减小计算量的情况 下取得良好的性能。 最后，给出了通道均衡器在数字阵列雷达中的实现方案以及接收通道和发射 通道的均衡器实现框图和流程。由于均衡器是复数的f i r 滤波器。但是f p g a 中 只能实现实数f i r 滤波器，因此在结构上，可以用四个f i r 实数滤波器等效一个 复数f i r 滤波器。f i r 滤波器的主要组成模块是乘力口单元( m a c ) ，如果按照直观 结构构造乘法器和系数寄存器来实现会占用大量的逻辑资源，显然不可取。因此 i 摘要 考虑用分布式算法以利用f p g a 高并行度的结构特点，同时利用整数最优表示法 与离散化方法来对f i r 滤波器的二进制系数作优化，在保证运算速度的前提下， 进一步降低逻辑资源的消耗。 关键字：宽带数字阵列雷达，通道失配，通道均衡，均衡滤波器 i i a b s t r a c t a b s t r a c t w i d e b a n dd i g i t a la r r a yr a d a r ( w d a r ) i saf 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 ri n w h i c hw i d e b a n ds i g n a lw a v e f o r mi st r a n s m i t t e da n dd i g i t a lb e a mf o r m i n g ( d b f ) t e c h n o l o g yi su s e di nr e c e i v i n ga n dt r a n s m i t t i n g c o m p a r e dw i mc o n v e n t i o n a lp h a s e d a r r a yr a d a r , i tc a l lo f f e rs i g n i f i c a n ta d v a n t a g e s s u c ha sl o ws i d el o b e s ，h i g hd y n a m i c r a n g e ( d r ) ，r a p i dm u l t i b e a m ss t e e r i n g , e t c b u tt h ec h a n g ei nt h ec h a r a c t e r i s t i co f a n a l o gd e v i c e sa n dc i r c u i t si nt h ee l e m e n tc h a n n e l sw i l lc a u s et h ef r e q u e n c y - d e p e n d e n t a m p l i t u d ea n dp h a s ed i f f e r e n c eo fr e c e i v e rc h a n n e l sa n dt r a n s m i t t e rc h a n n e l si nw d a r 1 1 1 ed i f f e r e n c e sa m o n gt h ef r e q u e n c yr e s p o n s e so ft h ec h a n n e l sa r ec a l l e dc h a n n e l m i s m a t c h c h a n n e lm i s m a t c hw i l la f f e c tt h es u p e r i o rp e r f o r m a n c eo ft h ew d a r s e r i o u s l y i nt h i st h e s i s ，t h ei m p a c to ft h em i s m a t c ho nw d a r sp e r f o r m a n c ei sa n a l y z e d a d a p t i v ec h a n n e le q u a l i z a t i o ni no r d e rt oc o m p e n s a t ef o rt h ec h a n n e lm i s m a t c hi s i n v e s t i g a t e d f i r s to fa l l ，t h ei m p a c to fc h a n n e lm i s m a t c ho nd b fa n dp u l s ec o m p r e s si s a n a l y z e d 1 1 1 es i m u l a t i o nb a s e do nf i rm i s m a t c hm o d e li sg i v e n i ts h o w st h a ti m p a c t o fm i s m a t c ho nl o w - s i d e l o b eb e a m si ss e r i o u s t h e r e f o r e ，t h er e a lp r o j e c tr e q u i r e s p r e c i s ec o n t r o lo ft h er a d a rr e c e i v e r sf r e q u e n c yr e s p o n s ea c r o s st h ee n t i r es i g n a l w a v e f o r mb a n d w i d t h t w oc h a n n e l e q u a l i z a t i o na l g o r i t h m s ，n a m e df r e q u e n c y - d o m a i nb a s e da n d t i m e d o m a i n b a s e da l g o r i t h m sa r ei n v e s t i g a t e df o rc o m p e n s a t i n gt h ec h a n n e lm i s m a t c h c h a n n e le q u a l i z a t i o nt i m e - d o m a i n - b a s e da l g o r i t h mi sb a s e do nw c i n e rf i l t e rt h e o r ya n d l e a s ts q u a r e st h e o r y b a s i ca l g o r i t h mo f t h et i m ed o m a i ne q u a l i z a t i o ni sp r e s e n t e d a n d s i m u l a t i o nb a s e do ni i rm i s m a t c hm o d e li sg i v e n f r e q u e n c y - d o m a i nb a s e dc h a n n e l e q u a l i z a t i o na l g o r i t h mi si n v e s t i g a t e dm a i n l yw h i c hi sb a s e do nl e a s ts q u a r e sf i t t i n g m e t h o d am o d i f i e dm e t h o di sp r e s e n t e dw h i c hi sw e i g h tl e a s ts q u a r e sf i t t i n gm e t h o d ， a n dt h ed i a g o n a le l e m e n t sa r et h er e f e r e n c ec h a n n e lm a g n i t u d er e s p o n s e g o o d e q u a l i z a t i o np e r f o r m a n c e sa r ea c h i e v e db yu s i n gt h ei m p r o v e dm e t h o d i m p a c t so f m a n yf a c t o r so ne q u a l i z a t i o np e r f o r m a n c ea r ea n a l y z e d s u c ha u st h em i s m a t c he x t e n to f i i i a b s t r a c t f r e q u e n c yr e s p o n s eo ft h er e c e i v ec h a n n e l ，s n r ，t h el e n g t h o f e q u a l i z e rl ， b a n d w i d t h t i m ed e l a yp r o d u c t ，f f t - p o i n t s a l lo ft h e s ef a c t o r sh a v er e f e r e n c e st or e a l p r o j e c t t os a t i s f yt h er e q u e s to fl e s sc o m p u t a t i o na n db e t t e rp e r f o r m a n c ei nr e a lp r o j e c t s ， c a l i b r a t i o ni sc o n s i d e r e dt or e p l a c ee q u a l i z a t i o nt os o m ee x t e n t t h es i m u l a t i o ni sg i v e n i ts h o w e dt h a tc a l i b r a t i o nm a ya c h i e v eh i g hp e r f o r m a n c ew i t hs o m er e s t r i c t i o no ft h e m i s m a t c he x t e n to ff r e q u e n c yr e s p o n s e ，s n r ，b a n d w i d t h t i m ed e l a yp r o d u c t , e q u a l i z e r l e n g t hl ，f f t - p o i n t sm ，e t e f i n a l l y , t h eb l u ep r i n to fc h a n n e le q u a l i z e ri nw d a ri sp r e s e n t e d t h ef l o wo f e q u a l i z e ro fb o t hr e c e i v i n ga n dt r a n s m i t t i n gi sd e s c r i b e d f o rt h ec o e f f i c i e n t so ff i r f i l t e ri nm a t l a ba r ec o m p l e xn u m b e r , b u tt h e yc a n tb ei m p l e m e n t e di nf p g a s ot h e s t r u c t u r eo ff i rf i l t e ri sm o d i f i e di nw h i c hf o u rr e a lf i rf i l t e r ss u b s t i t u t ef o ro n e c o m p l e xf i rf i l t e r f i rf i l t e r sc o n s i s to fm a cm a i n l y i t sw a s t e f u la n di n e f f i c i e n tt h a t f i rf i l t e r sa r es i m p l yc o n s t r u c t e db ym u l t i p l i c a t i o n sa n dc o e f f i c i e n tr e g i s t e r s s ot h e d i s t r i b u t e da r i t h m e t i cw h i c hc o v e r t st h em u l t i p l i c a t i o n si n t os o m el o o k - u po p e r a t i o n s i sp r e s e n t e d i nt h i st h e s i s ，a ni m p r o v e do p t i m u mr e p r e s e n t a t i o no fi n t e g e rc o e f f i c i e n t a n dad i s c r e t ec o e f f i c i e n tm e t h o di si n t r o d u c e da c c o r d i n gt ot h ef p g as t r u c t u r e i tc a n a s s u r et h ed e c r e a s eo fh a r d w a r el o g i cr e s o u r c ea n dt h ei n c r e a s eo fc o m p u t e p e r f o r m a n c e k e y w o r d s ：w i d e b a n dd i g i t a la r r a yr a d a r ( w d a r ) ，c h a n n e lm i s m a t c h ，c h a n n e l e q u a l i z a t i o n ，e q u a l i z e r i v 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：衅 日期：伽p 年 多月五6 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： 盟幽 导师签名： 日期：佃0 年岁月以日 第一章绪论 第一章绪论帚一早三百。下匕 1 1 宽带数字阵列雷达概述 雷达是现代信息化战争中最重要的信息获取装备，它正面临着日益严峻的目标 环境和电磁环境的挑战，必须具备高的搜索速率、高的多普勒分辨率和角分辨率、 高抗干扰能力和同时多功能( 如搜索与跟踪) 等。军用雷达通常采取增大峰值功率和 提高功率孑l 径增益积来探测具有较小r c s 的目标，但在强杂波坏境下这会对系统 的动态范围、相位噪声、稳定度、隔离度，以及其他一些与硬件相关的参数提出很 高的要求。收发波束均以数字方式实现的全数字化数字阵列雷达( d a r ) 能很好解 决上述问题。数字阵列雷达将数字技术与天线技术完美结合，在发射和接收模式 下以数字波束形成( d i g i t a lb e a mf o r m i n g , d b f ) 取代传统模拟波束形成，拥有传统 相控阵雷达无法比拟的优势，成为现代雷达一个重要的发展方向【l 】【2 】【3 1 。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军事应用前景。主要有地 面防空反导监视雷达、先进多功能机载预警雷达、战场监视雷达和超视距雷达等。 随着宽带微波器件、高速数字处理器和数字控制频率源等新技术的出现和发 展，高分辨雷达的研制与应用越来越多，以满足多种军事和民事的应用【6 】。高分辨 雷达必须发射宽带信号波形以获得雷达目标的成像。因此宽带化成为相控阵雷达 的另一重要的发展方向。采用宽带信号是机载、空间载宽带相控阵雷达实现雷达 遥感、检测地面或海面静止于运动目标的重要手段，也是地基或海基宽带相控阵 雷达对空中或空间飞行目标进行逆合成孔径成像的前提条件，同时是解决多目标 分辨、目标分类和识别、目标属性判别等难题的重要途径。此外，为了提高控阵 雷达的抗干扰能力，抗无线电辐射制导导弹、无人机及其它武器平台的攻击，实 现低截获概率，也需要采用宽带雷达信号。 1 1 1 相控阵列雷达数字化趋势 一个典型的数字阵列雷达【4 】【5 】【7 】如图1 1 所示。一般由天线阵列、数字发射 接收( t 瓜) 组件、时钟、数据传输系统、数字处理机组成。其中数字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 1 电子科技大学硕士学位论文 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l 数据传输系统i 数字阵列单元 ll ll 数字t r 1 一 d b f 处理器 一：n 抛组件通道u ：组件 天 li l 线 i 阵 i ol 数字你组 列 ，、t x 波形 l r 波形产生器ol 件 时钟厂 ii 图1 - 1 数字阵列雷达的基本结构 数字阵列雷达的基本工作原理是：发射模式下，信号处理机将发射波束扫描 所需要的幅度和相位值送至数字t r 组件，数字t r 组件在波形产生时预置幅度 和相位，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下变频至中频信号， 再经中频采样处理及直接数字下变频( d i r e c td o w nc o n v e r t e r s ，d d c ) 后输出i 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。 与采用模拟波束形成的传统相控阵列雷达相比，采用这种全新的数字化阵列 结构的数字阵列雷达具有更多的优越性。例如：大的动态范围；波束扫描速度更 快，控制灵活且容易实现多波束；易于实现低或超低旁瓣；自适应零点形成提高 了雷达抗干扰能力；可以利用直接频率合成或直接数字波形合成技术，产生各种 具有复杂编码波形的发射信号，被截获的概率低；更有效的时间能量管理，可靠 性高，可重构性高；发射和接收通道校正较为简单。 1 1 2 数字阵列雷达宽带化趋势 相控阵雷达采用大瞬时带宽的信号，主要来自以下几方面的需求：获得高距 离分辨率、高测距精度、提高雷达对目标的分辨、识别能力和解决目标的雷达成 像问题、提高雷达抗干扰能力等。 但是普通相控阵雷达在进行宽带和宽角扫描时，由于孔径效应的影响，使得 阵列的瞬时带宽受限。为实现宽带宽角扫描，应采用真实时间延迟线t t d ( t r u et i m e 2 第一章绪论 d e l a y ) 取代常规相控阵雷达中的各天线单元的移相器。常见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 ) 等和近年来研究 较多的光纤延迟线( o t t d ) 。 采用宽带信号波形的数字阵列雷达就是本论文研究的宽带数字阵列雷达，它 同时具有数字阵列雷达和宽带雷达的优点。宽带数字阵列雷达要实现数字波束形 成，可以通过控制每个数字组件直接频率合成的时间延迟和起始相位来实现宽带 发射和接收【l 】【2 】【3 】。采用宽带波形可达到高的距离分辨率，有助于目标识别，从而适 用于弹道导弹防御( b m d ) 系统等场合。实现宽带数字波束形成一是要求天线系统 和射频组件必须能在一个相当宽的频带内工作，二是要求雷达必须具有大的瞬时带 宽，三是要求进行高速数字信号处理。通过控制每个数字组件的d d s 时间延迟和 起始相位可实现宽带发射和接收。当然，由于带宽的增大，迫切需要解决宽带数字波 束形成存在的巨大的运算量问题。 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训3 1 。 1 2 宽带数字阵列雷达均衡技术 1 2 1 数字阵列雷达误差分析 任何雷达在设计过程中都会产生各种误差，对于数字阵列雷达，其主要误差 可认为来自两个模块：阵列天线和数字t r 组件【8 】。 阵列天线的误差有： 1 天线间的互耦效应。 阵列环境中，天线阵元的辐射特性、阻抗特性与自由空间即孤立状态时是不 相同的。这是因为阵列环境中阵元间存在互耦效应。二天线间的耦合强度与它们 间的距离有关，距离愈远耦合愈弱。另外，耦合还与二天线的极化指向有关，二 平行振子间的互耦就大于它们共线时的互耦；而相互垂直二振子间的互耦更弱。为 精确了解互耦效应，必须严格定义和分析计算，以便能在阵列天线的设计时对互 耦作补偿。 3 电子科技大学硕士学位论文 2 天线阵元本身的幅度和相位误差。 影响相控阵天线口径分布的误差源很多，它们通常可以分为三类：缓变的、 系统的和随机的。缓变误差通常是指阵列不平度、重力变形、风力变形、天线的 交叉极化、阵元之间的互耦等。这些误差的特点是它们对天线性能的影响可以事 先严格计算和测量出来，并加以控制；随机误差的来源包括各种制造公差、元器件 的失效等，这类误差的特点是具有随机性，难以事先严格计算和测定，因而难以 预先加以补偿；系统误差的来源是结构的不对称性、子阵结构和移相器的相位量化 误差等，这类误差往往呈一定的周期性，它会导致辐射功率在某些特定的方向上 集中。减少这类误差的常用方法是打破其系统性。 缓变误差和系统误差可以事先加以控制，而由多方面引起的比较小但却难以 控制的随机误差( 包括缓变误差和系统误差校正后的剩余误差) 大量存在，有时连具 体数值都不清楚，只能用统计学方法研究此时的天线性能。 3 天线阵元的位置误差。 数字部分射频部分 竺吐f 艘婆垩罄懒 ：夙瑁上 l 及种任移硼f 刊! 19 l 一雾 控制字 刊w 嘲器降墼 回波信号 u 、r - - - 一黼睫予 f i ：4 l ，j - - ! 图1 - 2t r 组件结构示意图 数字t r 组件是数字阵列雷达的另一个主要误差来源。数字阵列雷达一般包 括许多个t r 组件，如图1 2 所示，每个t r 组件都是一个独立的通道，其中包 括了频率源、直接频率合成、功率放大器、低噪声放大器、混频器、滤波器、模 数转换器等模拟部件【4 】，这些模拟器件及其构成的有源电路不可避免地存在着幅度 和相位的差异，这使得发射通道和接收通道间产生幅度和相位不一致。而且系统 由于时间、温度、环境的改变及器件的老化也会引起各通道特性不一致。 对于宽带数字阵列雷达，由于其工作带宽较大，要求阵列天线及各射频组件 具有较大的带宽。模拟器件及其构成的电路特性的差异使通道产生随频率变化的 幅度和相位特性不一致，通常称为通道失配【7 】。这种通道频率特性不一致包括通道 带内的不一致和通道间的不致。通道失配是宽带数字阵列雷达的一种重要误差， 4 第一章绪论 通道会对数字波束形成、脉冲压缩、旁瓣对消等产生较大的影响。在雷达设计中 必须采用通道均衡技术补偿这种与频率有关的幅相误差。 除此之外，t r 组件中还存在各种非线性失真误差( 包括交调、互调和杂散虚 假信号) 、v q 支路的正交误差、a d 变换引入的量化误差。信号处理机的有限字 长效应也会引起误差【8 】。随着中频带通采样甚至射频直接带通采样的采用。有些误 差将变得非常小。如i q 支路的不平衡、模拟时延单元等产生的误差。 1 2 2 数字波束形成均衡技术 上一节分析了数字阵列雷达中的各种误差，这些误差会对雷达性能产生很大 的影响，主要是因为数字阵列雷达接收和发射信号都在靠近阵列天线端数字化并 且发射和接收都采用数字波束形成技术，控制波束的权值或时间延迟都是在基带 形成的。这样处理的前提条件是假设各通道内传输是无失真的以及各阵元通道的 频率特性是一致的。只有这样才能保证基带处理时各阵元信号的幅度和相位关系 与在天线端的信号的幅度和相位关系是一样的。但实际通道不可能满足这种要求。 对于宽带数字阵列雷达，通道的传递函数与频率有关，必须考虑在整个信号波形 带宽内通道频率特性失配对雷达性能的影响。为减少通道误差对数字波束形成的 性能影响，必须对通道进行校正。 为了校正这种与频率有关的幅相误差，传统的做法是：将发射通道或接收通 道在整个信号带宽内分频段处理，用校正源信号对每个频段分别进行窄带校正， 再将幅相误差存入存储器。当雷达工作时，查表进行校正。这种校正方法需要求 的校正精度越高，频率划分越细，需要的存储器容量也越大，而且不利于实时处 理。 利用具有自适应权系数的f i r 滤波器能够得到可自适应调节的幅频和相频特 性，因此可以在通道中插入附加的f i r 滤波器来补偿各通道之间的失配，使通道 的频率响应得到均衡，这就是通道均衡技术【8 】。这种用于校正的滤波器称为均衡滤 波器或简称均衡器。通过使用专门的均衡器可以精确地匹配通道间的幅度和相位， 同时也可以减少d b f 子系统的计算负担。 1 3 通道均衡技术研究现状 均衡技术并不仅用于雷达中，在通信中，为了去除由于信道传输特性不理想 而产生的码间干扰，必须采用信道均衡技术，而且对于无线移动的信道是时变的， 5 电子科技大学硕士学位论文 均衡器要能够根据信道传输特性的变化自动调整参数以尽可能实现最佳均衡，所 以均衡器常被设置为自适应的，即自适应均衡器。这种均衡器可以通过各种自适 应算法来实现。 目前，提出的信道均衡方法大致可以分为 1 4 - 1 s ： 无数据辅助的盲均衡方法，这种方法不需要训练序列，只利用接收信号的特 性来完成信道估计。 基于训练序列的均衡方法，这种方法是按一定估计准则确定各个待恢复的信 号值，或者按某些准则进行逐步跟踪和调整待恢复的信号值，其特点是需要借助 参考信号或者称为训练序列。 半盲均衡方法，这种方法结合了盲均衡与基于训练序列均衡两种方法的优点。 雷达中的均衡，与通信中的均衡有许多相似之处。例如都是按照一定的准则 求得均衡器的权系数。但由于其工作方式的不同，在具体实现上有许多不同之处。 雷达中的通道均衡主要是针对d b f 和旁瓣对消等自适应、多通道阵列的处理系统， 利用通道均衡技术来补偿多通道间频率特性不一致。由于时间及环境的变化，均 衡过程必须每隔一段时间重复一次。 带有自适应通道均衡器的实验系统在国外已有报道，如美国海军数字阵列雷 达( d a r ) 项目【3 4 】采用2 0 阶1 6 位的复数f i r 进行均衡。林肯实验室的r s t 雷达 自适应d b f 系统【1 1 1 ，接收通道采用3 l 抽头的复数f i r 滤波器进行自适应通道均 衡，为了衡量均衡性能，文中比较了均衡前后的平均对消比，由2 0 d b 提升到6 5 d b 得到较好的均衡效果。林肯实验室的自适应置零接收机实验系统，该实验系统采 用数字均衡器来增强传统的采样矩阵求逆算法的性能。瑞典国防研究所的实验的 s 波段数字波束形成天线【1 2 】等采用1 5 抽头的均衡f i r 滤波器，均衡带宽5 m h z ， 对消比( c a n c e l l a t i o nr a t i o ，c r ) 得到很大的改进，由2 9 d b 变为7 5 d b 。 近年来，国内对雷达通道均衡研究的院校及研究所也比较多，但主要集中于 研究通道失配对雷达或者阵列性能的影响、通道均衡算法研究及对现有算法的改 进。而将通道均衡技术实际应用于雷达系统中的较少。 1 4 本论文的主要内容和结构安排 本论文以某实验宽带数字阵列雷达为背景，分析了通道失配产生的原因。根 据建立的通道失配数学模型，研究通道失配对宽带数字波束形成及脉冲压缩等的 影响。为了补偿阵列雷达通道失配，研究了通道自适应均衡技术。从时域和频域 6 第一章绪论 两个方面给出通道均衡算法，并对各种自适应均衡算法进行研究。详细仿真分析 了各种因素对通道均衡性能的影响。提出了接收通道以及发射通道均衡方案，并 且提出了f i r 滤波器实现方案。 本论文的结构安排如下： 第一章为绪论。主要介绍了阵列雷达数字化技术及雷达宽带化需求，分析了 宽带数字阵列雷达中存在的各种误差。回顾了传统的校正方法，由于传统校正方 法不能满足宽带雷达通道校正的需求，因此必须采用通道均衡技术。 第二章为通道失配对宽带数字阵列雷达性能的影响。首先给出了通道失配对 宽带数字波束形成的理论分析以及对脉冲压缩影响的理论分析。然后提出了f i r 权系数失配模型，并据此模型仿真分析了通道失配对宽带数字波束形成及脉冲压 缩的影响。 第三章为通道均衡算法及仿真。介绍了通道均衡各算法的基本原理。介绍了 通道均衡基本算法，均衡性能评价标准。并针对频域算法仿真研究了各种因素对 均衡性能的影响，为实际方案参数设计做出了一些参考。 第四章为通道均衡器在数字阵列雷达中的实现方案。提出了通道均衡滤波器 的实现框图及流程。并且提出了基于f p g a 的f i r 滤波器高效算法，给出了具体 实现方案。 第五章对全文进行总结，指出工作中存在的一些问题以及后对续工作的展望。 7 电子科技大学硕士学位论文 第二章通道失配对宽带数字阵列雷达性能的影响 宽带数字阵列雷达接收和发射都采用数字波束形成技术，控制波束的权值或 时间延迟都是在基带形成的。这就要求各通道内传输是无失真的以及各阵元通道 的频率特性是一致的。只有这样才能保证基带处理时各阵元信号的幅度和相位关 系与在天线阵面接收的信号的幅度和相位关系是一样的。但实际中通道频率响应 不可能满足这么严苛的要求。本章介绍通道失配对宽带数字阵列雷达性能的影响， 利用建立的通道失配模型分析不同的通道失配特性对宽带数字波束形成及脉冲压 缩等的影响。 2 1 通道失配对宽带数字波束形成理论分析 2 1 1 宽带数字波束形成 假设雷达工作信号为线性调频信号( l i n e a rf r e q u e n c ym o d u l a t i o n ，l f m ) ，即 如) = c o s l 2 万( s o f + 专2 ) 俐( 手) ( 2 1 ) 口 其中五为雷达工作频率，波长z = c f o ，d = 2 2 ，b p 为信号带宽，乃为脉冲 持续蛾= b i 为调频髓咧纠l ，i 嚣他m 信号的频鞭 时间变化，其关系如图2 1 所示。 厂( f ) 。 丘 誓壬么、 一乙2 0 乙2 t 图2 - 1l f m 信号频谱 l dj ( 刀) x 2 ( n ) x n ( n ) 图2 - 2 阵列模型 8 丫 第二章通道失配对宽带数字阵列雷达性能影响 如图2 - 2 所示的均匀线阵，阵元间距为d ，阵元数为。对于空间任一方向0 ， 相邻阵元间的空间时延为f = d s i n o c 。第一个通道输出的信号为( f ) = s ( t ) ，则 由于平面波到达第二个阵元的时间超前于第一个阵元，超前时间为f ，则第二个通 道接收到的信号为 屯( f ) = 五o + r ) = s ( t + r ) ( 2 - 2 ) 类似地有，第i 个通道接收到的信号为 x i ( t ) = s i t + ( i - 1 ) r 】 = c o s 2 万s o ( f + o 1 ) f ) + 三12 万( f + ( f 一1 ) f ) 2 ) f = 1 ，2 _ 3 信号经下变频处理得到基带信号，表示为 薯o ) = e x p t j 2 ，r f o ( i 一1 ) f 】+ j 寺2 掣p + ( f 一1 ) f 】2 ，f = 1 ，n ( 2 - 4 ) l 二 j 对于宽带数字阵列雷达，需要采用时间延迟波束控制的方法来实现宽带波束 形成。有两种方法可以实现数字时延波束控制：一是使用数字时延滤波器，二是 通过控制每个数字组件直接频率合成的时间延迟和起始相位来实现宽带发射和接 收。本文不考虑具体的实现方法，同时假定时延为理想的。 若波束控制的指向角为嚷，则对应的相邻阵元间的波束控制时延为 f 。= d s i n 幺c 。为了形成波束，在式( 2 4 ) 上增加一个相移和时延。 祁) = 唧p 砧h 纠+ 孛圳州h 卜( f _ 1 k 】2 ( 2 5 ) e x p - j 2 7 r f o ( i - 1 ) r b ，i = 1 ，n 根据阵列天线的叠加原理，在任意方向0 ，阵列输出的信号为 _ y ( o ，f ) = 墨( f ) ( 2 6 ) i = l 从而得到阵列功率方向图为 ， 以乡) = ij ，( 秒，t ) 1 2 = ) 1 2 ( 2 - 7 ) ffi = i 但这样得到的最大旁瓣电平约为1 3 d b 左右【2 5 】，这对于雷达的各种应用场合来 9 电子科技人学硕士学位论文 说都太大了。为了获得较低的旁瓣电平，一般对阵列中各阵元的幅度按照一定的 分布函数加权，即幅度加权。常用的加权函数有：切比雪夫( c h e b y s h e v ) 力n 权、泰 勒( t a y l o o 力n 权、海明( h a m m i n 曲加权等，幅度全相等时也称均匀加权。 2 1 2 通道失配对波束形成影响的理论分析 前面的波束形成推导并没有考虑通道对信号的影响，这一节考虑通道的失配 对阵列接收信号的影响【2 2 】。假设第f 个通道的冲击响应为忽( f ) ，则通道不理想时各 通道的输出可表示为 x i ( t ) = t o ) 宰红( f ) = s l f + o 一1 ) r i 枣吃( f ) ( 2 - 8 ) 式中，符号“木 表示线性卷积运算，这时将x 如) 代替五( f ) 即可以得到在考 虑通道影响时的波束形成公式。 2 e x p p 工”) 小孝万【州f _ 1 ) 州h ) l b 1 2 ，( 2 _ 9 ) e x p 一j 2 7 r f o ( i o r b 幸忽( f ) f = 1 ，n 阵列输出的信号为 nn y ( 9 ，f ) = 暑( f ) 木h i ( t ) = ( f ) ( 2 一l o ) i = 1i = 1 从而得到阵列功率方向图为 n 2 p 7 ( 缈= 伙p ，f ) 1 2 = 觚) 幸7 i ( f ) l ( 2 1 1 ) 文献 2 5 研究了这种通道频率特性失配对d b f 天线旁瓣电平的影响。该文利 用f i r 滤波器权系数随机扰动模型，证明了归一化峰值旁瓣电平服从广义瑞利分 布，推导得到极限旁瓣电平( 实际旁瓣电平不超过此值的概率为9 9 9 ) 为 极限旁瓣电平1 l + 1 0 1 9 4 ( 2 n r ) ) d b( 2 1 2 ) 式中，盯，2 为式( 2 3 2 ) 给出频率特性均方误差，为阵元数，r 为d b f 加权效 率指数，彳，是与假设的理想滤波器有关的参数，结果表明，滤波器加权和阶数a 。的 影响均很小，通常大小在1 3 8 1 5 之间。 本文直接引用其公式，根据本实验数字阵列雷达，n = 8 ，采用4 0 d b 切比雪 夫加权( 7 = 0 7 6 1 3 ) 时。代入式( 2 1 2 ) 可以得到表2 1 给出的通道间的频率特 1 0 第二章通道失配对宽带数字阵列雷达性能影响 性失配均方根误差与极限旁瓣电平的关系。 从表中可以看出，频率特性失配对旁瓣电平的影响非常大。为使波束方向图 的峰值旁瓣电平低于3 0 d b ，则对通道间频率特性均方根误差要求约为3 ( 滤波 器系数按3 2 5 的比例随机扰动) 。 表2 1 频率特性失配均方根误差与极限旁瓣电平的关系 频率失配均 o 0 10 0 20 0 30 0 4o 0 5o 0 60 0 70 0 8o 0 9o 1 方根误差吒 旁瓣电平 3 8 43 2 42 8 92 6 42 4 42 2 92 1 52 0 41 9 31 8 4 ( d b ) 2 2 通道失配对脉冲压缩影响的理论分析 数字阵列雷达为了同时提高作用距离和距离分辨力，常采用大时宽信号。这 样体制的雷达在接收时必须采用相应的脉冲压缩技术获得窄脉冲。脉冲压缩通常 采用匹配滤波在时域或频域完成。下面给出l f m 信号脉冲压缩的表达，在不考虑 通道频率响应的影响时。当乡= 酿时，表示雷达接收到信号，阵列总的输出为 y ( f ) = n s ( f )( 2 1 3 ) 假设匹配滤波器的冲击响应为j l l ( f ) ，通常取为 j l z ( f ) = k s ( t o - t ) ( 2 1 4 ) 其中，s ( f ) 为雷达发射信号，f o 表示时延。k 为常系数 因此，匹配滤波的输出为 y 。t c h ( t ) = y ( 吃，f ) 奉 ( f ) = n k s ( t ) * s + ( t o f ) ( 2 - 1 5 ) 现在从频域的角度来导出匹配滤波器的输出结果。当b ，乙的值很大时，线性 调频信号的频谱可表示为 跏) ：j 古卜洄嘞户h 钟州4 1 扣一阵柏 ( 2 1 6 )s ( 缈) = 妇 “ ( 2 一 【0 ， 其它 假设匹配滤波器的频率响应为h ( c o ) ，则h ( c o ) 为s ( t o t ) 的傅立叶变换 h ( c o ) = k s ( c o ) e 1 嘞( 2 - 1 7 ) 若取k = ，得到 电子科技大学硕士学位论文 日( ) = ， ( 一纨27 4 掣一口7 4 一埘叫，l 缈一i n - b ( 2 1 8 ) 匹配滤波输出的信号的频谱为 匕删鲥( 缈) _ s ( c o ) h ( c o ) = 。n ，_ e - j , ”, o c o 一l ，尼= ，2 ，靠 k = ，l + 1 ，咒+ 2 ，l + m 令 胡( 彩) = n 厶+ m _ 忑a s k k = lj 0 k ( 3 - 2 。) w 一 因此，扰动后通道频率响应的一阶近似表达式为： h ( c o ) = h o ( c o ) ( 1 + a h ( c o ) )( 3 2 1 ) 这就和f i r 滤波器一样，仍将通道频率响应表示成了两项之和的形式。作为 i i r 滤波器的一个特例，考虑经典的巴特沃思( b u t t e r w o r t h ) 滤波器，其频率响应 为 2 6 】 h o ( c o ) = 藏丽c o ( 3 - 2 2 ) 幅度平方特性为 1 - i o ( 缈) 1 22 南( 3 - 2 3 ) 其中尸是滤波器的阶数，鼠，i = 1 ，2 ，尸是滤波器的极点，q = 万b 为截止频 率，b - 3 d b 带宽( 包括正负频率) 。选择气= ( p r c ) s i n r c 2 p 是为了使 l l 风( 彩) id c o = 1 。 巴特沃思的极点分布是在角度上等间隔地分布于单位圆上，相距间隔为 2 3 趟啦 = = 触甄 电子科技大学硕士学位论文 ( j r p ) r a d 。 为了保证