張玉喜,喬克婷,蔣迺倜,楊志坤

(1．中國船舶重工集團公司第七二四研究所,南京 211153；2. 南京工業(yè)大學(xué) 浦江學(xué)院,南京210000)

多功能可擴展DBF方法研究

張玉喜1,喬克婷2,蔣迺倜1,楊志坤1

(1．中國船舶重工集團公司第七二四研究所,南京 211153；2. 南京工業(yè)大學(xué) 浦江學(xué)院,南京210000)

介紹一種多功能可級聯(lián)數(shù)字波束形成系統(tǒng)的設(shè)計方法。從原理上闡述了DBF過程的分解方法,并在此基礎(chǔ)上設(shè)計可級聯(lián)可擴展DBF系統(tǒng),重點描述標(biāo)準(zhǔn)DBF模塊設(shè)計方法、DBF合成工作原理和級聯(lián)設(shè)計方法,并介紹了子陣化DBF設(shè)計。通過對級聯(lián)DBF過程的時間分析,明確該方法具有很高的系統(tǒng)時效性,具備較好的工程實現(xiàn)性,為相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)設(shè)計提供了一種高效的多功能DBF實現(xiàn)方法。

相控陣?yán)走_(dá)；DBF；可級聯(lián)；子陣波束形成

0 引 言

數(shù)字化多功能寬帶相控陣?yán)走_(dá)可對各類復(fù)雜目標(biāo)和作戰(zhàn)環(huán)境進行靈活搜索與精確探測,是現(xiàn)代戰(zhàn)爭中掌握戰(zhàn)場詳細(xì)態(tài)勢的重要手段。基于數(shù)字多通道合成技術(shù)的波束形成器是相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)的重要組成部分,是提高雷達(dá)探測與抗干擾能力的有效手段之一。傳統(tǒng)的相控陣?yán)走_(dá)DBF系統(tǒng)合成通道規(guī)模固定,其利用數(shù)字移相器實現(xiàn)對陣元之間的信號進行相位修正與補償,從而完成波束的空間掃描。該方法針對固定的天線孔徑實現(xiàn)窄帶信號的波束形成,針對天線孔徑擴展或子陣化設(shè)計時不能快速有效地重構(gòu)和剪裁,無法對瞬時寬帶信號進行有效的寬角掃描,不利于多功能寬帶雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計。本文提出一種多功能可級聯(lián)數(shù)字波束形成系統(tǒng)的設(shè)計方法,對孔徑擴展/剪裁和寬窄帶信號均具有適應(yīng)能力,通過系統(tǒng)資源的擴展/剪裁以適應(yīng)不同孔徑、多子陣、不同瞬時帶寬的相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)的需求,實現(xiàn)相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)的模塊化與軟件化設(shè)計。

1 原 理

在相控陣系統(tǒng)中,線陣第一個陣元接收的信號為

第n個陣元接收的信號為

其中τn=(n-1)dsinθ/C,相鄰單元的相位差為

令w(θ)=[1e-jφ...e-j(n-1)φ]。在任意θ方向上陣列單元輸出信號為

天線方向函數(shù)為

在平面相控陣天線中,二維相控陣的天線在方位為φ、仰角為θ的第k個天線單元與第(0,0)參考天線單元的陣內(nèi)相位差

其中

方向函數(shù)可以表示為

(1)

其中

根據(jù)方向圖函數(shù),改變相鄰天線單元之間的相位差,即陣內(nèi)相位差,可實現(xiàn)天線波束的掃描。陣元接收到的信號記為Xi=XIi+j*XQi,DBF加權(quán)系數(shù)記為Wi=WIi+j*WQi,窄帶DBF運算表示為

(2)

(3)

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 標(biāo)準(zhǔn)DBF模塊設(shè)計

標(biāo)準(zhǔn)DBF模塊是一個輸入/輸出接口標(biāo)準(zhǔn)化、計算過程通用化的標(biāo)準(zhǔn)化模塊,其核心器件采用高性能、大規(guī)模的FPGA模塊,核心算法采用通用化DBF合成算法,包括窄帶移相DBF算法和寬帶時延濾波器等通用算法。標(biāo)準(zhǔn)DBF模塊具有8對高速光纖接口實現(xiàn)對多組T/R下行I/Q數(shù)據(jù)進行接收、校驗、同步與緩存,同時具有16路對外輸出的高速串行接口,采用背板高速走線輸出,最高線速率達(dá)到5Gbps。

標(biāo)準(zhǔn)DBF模塊通過FPGA邏輯電路實現(xiàn)DBF功能。模塊根據(jù)系統(tǒng)工作方式選擇DBF的實現(xiàn)途徑。寬帶工作方式下,模塊采用寬帶時延濾波器+移相累加的方法實現(xiàn)波束合成。窄帶工作方式下,DBF采用移相累加方法。標(biāo)準(zhǔn)DBF模塊具備同時8波束的合成能力。高速串行接口實現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)DBF模塊間數(shù)據(jù)的交互傳輸。利用高速緩存和通用合成流程實現(xiàn)兩級DBF之間的數(shù)據(jù)合成。標(biāo)準(zhǔn)DBF模塊輸入與輸出的數(shù)據(jù)按照數(shù)據(jù)速率分類規(guī)范設(shè)計,制定相應(yīng)的數(shù)據(jù)格式,實現(xiàn)輸入/輸出接口的規(guī)范化與通用化,其功能見圖 1所示。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)DBF模塊功能框圖

2.2 DBF流程設(shè)計

DBF合成系統(tǒng)利用多個標(biāo)準(zhǔn)DBF模塊級聯(lián)實現(xiàn)對多個通道I/Q數(shù)據(jù)的多波束合成。針對窄帶信號,需將接收到的I/Q數(shù)據(jù)與相應(yīng)的DBF移相系數(shù)進行復(fù)數(shù)乘、加運算。針對寬帶信號,采用時延法完成通道間相位對齊,即寬帶通道I/Q信號進行整數(shù)倍延時,再通過FIR分?jǐn)?shù)延時濾波器進行分?jǐn)?shù)時延,得到的多通道相位對齊數(shù)據(jù)通過復(fù)數(shù)相加后形成寬帶DBF結(jié)果。

每個陣元的下行數(shù)據(jù)都需通過一個8階FIR數(shù)延時濾波器,節(jié)拍延時為T,波束形成權(quán)值為二維矢量,記第n(n=0,…N-1)個陣元上的FIR濾波器的第m(m=0,…M-1)個節(jié)拍對應(yīng)的權(quán)系數(shù),則時域?qū)拵Рㄊ纬蓹?quán)值為一個MN×1維列矢量,流程如圖 2所示。

圖2 時域FIR濾波器結(jié)構(gòu)

多波束DBF合成過程在FPGA內(nèi)部實現(xiàn)。根據(jù)系統(tǒng)工作方式按照窄帶移相或?qū)拵r延的方法同時完成多個波束的合成計算,同時合成的波束數(shù)由FPGA模塊的數(shù)據(jù)輸入/輸出能力以及內(nèi)部乘法器與邏輯資源的數(shù)量同時決定。對于窄帶DBF而言,DBF過程只需將I/Q數(shù)據(jù)與相應(yīng)的窄帶DBF移相系數(shù)相乘。對于寬帶DBF則需要進行3次運算。首先,類似窄帶DBF的移相過程進行空間相位補償；然后,進行時鐘整數(shù)倍延時,這一過程只需對移相后的I/Q值延時整數(shù)周期個時鐘即可；最后,將整數(shù)延時后的結(jié)果送往FIR型分?jǐn)?shù)延時濾波器進行分?jǐn)?shù)時延,得到的數(shù)據(jù)復(fù)數(shù)相加后形成寬帶DBF結(jié)果。對于同時多波束的計算需選擇不同系數(shù)同時進行多次上述運算,流程如圖 3所示

圖3 合成器原理框圖

3 系統(tǒng)設(shè)計

3.1 級聯(lián)系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)上述DBF原理公式(1)與公式(2)不難得知,無論線陣或是面陣,窄帶信號還是瞬時寬帶信號,DBF計算過程都是對每個通道的I/Q信號進行移相/時延后復(fù)數(shù)計算。因此,將多通道陣列接收到的I/Q信號按照依次對應(yīng)分配到多個級聯(lián)的標(biāo)準(zhǔn)DBF模塊中,同時模塊間處理結(jié)果串行級聯(lián)合并,從而得到DBF合成結(jié)果。這樣,通過DBF標(biāo)準(zhǔn)模塊級聯(lián)數(shù)目的控制,即可適應(yīng)不同規(guī)模天線孔徑/子陣化合成需求,從而增強了DBF處理設(shè)計的靈活性。

為實現(xiàn)DBF處理器的通用化,需保證DBF模塊輸入/輸出接口的標(biāo)準(zhǔn)化。這里主要從傳輸速率、傳輸協(xié)議、處理流程以及測試性等方面考慮,具體設(shè)計如下：

(1) 輸入與輸出光纖速率的標(biāo)準(zhǔn)化,提供2、2.5、3.125、5Gbps等4種光纖數(shù)據(jù)率；

(2) 報文協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)化,規(guī)定報文頭以及數(shù)據(jù)報文的格式,明確報文頭每個字段的含義,數(shù)據(jù)報文必須按照數(shù)據(jù)速率分類規(guī)范設(shè)計；

(3) 處理流程標(biāo)準(zhǔn)化,根據(jù)報文頭提供的工作模式選擇相應(yīng)的處理方式,并將本級DBF結(jié)果按要求輸出；

(4) 測試手段標(biāo)準(zhǔn)化,數(shù)據(jù)報文內(nèi)包含數(shù)據(jù)校驗位,可對傳輸數(shù)據(jù)鏈路的可靠性實時監(jiān)測,模塊具備自檢能力,在自檢模式下能夠快捷判斷每個DBF模塊的工作狀態(tài)。

標(biāo)準(zhǔn)DBF模塊可實現(xiàn)8個下行通道的合成。DBF模塊之間通過符合VPX規(guī)范的插箱背板級聯(lián)。處于多個VPX電子插箱的DBF模塊通過光纖級聯(lián)。級聯(lián)可擴展的DBF帶來的群延時隨著標(biāo)準(zhǔn)DBF模塊數(shù)量的增加而增加。每個標(biāo)準(zhǔn)DBF模塊的群延時在0.6μs內(nèi),總的群延時控制在μs量級?？杉壜?lián)的數(shù)字波束形成處理器原理圖如圖 4所示。

圖4 級聯(lián)DBF原理圖

3.2 子陣化系統(tǒng)設(shè)計

按照子陣波束形成的復(fù)雜程度設(shè)計3種子陣化DBF的方法,以適應(yīng)子陣化的相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)的需求：

(1) 當(dāng)劃分子陣數(shù)目為M、每個子陣需同時形成的波束數(shù)為N且MN≤8時,類似全陣按通道部分DBF合成方法,都在一個標(biāo)準(zhǔn)DBF模塊中完成,形成8個波束。不同的波束可對應(yīng)不同子陣。針對子陣規(guī)模在相應(yīng)波束合成中采用對應(yīng)子陣通道系數(shù)。不參與子陣合成的通道系數(shù)置為零,如圖 5所示。通道1～4對應(yīng)子陣A,子陣A對應(yīng)波束的DBF系數(shù)只有1～4通道有值,其余系數(shù)賦0。這種方法只適用于子陣數(shù)較少且每個子陣同時形成的波束數(shù)也較少的情況。

圖5 DBF系數(shù)與通道的關(guān)系

(2) 當(dāng)陣面劃分為多個子陣、每一子陣需同時形成的波束數(shù)為N且N≤8時,每個子陣對應(yīng)一定數(shù)量的標(biāo)準(zhǔn)DBF模塊。在子陣最后一級DBF模塊處選擇由光纖組輸出DBF結(jié)果至子陣信號處理單元。多個子陣對應(yīng)多個子陣信號處理單元。子陣數(shù)字波束形成原理如圖 6所示。

圖6 子陣化DBF原理圖

(3) 當(dāng)每個子陣需同時形成的波束數(shù)N大于8時,需利用光分配器件。將T/R組件的下行I/Q數(shù)據(jù)分配到多([N/8])組子陣DBF合成器中,每組DBF合成方法同(2)。

4 結(jié)束語

針對大瞬時帶寬多功能相控陣?yán)走_(dá)對不同規(guī)?？讖降耐ㄓ没铣商幚淼男枨?本文提出了一種多功能可級聯(lián)數(shù)字波束形成系統(tǒng)設(shè)計方法,通過分解數(shù)字波束形成處理流程,制定分級的合成策略,實現(xiàn)DBF系統(tǒng)的隨面陣通道數(shù)的擴展與剪裁；通過標(biāo)準(zhǔn)DBF模塊的級聯(lián)配置可實現(xiàn)對不同孔徑規(guī)模的合成處理；通過DBF系數(shù)的合理配置以及標(biāo)準(zhǔn)DBF模塊的選擇性輸出,實現(xiàn)了子陣化DBF處理。本設(shè)計以標(biāo)準(zhǔn)化、通用化的軟硬件設(shè)計和低的軟硬件開發(fā)成本實現(xiàn)適配不同場景的應(yīng)用,以較高的計算效能完成各種不同任務(wù),通過參數(shù)化靈活配置實現(xiàn)數(shù)字波束形成的任務(wù)重構(gòu),為相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)設(shè)計提供了一種高效的多功能DBF實現(xiàn)方法,具有工程實踐意義。

[1] 張光義,趙玉潔.相控陣?yán)走_(dá)技術(shù)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2007.

[2] 范占春,李會勇,等.基于分?jǐn)?shù)時延的寬帶數(shù)字陣列波束形成[J].雷達(dá)科學(xué)與技術(shù),2008(6):450-453.

[3] 賈艷紅.寬帶數(shù)字陣實時延時技術(shù)[D].電子科技大學(xué),2007:8-12.

[4] 向敬成,張明友.雷達(dá)系統(tǒng)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2006.

[5] Wang H, Kaveh M. Coherent signal subspace processing for the detection and estimation of angles of arrival of multiple wide-band sources[J]. IEEE Trans. on Acoust , Speech and Signal Processing, 1985, 33: 823-831.

Research on a multi-function scalable DBF method

ZHANG Yu-xi1, QIAO Ke-ting2, JIANG Nai-ti1, YANG Zhi-kung1

(1. No.724 Research Institute of CSIC, Nanjing 211153;2. Nanjing Tech University Pujiang Institute, Nanjing 210000)

A multi-function cascadable DBF system is designed. Based on the decomposition method of the DBF process described in principle, the cascadable and scalable DBF system is designed with emphasis on the working principle of the DBF synthesis, and the design of the standard DBF module and the cascade. The sub-array DBF is also designed. With the analysis of the time of the cascaded DBF process, it is verified that the method features high timeliness and good engineering realization, providing an efficient multi-function DBF method for the phased array radar system.

phased array radar; DBF; cascade; sub-array DBF

2016-12-20；

2017-01-04

張玉喜(1979-),男,碩士,工程師,研究方向：雷達(dá)總體；喬克婷(1984-),女,工程師,碩士,研究方向：計算機應(yīng)用；將廼倜(1984-),男,工程師,碩士,研究方向：信號處理；楊志坤(1987-),男,工程師,碩士,研究方向：雷達(dá)總體。

TN911.7

A

1009-0401(2017)01-0026-04