數字波束形成中的接收通道校正技術研究

摘 要：數字波束形成(DBF)技術是在原來模擬波束形成原理的基礎上，引入數字信號處理方法之后建立的一門雷達新技術，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現方法，并結合實例討論了一種在工程實現中的接收通道校正方法，此方法只利用測試信號而不借助于遠場信號來實現接收通道的校正，從而使得應用了數字波束形成技術的雷達降低了使用和操作上的復雜程度，具有極高的實用價值。

關鍵詞：數字波束形成；通道均衡；接收通道校正;遠場信號

中圖分類號：TN958 文獻標識碼：A

文章編號：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技術是在原來模擬波束形成原理的基礎上，引入數字信號處理方法之后建立的一門雷達新技術。數字波束形成就是用數字方式將由于傳感器在空間位置不同引入的傳播程差導致的相位差進行補償，從而實現各路信號之間信號同相疊加，使得觀測方向能量最大接收，形成特定方向上目標信號檢測。

DBF實現的多波束形成系統有著可同時產生多個獨立可控波束而不損失信噪比、波束特性由權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點，尤其是由于在基帶上保存了全部天線陣單元信號的信息，因而可以通過數字信號處理的方法對陣列信號進行處理，以獲得波束的優良性能。

接收通道的幅相一致性是影響DBF性能的關鍵因素，本文介紹了通道均衡的原理和算法以及工程實現方法，并給出一則工程實現接收通道校正技術的實例。其研制成果已應用在多部相控陣雷達中，縮小了我國在這個領域與其他國家之間的差距，具有重要的經濟意義和軍事意義。

2 通道均衡的基本原理

2.1 概述

近年來，隨著陣列信號處理技術的廣泛應用，人們逐漸認識到有許多因素會影響到陣列信號處理機的性能。其中，當利用加權控制技術形成方向圖零點或者極低旁瓣區的時候，接收通道的幅度和相位誤差也極大地影響天線的性能，包括系統輸出的信噪比、響應速度、調零深度和測向的超分辨率。

在本文所述的陣列天線雷達信號處理系統中，在實際工作環境下，每個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變換的數字輸出，任一環節有誤差都會引起通道不一致。顯然，由于模擬器件和模擬器件所構成的電路都不可能做得完全相同，并且，在工作中，模擬電路的狀態也會不斷的變化。因此，對于眾多的接收通道要求其工作特性在任何時刻完全一致是不可能的。互耦的存在使得各個陣元的輸出不同，各個接收通道的幅、相誤差以及同一通道內I/O支路的正交誤差都是造成通道不一致的重要因素。

在零中頻接收機中，為了保存陣面接收的目標回波信號幅度和相位信息，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。然而，由于兩個本振信號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生I/O支路的正交誤差。

基于上述說明，我們知道了通道之間特性的不一致對于陣列信號處理系統的性能影響非常大。一般地，不一致性表現在正交誤差，通道之間由于種種原因造成的誤差等等。前一種可以通過圖1所示采樣通道解決問題，而通道之間的誤差只能通過均衡技術來解決。

2.2 通道均衡的原理及其算法

從上文可以看出，通道失配對于陣列信號處理系統的性能影響十分嚴重，必須對其進行補償。傳統的單頻信號法只能在通道的某一頻率點上進行補償，而不能在通道的整個頻帶內進行補償，因此是不完善的。

假設有兩個通道，設他們的頻率響應分別為H1(jw)和H2(jw)，則有：

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

對于多通道處理器，可以選擇一個通帶內最為平坦，畸變最小的通道作為參考通道，其余各個通道與他作比較，以取得一致的、具有良好濾波特性的頻率傳遞函數。這樣處理，需要一個比較選擇的過程。也可以簡單地以任意一個通道作為參考，在其他各個通道中插入均衡器，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個通道需要N-1個均衡器。這樣做僅僅保證了各個通道頻率特性相一致，但是每一個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。這樣做同樣也有缺點，由于作為“參考”的不是實際通道，因此假若輸入信號有非線性誤差，就不可避免地引入到均衡過程中。

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個通道以及參考通道，設參考通道的頻率響應為Tref(jw)，其余通道的頻率響應為Ti(jw)，(i=1，…，k)，插入通道之后的濾波器的頻率響應為Hi(jw)，(i=1，…，k)，均衡器為N階FIR濾波器，抽頭時延設為Δ，則有:

道具有相同的時延。

圖2給出了多通道均衡器的原理圖。設圖中時延線的傳遞函數為e－jwΔ，Δ是延遲時間單位，那么N階FIR有限長濾波器的頻率響應可以表示為:

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

一般來說，要準確實現Hi(jw)，需要無限多抽頭數。然而均衡的精度也與權值精度有密切的關系。利用數字電路實現均衡時，有量化誤差。抽頭愈多，各個抽頭調節誤差積累起來，可能反而影響調節精度。因此，抽頭數通常是有限的，即存在一個最佳抽頭數值。

由上面的敘述可以知道，要對通道進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，系數向量就可以利用數字器件實現。

3 通道均衡的工程實現

3.1 通道均衡的工程實現方法及實例

實際工程應用中，要求DBF處理采用多個接收通道，各個通道之間的相位一致性和通道本身的平穩性是DBF實現的關鍵。校正框圖如圖3所示，接收系統頻率源產生的測試信號由行波校正網絡收集端饋入，分別耦合到各路接收機，各路接收機將測試信號放大并下變頻至10 MHz中頻，經中頻匯流環和車外電纜進入I/Q形成分機，通過LVDS送入DBF電路。

設第i路接收通道的信號可表示為:

當用測試信號形成波束時，直接將第i路測試數據做一個共扼運算，而幅度用校正通道幅度的平方，以此形成各個通道實際所需要的權值，即:

實際上采用的是用測試信號對通道進行校正，以此對外部回波進行波束形成得到各個不同波束指向的接收信號。用測試通道信號對各個通道進行校正時，天線上的各個陣元之間沒有校正，但由于天線各個陣元在天線完成后，各個天線之間的參數是不隨時間變化的，或者說變化不大。為此，這個參數在天線完成之后，利用外場測試信號做一次完整的測試，假定接收通道的信號為:

利用式(5)和式(7)，利用外場數據除以內場數據形成實際天線對應的參數公式為:

這個公式得到的數據文件可以作為一個標準文件存放在特定存儲單元內。實際工作時只要用內部的測試信號就可以校正由于時間和溫度等因素引入的各路接收機幅度和相位不一致變化問題。

設第i路接收通道的信號為xi(t)=aie－jφi，則實際工作時的校正權為：

3.2 測試結果

使用上述校正方法，在某雷達整機上，采用-50 dB兩

種加權，在兩個不同的工作頻率下，對測試信號掃描形成的垂直波瓣，所有10個波束，最大副瓣低于-47-8 dB，如圖4，圖5所示，從實際結果來看，這種校正方法可以獲得較為滿意的校正結果。

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

4 結 語

本文介紹了對數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現方法，并舉出一個實例給出測試結果。接收通道均衡算法的好壞直接影響數字波束形成的性能，而選擇合適的算法還可以降低相控陣雷達操作上的復雜程度。本文介紹的實例已成功應用于多部雷達中，且效果較好性能穩定，具有很高的實用價值。

參考文獻

［1］朱榮新，方姚生，王曉峰.雷達數字波束形成器的研究與實現[M].現代雷達，2003，25（2）：46-49.

［2］張睿，趙永波，向驥，等.基于FPGA的數字波束形成系統的設計實現[M].火控雷達技術，2006，35（1）：77-80.

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