戴 健，顧 峰，徐朝陽(yáng)

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二三研究所,江蘇 揚(yáng)州 225001)

一種驗(yàn)證數(shù)字多波束形成的方向圖測(cè)試法

戴 健，顧 峰，徐朝陽(yáng)

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二三研究所,江蘇 揚(yáng)州 225001)

針對(duì)工程實(shí)踐中數(shù)字多波束形成方法的正確性不易驗(yàn)證，提出了一種基于方向圖測(cè)試的數(shù)字多波束形成驗(yàn)證方法，模擬4個(gè)不同方位、俯仰的固定目標(biāo)，利用天線(xiàn)對(duì)其進(jìn)行方位、俯仰多層掃描，獲取水平方向圖和俯仰方向圖。結(jié)果表明方向圖測(cè)試法能夠驗(yàn)證數(shù)字多波束偏移角度與權(quán)值系數(shù)的正確性，較好地解決了工程中數(shù)字多波束形成驗(yàn)證問(wèn)題。

數(shù)字多波束形成；方向圖；相控陣?yán)走_(dá)

0 引 言

數(shù)字波束形成技術(shù)是在原來(lái)模擬波束形成原理的基礎(chǔ)上，引入先進(jìn)的數(shù)字信號(hào)處理方法后建立起來(lái)的一門(mén)新技術(shù)[1]。它屬于陣列信號(hào)處理范疇，充分利用了陣列天線(xiàn)所檢測(cè)到的空間信息，方便地獲得超分辨和低分辨的性能，實(shí)現(xiàn)波束掃描、自校準(zhǔn)和自適應(yīng)波束形成等。正是由于以上特點(diǎn)，在雷達(dá)面臨的日益復(fù)雜的電磁環(huán)境和四大威脅下，數(shù)字波束形成技術(shù)顯現(xiàn)出巨大的潛力。數(shù)字波束形成技術(shù)的成功應(yīng)用，將雷達(dá)技術(shù)帶上了一個(gè)新高度。

隨著戰(zhàn)爭(zhēng)環(huán)境的信息化、復(fù)雜化，對(duì)雷達(dá)的技術(shù)及功能要求越來(lái)越高，相控陣?yán)走_(dá)應(yīng)運(yùn)而生[2]。相控陣?yán)走_(dá)具有多功能、多目標(biāo)跟蹤和多種工作方式等優(yōu)點(diǎn)，這些優(yōu)點(diǎn)的發(fā)揮以及相控陣?yán)走_(dá)戰(zhàn)術(shù)性能的提高，在很大程度上都與數(shù)字多波束形成能力有關(guān)[3]。在數(shù)字多波束形成相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)中，由于現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)和數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)具有靈活性和可擴(kuò)展性，所以工程實(shí)踐中，數(shù)字多波束形成一般是通過(guò)FPGA或者DSP用軟件實(shí)現(xiàn)的，但FPGA和DSP數(shù)據(jù)導(dǎo)出不易，無(wú)法對(duì)數(shù)字多波束形成方法及效果進(jìn)行分析和驗(yàn)證，而致力于解決上述問(wèn)題的驗(yàn)證方法的研究，鮮見(jiàn)報(bào)道。

本文提出了基于方向圖測(cè)試這一傳統(tǒng)手段，應(yīng)用于工程實(shí)踐中數(shù)字多波束形成方法及效果的驗(yàn)證。利用系統(tǒng)實(shí)時(shí)調(diào)試工具將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)導(dǎo)入到MATLAB中，形成方向圖來(lái)驗(yàn)證工程中數(shù)字多波束形成的效果，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了該方法能快速有效地驗(yàn)證數(shù)字多波束形成正確性，較好地解決工程中數(shù)字多波束形成驗(yàn)證問(wèn)題。

1 基于方向圖測(cè)試的數(shù)字多波束形成驗(yàn)證法

1.1 系統(tǒng)組成模塊

本系統(tǒng)組成模塊如圖1所示,主要包括天線(xiàn)掃描模擬模塊、目標(biāo)模擬模塊、多波束形成模塊和信號(hào)處理模塊。

(1) 天線(xiàn)掃描模塊，模擬天線(xiàn)波束指向的掃描，當(dāng)前天線(xiàn)波束指向信息包括當(dāng)前天線(xiàn)方位角、仰角等信息。

(2) 目標(biāo)模擬模塊，模擬一個(gè)目標(biāo)，所模擬的目標(biāo)信息包括模擬目標(biāo)的距離、方位角、仰角、徑向速度、幅度等信息。

(3) 數(shù)字多波束形成模塊，根據(jù)天線(xiàn)波束指向信息、模擬的目標(biāo)信息以及設(shè)計(jì)的數(shù)字多波束權(quán)值，產(chǎn)生數(shù)字多波束目標(biāo)回波數(shù)據(jù)，由實(shí)部和虛部組成，然后將產(chǎn)生的多波束目標(biāo)回波數(shù)據(jù)傳輸給后端的信號(hào)處理模塊。

(4) 信號(hào)處理模塊，對(duì)數(shù)字多波束回波數(shù)據(jù)進(jìn)行脈沖壓縮、非相參積累等處理，然后提取模擬的目標(biāo)所在的距離單元數(shù)據(jù)，通過(guò)系統(tǒng)實(shí)時(shí)調(diào)試工具導(dǎo)入到MATLAB中，最后通過(guò)MATLAB實(shí)現(xiàn)模擬目標(biāo)的方向圖。

1.2 多波束權(quán)值系數(shù)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的數(shù)字多波束權(quán)值系數(shù)按子陣級(jí)進(jìn)行設(shè)計(jì)，用于形成數(shù)字多波束，詳細(xì)設(shè)計(jì)如下：

(1) 數(shù)字多波束方位角偏移

數(shù)字多波束方位角偏移量Δφ與本系統(tǒng)雷達(dá)工作頻率fRF、陣面水平方向陣元個(gè)數(shù)Ny、水平方向兩陣元間距dy有關(guān)，水平方向兩陣元間距按dy/2布陣,Δφ為：

(1)

式中：λ為雷達(dá)工作頻率對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)。

(2) 數(shù)字多波束俯仰角偏移

終于睜開(kāi)眼了。啪，立刻有東西打在臉上，把我打得又閉上了眼。再睜開(kāi)，就看見(jiàn)明亮的日光燈下，李老黑的閨女李金枝杏眼圓睜怒不可遏，手里握著本花花綠綠的雜志，作勢(shì)又要朝我打過(guò)來(lái)。我兩手護(hù)住臉說(shuō)，等等，這是咋的了，你憑什么打人？

數(shù)字多波束俯仰角偏移量Δθ與本系統(tǒng)雷達(dá)工作頻率fRF、陣面垂直方向陣元個(gè)數(shù)Nz、垂直方向兩陣元間距dz有關(guān)，垂直方向兩陣元間距按dx/2布陣,Δθ為：

(2)

(3) 數(shù)字多波束權(quán)值系數(shù)

數(shù)字多波束權(quán)值系數(shù)為復(fù)數(shù)，本文通過(guò)幅度、相位來(lái)表示，其中幅度值歸一化，相位表示為：

(3)

(4)

(5)

式中：Sz為陣面子陣垂直方向陣元個(gè)數(shù);Sy為陣面水平方向陣元個(gè)數(shù);θ為當(dāng)前天線(xiàn)方位角；φ為當(dāng)前天線(xiàn)仰角。

2 實(shí)驗(yàn)及分析

2.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

實(shí)驗(yàn)分別模擬了4種不同方位角、俯仰角組合的固定目標(biāo)，天線(xiàn)進(jìn)行先方位掃描后俯仰方向掃描的多層掃描方式。實(shí)驗(yàn)比較了4種目標(biāo)所得的水平方向圖和俯仰方向圖，通過(guò)方向圖驗(yàn)證形成的數(shù)字多波束的正確性。實(shí)驗(yàn)中數(shù)字多波束權(quán)值設(shè)計(jì)時(shí)采用了降副瓣處理，模擬的目標(biāo)及天線(xiàn)掃描的波束指向參數(shù)如表1所示。

2.2 數(shù)字多波束方向圖

圖2和圖3分別給出了目標(biāo)方位角、俯仰角為(0°，0°)時(shí)，波束指向多層掃描后所得方位方向圖和俯仰方向圖。

圖4和圖5分別給出了目標(biāo)方位角、俯仰角為(5°，0°)時(shí)，波束指向多層掃描后所得方位方向圖和俯仰方向圖。

圖6和圖7分別給出了目標(biāo)方位角、俯仰角為(0°，5°)時(shí)，波束指向多層掃描后所得方位方向圖和俯仰方向圖。

圖8和圖9分別給出了目標(biāo)方位角、俯仰角為(15°，18°)時(shí)，波束指向多層掃描后所得方位方向圖和俯仰方向圖。

從圖2～圖9看出，針對(duì)模擬的4種不同方位俯仰的目標(biāo)，波束指向方位角、俯仰角掃描到某一角度數(shù)字多波束取得的峰值，詳細(xì)描述如表2所示。

表1 參數(shù)設(shè)置

表2 方向圖分析結(jié)果

從表2可以看出，波束指向方位角為φ時(shí)，主波束取得峰值；波束指向方位角分別掃描到-Δφ+φ和Δφ+φ時(shí)，右波束和左波束分別取得峰值，這說(shuō)明本文設(shè)計(jì)的數(shù)字多波束方位偏移角度以及左、右波束權(quán)值系數(shù)的正確性。從圖4可以看出，波束指向俯仰角為θ時(shí)，主波束取得峰值；波束指向俯仰角分別掃描到-Δθ+θ和Δθ+θ時(shí)，上波束和下波束分別取得峰值，這說(shuō)明本文設(shè)計(jì)的數(shù)字多波束俯仰偏移角度以及上、下波束權(quán)值系數(shù)的正確性。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了基于方向圖測(cè)試這一傳統(tǒng)手段，應(yīng)用于工程實(shí)踐中數(shù)字多波束形成方法及效果的驗(yàn)證。利用模擬的目標(biāo)數(shù)據(jù)，通過(guò)天線(xiàn)掃描，獲得形成的數(shù)字多波束方向圖。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了該方法應(yīng)用于驗(yàn)證數(shù)字多波束形成的有效性，能較好地解決了工程中數(shù)字多波束形成驗(yàn)證問(wèn)題。

[1] 呂繼榮,朱子平,胡愛(ài)明.數(shù)字波束形成技術(shù)在雷達(dá)信號(hào)處理中的實(shí)現(xiàn)[J].中國(guó)科技信息,2008(12):39- 41.

[2] 閆秋飛,范國(guó)平,徐朝陽(yáng).子陣幅度加權(quán)的低副瓣技術(shù)研究[J].艦船電子對(duì)抗,2009,32(6):62-65.

[3] 張光義.多波束形成技術(shù)在相控陣?yán)走_(dá)中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代雷達(dá),2007,29(8):1-6.

A Directional Pattern Test Method for Digital Multi-beam Forming Validation

DAI Jian,GU Feng,XU Chao-yang

(The 723 Institute of CSIC,Yangzhou 225001,China)

Aiming at the problem that the correctness of digital multi-beam forming method is not easy to be validated in the engineering practice,this paper presents a validation method of digital multi-beam forming based on directional pattern test,simulates 4 fixed targets with different azimuth angles and elevation angles,performs the azimuth and elevation multilayer scanning by using antenna to obtain the horizontal and elevation directional pattern.Results show that the directional pattern test method can validate the correctness of offset angle and weight coefficient of digital multi-beam,which can solve the validation problem of digital multi-beam forming in the engineering practice.

digital multi-beam forming;directional pattern;phased array radar

2016-01-16

TN958.92

A

CN32-1413(2017)01-0083-04

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2017.01.018