超寬帶雷達自組網的數字波束掃描研究與實現

摘 要：概要介紹超寬帶雷達自組網方式特點及布站方式，重點分析了超寬帶信號時延控制形成波束掃描的實現方法，從而解決陣列延時帶來的旁瓣以及低增益的問題。與傳統相控陣雷達不同的是不再利用移相器，而是估計出各個陣列的時延并通過整數延遲線和FIR分數濾波器進行精確時延補償，仿真結果表明，該方式波束方向指向性能好，沒有旁瓣。

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關鍵詞：數字波束形成; 超寬帶雷達; 掃描； 指向性

中圖分類號：

TN957.5234

文獻標識碼：A

文章編號：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

基金項目：國家自然科學基金(61071145)；博士點基金(200802880014)資助項目

0 引 言

超寬帶信號相對帶寬與中心頻率之比大于25%，而現代傳統雷達的頻帶與中心頻率之比通常不超過10%。由于超寬帶雷達占據相對極寬的頻率范圍，其信號處于諧振區和瑞利區，具有較高的軍事應用價值，因此成為國內外研究熱點之一。

超寬帶雷達自組網是利用超寬帶信號進行地面探測，可以任意移動的，在任意時間都可工作的具有分布式架構的網絡結構，對分布式結構，采用統一的時間基準，對各雷達上報的航跡數據在時間上進行對準。在雷達網的數據融合處理中，對分布式數據處理中的航跡進行關聯，可采用統計假設檢驗方法、模糊航跡關聯方法或多維分配方法。

在超寬帶雷達自組網中對于近距離的探測，可以采用相對位置進行定位。由于沒有中心處理站，不需要UWB信息傳輸處理，但是可以利用UWB信號作為載體，在接收時，可以解調出UWB波形。對于直達波可以很好地抑制。基于UWB信號的接收陣列，通過控制時延及其分數時延補償，對單信號或是多信號形成波束并在期望方向上進行掃描，實現對目標的檢測與定位。

1 UWB雷達自組網接收陣列的數字波束形成掃描技術研究及實現

1.1 UWB雷達自組網的均勻陣列信號處理技術

基于時延控制的UWB陣列天線基本框架如圖1所示。以一維N個等距為d排列的接收陣列天線為例，假設各個脈沖輻射天線單元是全向性天線輻射，所以對于遠場區域，輻射信號源近似平行波，與法線成θ夾角方向。每個陣元接收信號后， 由于都存在一定的時延，對各通道的接收信號再進行時延補償，便可以在期望方向上形成波束進行掃描。

圖1 可調延時線的接收陣列結構

1.2 UWB雷達接收陣列的數字波束形成設計方案

UWB雷達接收陣列的數字波束形成是對接收信號進行數字化采樣而形成波束的，信號先經過MF(Match Filter)抑制噪聲，RF(Restoration Filter)脈沖整形，利用斜坡處理器(Slope Processor)可估計出入射方向θ，此時延遲調整器(Delay Adjust Computer)接收到一個電壓信號，更根據θ產生一個新的電壓信號，估計出各個陣元需要補償的時延誤差，并可以實時調整。經過A/D轉化高速采樣后，由于在時域上產生的時延誤差，對于這種可變時延電路的精確補償可以分為整數時延和分數時延補償，使各個接收陣列的輸出先經過數字延時線，實現整數倍采樣間隔的時延補償，然后再利用具有線性相位的FIR濾波器來補償分散的小數時延。輸出信號則會在期望方向上形成波束。

圖2中，選第0個陣列為參考信號，陣列中相鄰陣列接收到信號的時間差：



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是相鄰間的時延；DL為數字延遲線；FD為分數延遲線；則第i個陣列(相對于參考信號)的時延為:

接收到的信號，經過A/D轉換，高速數字化采樣處理，采樣周期為T。

再經過每個通道的數字延遲線和FIR延遲補償濾波器對采樣后的信號

x(i)= x(t-Δτi(θ))施加一個時延補償Δτi～，當Δτi～的選擇與θ0方向有如下關系，便在方向θ0形成波束：

當在方向θ0形成波束時，即對每個通道上對來自θ0方向上的信號實現了完全的時延補償，同時陣列獲得了最大的輸出功率。陣列的輸出相應為各個通道的輸出相加之和。故輸出信號相加：



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

＝∑Ni=0xt+idc(sin θ0－sin θ)

(5)



當θ＝θ0時，便可形成波束指向，進而實現時域波束掃描。

2 仿真結果 

采用高斯脈沖信號作為超寬帶雷達自組網的信號源，其脈沖信號的輸入形式、自相關函數及能量譜密度如圖3所示。

圖3 超寬帶雷達自組網脈沖信號的

輸入形式、自相關函數及能量譜密度

將高斯脈沖信號產生的時延控制陣列波束形和傳統的相控陣列中正弦信號產生波束形成做比較，由仿真結果比較可以得到，在天線間距d=0.3 cm，陣元數M=11，期望方向為0°時，圖4中上圖沒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 高斯脈沖信號時延控制陣列波束形和

相控陣列正弦信號波束形成的比較

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作為信號源的峰值幅度方向圖。由仿真結果可以看出，其方向性仍很好且沒有旁瓣，所以超寬帶信號的陣列距離不受限制，這比傳統相控陣的陣列距離在d≤cΔT/2情況下將不出現柵瓣有很大的改進。

(高斯脈沖信號作為信號源)

3 結 論

DBF技術在軍用雷達和無線通信領域已得到了廣泛的應用。隨著雷達和通信領域超寬帶技術的發展，利用相控陣雷達相位控制技術實現波束形成已無法滿足UWB雷達的帶寬需求。利用精確的時延補償技術，可以克服不同時延帶來的一系列問題，獲得更好的波束方向和更佳的抑制旁瓣能力。

參 考 文 獻

［1］王敏，吳順君，楊淑媛.UWB脈沖信號的時域波束形成方法［J］.電波科學學報，2006，21(2):238243.

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［2］成超，李會勇，何子述.基于子陣時延的數字陣列寬帶波束形成［J］.雷達科學與技術，2008，6(6)：459465.

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［3］李海英，楊汝良.超寬帶雷達的發展、現狀及應用［J］.遙感技術與應用，2001，16(3)：178183.

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［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］.電子與信息學報，2006，28(12)：22142218.

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［5］范占春，李會勇，何子述.基于分數時延FIR的寬帶數字陣波束形成［J］.雷達科學與技術，2008，6(6)：450452.

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［6］李國清，張思敏，王培美.DBF技術在雷達接收系統中的應用［J］.安徽大學學報，2008，32(1)：4043.

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

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［8］閻秋飛，范國平，徐朝陽.線陣數字波束形成技術［J］.艦船電子對抗，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.

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［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.

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作者簡介：

張 琳 女，1986年出生，江西景德鎮人，碩士研究生。主要研究方向為UWB波束形成。

陳 峰 男，1983年出生，江蘇徐州人，碩士研究生，工程師。主要研究方向為系統工程。

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(上接第11頁)

故前面的結論同樣適用于以平均費用最低為目標的最佳維修間隔期計算，即:



3 結 語

維修策略的制定實際上是建立在系統可靠性工程基礎之上。在制定反艦導彈發射裝置維修策略時，必須充分利用該裝備的可靠性論證、設計及試驗所得到的結果。在設備或部件維修方式選擇時，需要利用其設計規范和該裝備的FMEA分析結果，這是制定最佳維修策略的基礎。

最佳維修時間的確定依賴于對設備或部件故障模型的了解。在已知設備或部件可靠性分布的基礎上，才可能確定最佳維修時間。但實際上，反艦導彈發射裝置的維修策略需要在其裝備部隊時制定，此時，設備或部件的可靠性信息較少，甚至沒有。為了解決上述矛盾，可廣泛收集設備或部件的有關使用信息和專家經驗信息，利用這些信息制定關鍵設備或部件的維修時間，作為反艦導彈發射裝置初期使用的維修策略。隨著設備或部件的使用信息積累，可進一步對其維修方式和維修時間進行確定，以獲得最佳維修策略。

參 考 文 獻

［1］張鈞聲．維修性工程理論與應用［M］．北京：昆侖出版社，1988.

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［2］王宏濟．維修性設計指導［M］．北京：昆侖出版社，1988.

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［3］單志偉．裝備綜合保障工程［M］．北京：國防工業出版社，2007.

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［4］李相平，李世忠，張剛.反艦導彈毫米波主被動復合制導導引頭設計探討［J］.現代電子技術，2008，31(3):4345.

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［5］邱鵬宇，吳京.反艦導彈末制導雷達的功能仿真［J］.現代電子技術，2006，29(6):4042.

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

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作者簡介：

張彥忠 男，1965年出生，吉林白城人，高級工程師。從事導彈發控專業試驗與研究。