摘 要：數(shù)字波束形成(DBF)技術(shù)是在原來(lái)模擬波束形成原理的基礎(chǔ)上，引入數(shù)字信號(hào)處理方法之后建立的一門(mén)雷達(dá)新技術(shù)，而接收通道的幅相一致性即接收通道校正是影響波束形成性能的重要因素。介紹了通道均衡的原理和算法以及工程實(shí)現(xiàn)方法，并結(jié)合實(shí)例討論了一種在工程實(shí)現(xiàn)中的接收通道校正方法，此方法只利用測(cè)試信號(hào)而不借助于遠(yuǎn)場(chǎng)信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)接收通道的校正，從而使得應(yīng)用了數(shù)字波束形成技術(shù)的雷達(dá)降低了使用和操作上的復(fù)雜程度，具有極高的實(shí)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：數(shù)字波束形成；通道均衡；接收通道校正;遠(yuǎn)場(chǎng)信號(hào)

中圖分類(lèi)號(hào)：TN958 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1004373X(2008)0502503

Research on Calibration Method for Receiving Channel in DBF

WANG Yuyang

(No.38th Research Institute，China Electronic Technology Group Corporation，Hefei，230031，China)

Abstract：DBF technology is a new radar technology based on the principle of analog beam forming and ditigal signal processing method.The equalization of amplitude and phase in receiving channels is a very important factor that influence the performance of DBF.The principle of channel equalization，its algorithm and implementing method is described in this paper.With engineering illustrations，an implementing method of receiving channel calibration isdiscussed.This method uses testing signal instead of far field signal to complete receiving channel calibration.So the radar based on the technology of DBF is not only easy to use，but also has very high practical value.

Keywords：DBF；channels equalization；receiving channels calibration;far-field signal

1 引 言

DBF技術(shù)是在原來(lái)模擬波束形成原理的基礎(chǔ)上，引入數(shù)字信號(hào)處理方法之后建立的一門(mén)雷達(dá)新技術(shù)。數(shù)字波束形成就是用數(shù)字方式將由于傳感器在空間位置不同引入的傳播程差導(dǎo)致的相位差進(jìn)行補(bǔ)償，從而實(shí)現(xiàn)各路信號(hào)之間信號(hào)同相疊加，使得觀測(cè)方向能量最大接收，形成特定方向上目標(biāo)信號(hào)檢測(cè)。

DBF實(shí)現(xiàn)的多波束形成系統(tǒng)有著可同時(shí)產(chǎn)生多個(gè)獨(dú)立可控波束而不損失信噪比、波束特性由權(quán)矢量控制且靈活可變、天線有較好的自校正和低副瓣能力等優(yōu)點(diǎn)，尤其是由于在基帶上保存了全部天線陣單元信號(hào)的信息，因而可以通過(guò)數(shù)字信號(hào)處理的方法對(duì)陣列信號(hào)進(jìn)行處理，以獲得波束的優(yōu)良性能。

接收通道的幅相一致性是影響DBF性能的關(guān)鍵因素，本文介紹了通道均衡的原理和算法以及工程實(shí)現(xiàn)方法，并給出一則工程實(shí)現(xiàn)接收通道校正技術(shù)的實(shí)例。其研制成果已應(yīng)用在多部相控陣?yán)走_(dá)中，縮小了我國(guó)在這個(gè)領(lǐng)域與其他國(guó)家之間的差距，具有重要的經(jīng)濟(jì)意義和軍事意義。

2 通道均衡的基本原理

2.1 概述

近年來(lái)，隨著陣列信號(hào)處理技術(shù)的廣泛應(yīng)用，人們逐漸認(rèn)識(shí)到有許多因素會(huì)影響到陣列信號(hào)處理機(jī)的性能。其中，當(dāng)利用加權(quán)控制技術(shù)形成方向圖零點(diǎn)或者極低旁瓣區(qū)的時(shí)候，接收通道的幅度和相位誤差也極大地影響天線的性能，包括系統(tǒng)輸出的信噪比、響應(yīng)速度、調(diào)零深度和測(cè)向的超分辨率。

在本文所述的陣列天線雷達(dá)信號(hào)處理系統(tǒng)中，在實(shí)際工作環(huán)境下，每個(gè)通道都包括陣元和饋電線路，射頻放大與變頻，中頻處理，I/O支路和A/D變換的數(shù)字輸出，任一環(huán)節(jié)有誤差都會(huì)引起通道不一致。顯然，由于模擬器件和模擬器件所構(gòu)成的電路都不可能做得完全相同，并且，在工作中，模擬電路的狀態(tài)也會(huì)不斷的變化。因此，對(duì)于眾多的接收通道要求其工作特性在任何時(shí)刻完全一致是不可能的。互耦的存在使得各個(gè)陣元的輸出不同，各個(gè)接收通道的幅、相誤差以及同一通道內(nèi)I/O支路的正交誤差都是造成通道不一致的重要因素。

在零中頻接收機(jī)中，為了保存陣面接收的目標(biāo)回波信號(hào)幅度和相位信息，需要采用相干相位檢波器，要求兩支路輸出的是相互正交的I/O基帶信號(hào)。然而，由于兩個(gè)本振信號(hào)的正交誤差和兩支路特性的不一致，可以用兩支路的增益不同，相位不正交和有不同的直流偏移來(lái)表示。若采用圖1所示的中頻直接采樣相位檢波器，則可以在較大程度上避免產(chǎn)生I/O支路的正交誤差。

基于上述說(shuō)明，我們知道了通道之間特性的不一致對(duì)于陣列信號(hào)處理系統(tǒng)的性能影響非常大。一般地，不一致性表現(xiàn)在正交誤差，通道之間由于種種原因造成的誤差等等。前一種可以通過(guò)圖1所示采樣通道解決問(wèn)題，而通道之間的誤差只能通過(guò)均衡技術(shù)來(lái)解決。

2.2 通道均衡的原理及其算法

從上文可以看出，通道失配對(duì)于陣列信號(hào)處理系統(tǒng)的性能影響十分嚴(yán)重，必須對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)償。傳統(tǒng)的單頻信號(hào)法只能在通道的某一頻率點(diǎn)上進(jìn)行補(bǔ)償，而不能在通道的整個(gè)頻帶內(nèi)進(jìn)行補(bǔ)償，因此是不完善的。

假設(shè)有兩個(gè)通道，設(shè)他們的頻率響應(yīng)分別為H1(jw)和H2(jw)，則有：

為了使得兩通道有一致的頻率響應(yīng)，可在通道1中加入頻率響應(yīng)為a(w)ejφ(w)的均衡器，或者在通道2中加入頻率響應(yīng)為[SX(]1-a(w)[SX)]e- jφ(w)的均衡器。

對(duì)于多通道處理器，可以選擇一個(gè)通帶內(nèi)最為平坦，畸變最小的通道作為參考通道，其余各個(gè)通道與他作比較，以取得一致的、具有良好濾波特性的頻率傳遞函數(shù)。這樣處理，需要一個(gè)比較選擇的過(guò)程。也可以簡(jiǎn)單地以任意一個(gè)通道作為參考，在其他各個(gè)通道中插入均衡器，使得其他所有通道與參考通道相一致。均衡器可以選用具有一定幅、相頻率特性的FIR濾波器，這樣N個(gè)通道需要N-1個(gè)均衡器。這樣做僅僅保證了各個(gè)通道頻率特性相一致，但是每一個(gè)通道不一定具有良好的濾波特性。因此，也可以采用另一種方案，以理想的中頻濾波器特性作為“參考”，所有通道中全部加入均衡器，使得所有的通道的頻率特性盡可能地接近理想狀態(tài)。這樣做同樣也有缺點(diǎn)，由于作為“參考”的不是實(shí)際通道，因此假若輸入信號(hào)有非線性誤差，就不可避免地引入到均衡過(guò)程中。

不論何種方案，其均衡原理是相同的，下面介紹通道均衡的基本原理。

假定共有K個(gè)通道以及參考通道，設(shè)參考通道的頻率響應(yīng)為T(mén)ref(jw)，其余通道的頻率響應(yīng)為T(mén)i(jw)，(i=1，…，k)，插入通道之后的濾波器的頻率響應(yīng)為Hi(jw)，(i=1，…，k)，均衡器為N階FIR濾波器，抽頭時(shí)延設(shè)為Δ，則有:

道具有相同的時(shí)延。

圖2給出了多通道均衡器的原理圖。設(shè)圖中時(shí)延線的傳遞函數(shù)為e－jwΔ，Δ是延遲時(shí)間單位，那么N階FIR有限長(zhǎng)濾波器的頻率響應(yīng)可以表示為:

為N點(diǎn)FIR濾波器權(quán)系數(shù)矢量；(w)為相移矢量。由式(3)可見(jiàn)，改變就可以改變頻響特性，滿足均衡要求。

一般來(lái)說(shuō)，要準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)Hi(jw)，需要無(wú)限多抽頭數(shù)。然而均衡的精度也與權(quán)值精度有密切的關(guān)系。利用數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)均衡時(shí)，有量化誤差。抽頭愈多，各個(gè)抽頭調(diào)節(jié)誤差積累起來(lái)，可能反而影響調(diào)節(jié)精度。因此，抽頭數(shù)通常是有限的，即存在一個(gè)最佳抽頭數(shù)值。

由上面的敘述可以知道，要對(duì)通道進(jìn)行均衡也就是在通道之后串接濾波器，只要確定濾波器的階數(shù)，系數(shù)向量就可以利用數(shù)字器件實(shí)現(xiàn)。

3 通道均衡的工程實(shí)現(xiàn)

3.1 通道均衡的工程實(shí)現(xiàn)方法及實(shí)例

實(shí)際工程應(yīng)用中，要求DBF處理采用多個(gè)接收通道，各個(gè)通道之間的相位一致性和通道本身的平穩(wěn)性是DBF實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。校正框圖如圖3所示，接收系統(tǒng)頻率源產(chǎn)生的測(cè)試信號(hào)由行波校正網(wǎng)絡(luò)收集端饋入，分別耦合到各路接收機(jī)，各路接收機(jī)將測(cè)試信號(hào)放大并下變頻至10 MHz中頻，經(jīng)中頻匯流環(huán)和車(chē)外電纜進(jìn)入I/Q形成分機(jī)，通過(guò)LVDS送入DBF電路。

設(shè)第i路接收通道的信號(hào)可表示為:

當(dāng)用測(cè)試信號(hào)形成波束時(shí)，直接將第i路測(cè)試數(shù)據(jù)做一個(gè)共扼運(yùn)算，而幅度用校正通道幅度的平方，以此形成各個(gè)通道實(shí)際所需要的權(quán)值，即:

實(shí)際上采用的是用測(cè)試信號(hào)對(duì)通道進(jìn)行校正，以此對(duì)外部回波進(jìn)行波束形成得到各個(gè)不同波束指向的接收信號(hào)。用測(cè)試通道信號(hào)對(duì)各個(gè)通道進(jìn)行校正時(shí)，天線上的各個(gè)陣元之間沒(méi)有校正，但由于天線各個(gè)陣元在天線完成后，各個(gè)天線之間的參數(shù)是不隨時(shí)間變化的，或者說(shuō)變化不大。為此，這個(gè)參數(shù)在天線完成之后，利用外場(chǎng)測(cè)試信號(hào)做一次完整的測(cè)試，假定接收通道的信號(hào)為:

利用式(5)和式(7)，利用外場(chǎng)數(shù)據(jù)除以內(nèi)場(chǎng)數(shù)據(jù)形成實(shí)際天線對(duì)應(yīng)的參數(shù)公式為:

這個(gè)公式得到的數(shù)據(jù)文件可以作為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)文件存放在特定存儲(chǔ)單元內(nèi)。實(shí)際工作時(shí)只要用內(nèi)部的測(cè)試信號(hào)就可以校正由于時(shí)間和溫度等因素引入的各路接收機(jī)幅度和相位不一致變化問(wèn)題。

設(shè)第i路接收通道的信號(hào)為xi(t)=aie－jφi，則實(shí)際工作時(shí)的校正權(quán)為：

3.2 測(cè)試結(jié)果

使用上述校正方法，在某雷達(dá)整機(jī)上，采用-50 dB兩

種加權(quán)，在兩個(gè)不同的工作頻率下，對(duì)測(cè)試信號(hào)掃描形成的垂直波瓣，所有10個(gè)波束，最大副瓣低于-47-8 dB，如圖4，圖5所示，從實(shí)際結(jié)果來(lái)看，這種校正方法可以獲得較為滿意的校正結(jié)果。

圖中縱坐標(biāo)表示分貝數(shù)；橫坐標(biāo)為合成后的角度值，每200個(gè)刻度代表一個(gè)波束的掃描角度0°～45°，共十個(gè)波束循環(huán)。十個(gè)波束的指向角覆蓋0°～20.5°。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文介紹了對(duì)數(shù)字波束形成的性能影響最大的因素——接收通道均衡的原理、算法以及具體的工程實(shí)現(xiàn)方法，并舉出一個(gè)實(shí)例給出測(cè)試結(jié)果。接收通道均衡算法的好壞直接影響數(shù)字波束形成的性能，而選擇合適的算法還可以降低相控陣?yán)走_(dá)操作上的復(fù)雜程度。本文介紹的實(shí)例已成功應(yīng)用于多部雷達(dá)中，且效果較好性能穩(wěn)定，具有很高的實(shí)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

［1］朱榮新，方姚生，王曉峰.雷達(dá)數(shù)字波束形成器的研究與實(shí)現(xiàn)[M].現(xiàn)代雷達(dá)，2003，25（2）：46-49.

［2］張睿，趙永波，向驥，等.基于FPGA的數(shù)字波束形成系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)[M].火控雷達(dá)技術(shù)，2006，35（1）：77-80.

注：“本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請(qǐng)以PDF格式閱讀原文?！?/p>