袁 駿，張 衛(wèi)，胡金華，游 波

（海軍工程大學水聲電子工程軍隊重點實驗室，湖北武漢 430033）

“陣列處理技術(shù)”課程是海軍工程大學針對本校電子工程專業(yè)高年級本科生開設的一門專業(yè)基礎課。數(shù)字多波束形成技術(shù)是陣列處理的核心技術(shù)之一［1－2］，它是現(xiàn)代信號處理技術(shù)和計算機技術(shù)巧妙結(jié)合的產(chǎn)物。數(shù)字波束形成的優(yōu)劣幾乎決定了后置信號處理（信號檢測、目標跟蹤等）的性能［3－4］。在實際教學過程中，學生對多波束形成的基本原理都能準確把握，但是對工程實現(xiàn)途徑和圓形陣列的掌握，普遍存在困難甚至錯誤；而教材中展示的圖片只描繪了某個時刻的系統(tǒng)狀態(tài)，無法體現(xiàn)系統(tǒng)分時、依次產(chǎn)生單波束并形成多波束的動態(tài)過程，使學生缺乏感性認識。

為此，本文借助Matlab軟件強大的數(shù)值計算和繪圖功能，采用圖形用戶界面編程方式［5－9］，開發(fā)了圓陣寬帶多波束形成仿真實驗平臺，幫助學生在課堂和課后理解課程相關(guān)內(nèi)容，從而提高課堂教學效率，豐富課程實驗項目，進一步深化課程的教學改革。

1 實驗內(nèi)容原理

波束的形成，是使基陣各陣元信號在時間上相同（寬帶信號）或相位上同相（窄帶信號），經(jīng)疊加后獲得最大波束信號輸出，形成預定方向的指向特性。在工程設計中，圓柱陣是典型的基陣樣式。根據(jù)Bridge乘積定理，可將圓柱陣等效為水平圓陣來研究。同時出于提高基陣抗干擾能力和改善指向性的考慮，設計者都采用基陣內(nèi)加后擋的形式。所以，利用圓陣進行波束形成時，一般只使用圓陣上一段圓弧的陣元［10］，如圖1所示。圖中采用16元均勻圓陣的7個陣元形成一個波束。為了提高目標探測的搜索速度，實現(xiàn)全景顯示，往往采用多波束方式，即在水平探測范圍內(nèi)同時形成多個波束（也稱為預成波束）。

圖1 圓陣波束形成示意圖

工程實現(xiàn)寬帶多波束時，為了降低電路復雜度，提高設備可靠性，對處理流程進行了科學的設計［11－12］。

首先，將采樣后的N 路陣元信號同時進行采樣保持，得到各路離散信號，如圖2（a）所示。

其次，N 路陣元同一時刻的采樣值以T0＝Ts／N為間隔依次排列在一個采樣周期Ts內(nèi)（稱為一節(jié)），混合成串行信號，如圖2（b）所示。

圖2 N 元基陣時空混合處理示意圖

再次，串行信號經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后進入橫向濾波器式延時補償電路，移位時鐘頻率為N／Ts，根據(jù)預先計算好的延時量，從電路中抽取參加波束形成的陣元信號，如圖3所示。其中，波束方向設定為圓心與陣元1的連線方向，以1號陣元為參考基準，其延時為零；2號和N 號陣元延時相等，抽頭假設都位于第i節(jié)，以此類推。

最后，將各延時抽頭相加形成一路波束信號。在移位時鐘的作用下，下一個時刻，同樣抽頭的輸出信號相加形成下一個波束信號，依此類推，就完成了多波束形成。

圖3 延遲抽頭示意圖

2 仿真實驗平臺設計

圓陣寬帶多波束形成仿真實驗平臺主要用于動態(tài)再現(xiàn)從陣元輸入到波束輸出的整個信號處理流程，分別仿真了16 元離散均勻圓陣的時間采樣／保持、時空混合、橫向濾波器式寬帶多波束形成等重要處理環(huán)節(jié)，并仿真了基于波束域信號的信號檢測后置處理環(huán)節(jié)，使處理流程更加完善，整個處理流程如圖4所示。

圖4 仿真實驗平臺信號流程圖

在仿真實驗平臺的主界面布置了觀測按鍵，用戶通過點擊此按鍵，就能以子界面的方式觀測處理結(jié)果；在主界面設有參數(shù)設置區(qū)（分別設定目標信號的方向和信噪比）、實驗平臺操作說明、系統(tǒng)狀態(tài)提示欄和實驗平臺的控制按鍵。

仿真實驗平臺操作簡便，主要步驟為：（1）用戶在主界面設置信號方向和信噪比等參數(shù)；（2）點擊“開始”后，程序在后臺運行；（3）用戶點擊信號流程中的各處理按鍵，可通過彈出的子界面觀測處理后的信號。

為了清晰闡明圓陣寬帶多波束的實現(xiàn)機理，所有信號處理都采用動態(tài)形式顯示，增強了仿真的實時性和真實感。同時，仿真過程中，用戶可隨時暫停、復位程序，利用Matlab自帶的放大、縮小圖形工具進行靜態(tài)觀察，有利于課堂的講解和課后學生的獨立思考。

3 仿真及結(jié)果

程序運行后，點擊“陣元接收信號”按鍵，可觀測到16路陣元信號波形，且接收到和未接收到的目標信號（加擋引起的）的陣元分別用不同的顏色來區(qū)分。點擊“采樣保持”按鍵，仿真了經(jīng)采樣保持后的16路陣元信號，如圖5所示。為了便于學生對信號時空混合處理的理解，此處采用圖形對比度遞減的方法來顯示陣元1至16的信號波形，其中陣元1、8和16還分別用不同的顏色來表示。

點擊“時空混合”按鍵，仿真了16路空域信號變換為1路時域信號的處理效果，如圖6所示。在每個采樣周期Ts內(nèi)（每相鄰兩條豎線之間），16路信號以T0時長依次排列，圖形對比度漸弱，十分便于學生觀測。

圖5 16路采樣保持后信號波形

圖6 時空混合后的串行信號截屏圖

點擊“波束形成”按鍵，仿真了橫向濾波器式波束形成的效果，如圖7所示。圖6中的串行信號每向左移動1個單位（T0），相應地動態(tài)形成一個波束（見圖7）。當串行信號移動16個單位（Ts）后，圖7中就形成了16個波束，完成一次多波束形成。在實際教學中，可先引導學生推導各陣元的信號延時量，明確輸出抽頭的位置，再利用仿真平臺進行動態(tài)演示。通過該仿真實驗，使利用語言和圖片難以講清的原理和技術(shù)易于被學生深刻地理解。

通過點擊“波束域信號”按鍵，仿真了16路波束域信號的波形，如圖8所示。指向目標方向（圖中目標方位設置為0度，即波束1的方向）的波束信號幅度大于其他的波束信號，從而驗證了波束形成能實現(xiàn)空間濾波的觀點。

圖7 波束形成示意圖

最后，通過點擊“檢波積分”按鍵，仿真了對16路波束信號進行信號檢測的效果，如圖9所示。其中，豎線代表了真實的目標方位，16路波束域信號檢波積分結(jié)果用“○”表示，峰值位置代表檢測得到的目標方位。在仿真過程中，用戶可以隨時調(diào)節(jié)主界面上的目標方位和信噪比參數(shù)，仿真的結(jié)果會實時更新，從而提高了仿真平臺的靈活性和連貫性。

圖8 波束域信號波形

圖9 檢波積分處理后方位－幅度顯示

4 結(jié)論

實踐證明：通過將圓陣寬帶多波束形成仿真實驗平臺應用于課程教學中，有利于教師對多波束形成原理和工程實現(xiàn)技術(shù)等相關(guān)知識點的講解，有利于學生的理解，提高了課堂教學效率，激發(fā)了學生的學習興趣，同時也為學生的課后復習和實驗提供了良好的平臺，對該課程的教學是一個十分有益的補充。

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