摘 要：概要介紹超寬帶雷達(dá)自組網(wǎng)方式特點(diǎn)及布站方式，重點(diǎn)分析了超寬帶信號(hào)時(shí)延控制形成波束掃描的實(shí)現(xiàn)方法，從而解決陣列延時(shí)帶來(lái)的旁瓣以及低增益的問(wèn)題。與傳統(tǒng)相控陣?yán)走_(dá)不同的是不再利用移相器，而是估計(jì)出各個(gè)陣列的時(shí)延并通過(guò)整數(shù)延遲線和FIR分?jǐn)?shù)濾波器進(jìn)行精確時(shí)延補(bǔ)償，仿真結(jié)果表明，該方式波束方向指向性能好，沒(méi)有旁瓣。

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關(guān)鍵詞：數(shù)字波束形成; 超寬帶雷達(dá); 掃描； 指向性

中圖分類(lèi)號(hào)：

TN957.5234

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1004373X(2012)05

0012

03

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Implementation and research on digital beam scanning of 

ad hoc network for ultra wideband radar

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ZHANG Lin1， CHEN Feng2

(1.Nanjing University of Science Technology， Nanjing 210014， China； 2.Nanjing 28th Institute， CETC， Nanjing 210014， China)

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Abstract：

The simple principle and characteristics of ad hoc network for ultra wideband radar are introduced， the realization on digital beam forming scanning of ad hoc network for ultra wideband radar is analyzed， the side lobe and the low gain caused by the array time delay can be solved. Simulation results show that the method can gain a better performance of beam direction， and suppress side lobe well.

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Keywords： DBF; UWB radar; scan; direction

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收稿日期：20110831

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金(61071145)；博士點(diǎn)基金(200802880014)資助項(xiàng)目

0 引 言

超寬帶信號(hào)相對(duì)帶寬與中心頻率之比大于25%，而現(xiàn)代傳統(tǒng)雷達(dá)的頻帶與中心頻率之比通常不超過(guò)10%。由于超寬帶雷達(dá)占據(jù)相對(duì)極寬的頻率范圍，其信號(hào)處于諧振區(qū)和瑞利區(qū)，具有較高的軍事應(yīng)用價(jià)值，因此成為國(guó)內(nèi)外研究熱點(diǎn)之一。

超寬帶雷達(dá)自組網(wǎng)是利用超寬帶信號(hào)進(jìn)行地面探測(cè)，可以任意移動(dòng)的，在任意時(shí)間都可工作的具有分布式架構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，對(duì)分布式結(jié)構(gòu)，采用統(tǒng)一的時(shí)間基準(zhǔn)，對(duì)各雷達(dá)上報(bào)的航跡數(shù)據(jù)在時(shí)間上進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)。在雷達(dá)網(wǎng)的數(shù)據(jù)融合處理中，對(duì)分布式數(shù)據(jù)處理中的航跡進(jìn)行關(guān)聯(lián)，可采用統(tǒng)計(jì)假設(shè)檢驗(yàn)方法、模糊航跡關(guān)聯(lián)方法或多維分配方法。

在超寬帶雷達(dá)自組網(wǎng)中對(duì)于近距離的探測(cè)，可以采用相對(duì)位置進(jìn)行定位。由于沒(méi)有中心處理站，不需要UWB信息傳輸處理，但是可以利用UWB信號(hào)作為載體，在接收時(shí)，可以解調(diào)出UWB波形。對(duì)于直達(dá)波可以很好地抑制?；赨WB信號(hào)的接收陣列，通過(guò)控制時(shí)延及其分?jǐn)?shù)時(shí)延補(bǔ)償，對(duì)單信號(hào)或是多信號(hào)形成波束并在期望方向上進(jìn)行掃描，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的檢測(cè)與定位。

1 UWB雷達(dá)自組網(wǎng)接收陣列的數(shù)字波束形成掃描技術(shù)研究及實(shí)現(xiàn)

1.1 UWB雷達(dá)自組網(wǎng)的均勻陣列信號(hào)處理技術(shù)

基于時(shí)延控制的UWB陣列天線基本框架如圖1所示。以一維N個(gè)等距為d排列的接收陣列天線為例，假設(shè)各個(gè)脈沖輻射天線單元是全向性天線輻射，所以對(duì)于遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)域，輻射信號(hào)源近似平行波，與法線成θ夾角方向。每個(gè)陣元接收信號(hào)后， 由于都存在一定的時(shí)延，對(duì)各通道的接收信號(hào)再進(jìn)行時(shí)延補(bǔ)償，便可以在期望方向上形成波束進(jìn)行掃描。

圖1 可調(diào)延時(shí)線的接收陣列結(jié)構(gòu)

1.2 UWB雷達(dá)接收陣列的數(shù)字波束形成設(shè)計(jì)方案

UWB雷達(dá)接收陣列的數(shù)字波束形成是對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化采樣而形成波束的，信號(hào)先經(jīng)過(guò)MF(Match Filter)抑制噪聲，RF(Restoration Filter)脈沖整形，利用斜坡處理器(Slope Processor)可估計(jì)出入射方向θ，此時(shí)延遲調(diào)整器(Delay Adjust Computer)接收到一個(gè)電壓信號(hào)，更根據(jù)θ產(chǎn)生一個(gè)新的電壓信號(hào)，估計(jì)出各個(gè)陣元需要補(bǔ)償?shù)臅r(shí)延誤差，并可以實(shí)時(shí)調(diào)整。經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)化高速采樣后，由于在時(shí)域上產(chǎn)生的時(shí)延誤差，對(duì)于這種可變時(shí)延電路的精確補(bǔ)償可以分為整數(shù)時(shí)延和分?jǐn)?shù)時(shí)延補(bǔ)償，使各個(gè)接收陣列的輸出先經(jīng)過(guò)數(shù)字延時(shí)線，實(shí)現(xiàn)整數(shù)倍采樣間隔的時(shí)延補(bǔ)償，然后再利用具有線性相位的FIR濾波器來(lái)補(bǔ)償分散的小數(shù)時(shí)延。輸出信號(hào)則會(huì)在期望方向上形成波束。

圖2中，選第0個(gè)陣列為參考信號(hào)，陣列中相鄰陣列接收到信號(hào)的時(shí)間差：



Δτ(θ)=dsin θc

(1)



式中：d為陣列距離;c為真空光速；θ為入射角；Δτ是相鄰間的時(shí)延；DL為數(shù)字延遲線；FD為分?jǐn)?shù)延遲線；則第i個(gè)陣列(相對(duì)于參考信號(hào))的時(shí)延為:

接收到的信號(hào)，經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換，高速數(shù)字化采樣處理，采樣周期為T。

再經(jīng)過(guò)每個(gè)通道的數(shù)字延遲線和FIR延遲補(bǔ)償濾波器對(duì)采樣后的信號(hào)

x(i)= x(t-Δτi(θ))施加一個(gè)時(shí)延補(bǔ)償Δτi～，當(dāng)Δτi～的選擇與θ0方向有如下關(guān)系，便在方向θ0形成波束：

當(dāng)在方向θ0形成波束時(shí)，即對(duì)每個(gè)通道上對(duì)來(lái)自θ0方向上的信號(hào)實(shí)現(xiàn)了完全的時(shí)延補(bǔ)償，同時(shí)陣列獲得了最大的輸出功率。陣列的輸出相應(yīng)為各個(gè)通道的輸出相加之和。故輸出信號(hào)相加：



y(t，θ)=∑Ni=0x(t－Δτi(θ)+Δτ～i) 

＝∑Ni=0xt+idc(sin θ0－sin θ)

(5)



當(dāng)θ＝θ0時(shí)，便可形成波束指向，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)時(shí)域波束掃描。

2 仿真結(jié)果 

采用高斯脈沖信號(hào)作為超寬帶雷達(dá)自組網(wǎng)的信號(hào)源，其脈沖信號(hào)的輸入形式、自相關(guān)函數(shù)及能量譜密度如圖3所示。

圖3 超寬帶雷達(dá)自組網(wǎng)脈沖信號(hào)的

輸入形式、自相關(guān)函數(shù)及能量譜密度

將高斯脈沖信號(hào)產(chǎn)生的時(shí)延控制陣列波束形和傳統(tǒng)的相控陣列中正弦信號(hào)產(chǎn)生波束形成做比較，由仿真結(jié)果比較可以得到，在天線間距d=0.3 cm，陣元數(shù)M=11，期望方向?yàn)?°時(shí)，圖4中上圖沒(méi)有旁瓣而且波束方向很好，圖4中下圖有旁瓣且波束展寬較寬。

圖4 高斯脈沖信號(hào)時(shí)延控制陣列波束形和

相控陣列正弦信號(hào)波束形成的比較

圖5為在d=cΔT/2，cΔT，3cΔT/2，2cΔT不同情況下的高斯脈沖信號(hào)作為信號(hào)源的峰值幅度方向圖。由仿真結(jié)果可以看出，其方向性仍很好且沒(méi)有旁瓣，所以超寬帶信號(hào)的陣列距離不受限制，這比傳統(tǒng)相控陣的陣列距離在d≤cΔT/2情況下將不出現(xiàn)柵瓣有很大的改進(jìn)。

(高斯脈沖信號(hào)作為信號(hào)源)

3 結(jié) 論

DBF技術(shù)在軍用雷達(dá)和無(wú)線通信領(lǐng)域已得到了廣泛的應(yīng)用。隨著雷達(dá)和通信領(lǐng)域超寬帶技術(shù)的發(fā)展，利用相控陣?yán)走_(dá)相位控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)波束形成已無(wú)法滿足UWB雷達(dá)的帶寬需求。利用精確的時(shí)延補(bǔ)償技術(shù)，可以克服不同時(shí)延帶來(lái)的一系列問(wèn)題，獲得更好的波束方向和更佳的抑制旁瓣能力。

參 考 文 獻(xiàn)

［1］王敏，吳順君，楊淑媛.UWB脈沖信號(hào)的時(shí)域波束形成方法［J］.電波科學(xué)學(xué)報(bào)，2006，21(2):238243.



［2］成超，李會(huì)勇，何子述.基于子陣時(shí)延的數(shù)字陣列寬帶波束形成［J］.雷達(dá)科學(xué)與技術(shù)，2008，6(6)：459465.



［3］李海英，楊汝良.超寬帶雷達(dá)的發(fā)展、現(xiàn)狀及應(yīng)用［J］.遙感技術(shù)與應(yīng)用，2001，16(3)：178183.



［4］王敏，楊淑媛，吳順君.基于多速率濾波器組的UWB脈沖波束形成方法［J］.電子與信息學(xué)報(bào)，2006，28(12)：22142218.



［5］范占春，李會(huì)勇，何子述.基于分?jǐn)?shù)時(shí)延FIR的寬帶數(shù)字陣波束形成［J］.雷達(dá)科學(xué)與技術(shù)，2008，6(6)：450452.



［6］李國(guó)清，張思敏，王培美.DBF技術(shù)在雷達(dá)接收系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.安徽大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，32(1)：4043.



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

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［8］閻秋飛，范國(guó)平，徐朝陽(yáng).線陣數(shù)字波束形成技術(shù)［J］.艦船電子對(duì)抗，2010，33(1)：58.

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［9］HUSSAIN Malek G M. Principles of space time array processing for ultrawideband impulse radar and radio communications \\[J\\]. IEEE Transactions on Vehicular Technology， 2002， 51(3): 393403.



［10］SMITH Julius O. Interpolated delay lines ideal bandlimited interpolation and fractional delay filter design \\[D\\]. Stanford， California: Center for Computer Research in Music and Acoustics Department of Music， Stanford University， 2009.



作者簡(jiǎn)介：

張 琳 女，1986年出生，江西景德鎮(zhèn)人，碩士研究生。主要研究方向?yàn)閁WB波束形成。

陳 峰 男，1983年出生，江蘇徐州人，碩士研究生，工程師。主要研究方向?yàn)橄到y(tǒng)工程。

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(上接第11頁(yè))

故前面的結(jié)論同樣適用于以平均費(fèi)用最低為目標(biāo)的最佳維修間隔期計(jì)算，即:



3 結(jié) 語(yǔ)

維修策略的制定實(shí)際上是建立在系統(tǒng)可靠性工程基礎(chǔ)之上。在制定反艦導(dǎo)彈發(fā)射裝置維修策略時(shí)，必須充分利用該裝備的可靠性論證、設(shè)計(jì)及試驗(yàn)所得到的結(jié)果。在設(shè)備或部件維修方式選擇時(shí)，需要利用其設(shè)計(jì)規(guī)范和該裝備的FMEA分析結(jié)果，這是制定最佳維修策略的基礎(chǔ)。

最佳維修時(shí)間的確定依賴(lài)于對(duì)設(shè)備或部件故障模型的了解。在已知設(shè)備或部件可靠性分布的基礎(chǔ)上，才可能確定最佳維修時(shí)間。但實(shí)際上，反艦導(dǎo)彈發(fā)射裝置的維修策略需要在其裝備部隊(duì)時(shí)制定，此時(shí)，設(shè)備或部件的可靠性信息較少，甚至沒(méi)有。為了解決上述矛盾，可廣泛收集設(shè)備或部件的有關(guān)使用信息和專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)信息，利用這些信息制定關(guān)鍵設(shè)備或部件的維修時(shí)間，作為反艦導(dǎo)彈發(fā)射裝置初期使用的維修策略。隨著設(shè)備或部件的使用信息積累，可進(jìn)一步對(duì)其維修方式和維修時(shí)間進(jìn)行確定，以獲得最佳維修策略。

參 考 文 獻(xiàn)

［1］張鈞聲．維修性工程理論與應(yīng)用［M］．北京：昆侖出版社，1988.



［2］王宏濟(jì)．維修性設(shè)計(jì)指導(dǎo)［M］．北京：昆侖出版社，1988.



［3］單志偉．裝備綜合保障工程［M］．北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2007.



［4］李相平，李世忠，張剛.反艦導(dǎo)彈毫米波主被動(dòng)復(fù)合制導(dǎo)導(dǎo)引頭設(shè)計(jì)探討［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2008，31(3):4345.



［5］邱鵬宇，吳京.反艦導(dǎo)彈末制導(dǎo)雷達(dá)的功能仿真［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2006，29(6):4042.

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［6］時(shí)和平，韓桃，許顏暉.基于模糊綜合評(píng)判方法的裝備維修人員保障能力評(píng)估\\[J\\].現(xiàn)代電子技術(shù)，2008，31（1）：9698.

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作者簡(jiǎn)介：

張彥忠 男，1965年出生，吉林白城人，高級(jí)工程師。從事導(dǎo)彈發(fā)控專(zhuān)業(yè)試驗(yàn)與研究。