基于DSP＋FPGA的DBF雷達收發校正技術實現

胡丙華，胡進軍，孔凡泉 （中國電子科技集團電子第三十八研究所，安徽 合肥230031）

數字波束形成 （Data Beam Formation，DBF）是天線技術與數字技術共同發展的結果。數字波束形成可以這樣理解：陣列天線單元的方向圖是全方位的，陣列的輸出復信號經過某種加權求和后，將同一個入射目標由于分布在空間中各個傳感器的位置差異而導致的傳播波程差引入的相位差補償掉而實現各路信號之間同相疊加，即陣列接收的方向增益聚集在某一個方向上，實現在該方向上能量的最大化。而收發校正是DBF雷達的關鍵技術之一。筆者分析的收發校正是基于多個行線陣天線、多個接收通道的雷達系統，校正的關鍵是保證各個通道間的幅相一致性和通道本身的平穩性，否則將會破壞天線方向圖特性，使形成的波束指向偏離、副瓣電平變壞、寬度變差等［1］。

1 數字天線陣列及DBF原理

數字天線陣列系統有別于傳統的相控陣系統，它的幅度、相位、頻率調整全部用數字器件完成。在數字天線陣列系統中方向圖是動態的，可以根據需要人為控制或自適應調整陣列的波束指向，整個系統的靈活性極強。數字陣列雷達在對抗電子干擾、反隱身、目標精密跟蹤及高分辨方面具有廣闊的軍事應用前景?，F簡單介紹行線陣天線及DBF的基本原理［2］。

如圖1所示，相鄰天線單元信號在空間傳輸的相位差為：

移相器提供的陣內相位差為：

式中，θ、θ0分別為目標方向角與波束最大值指向角。

假設雷達天線有N個行線陣，對應N路行波饋源和N路接收機，仰角上同時形成L個指向的波束，覆蓋H°空域，則DBF要完成下列運算：

圖1 行線陣天線示意圖

式中，Xn為一組來自N個接收機的復信號；Wn（L）為L組用于加權L個波束的系數，每一組都有N個；Sn（L）為L組用于形成L個波束指向的系數，每一組都有N個；Cn為一組N個通道的接收校正系數。Xn經過實時A／D采樣得到，Wn（L）、Sn（L）則根據不同需要預先計算得到，Cn只能通過內、外場接收校正得到。Cn在DBF中是很重要的因素之一，其精度直接影響到所形成的各個波束的指向精度、副瓣電平、主瓣寬度［3］。

圖2 接收校正簡化框圖

2 收發校正的工程實現

為了便于分析，簡化接收校正框圖，如圖2所示。

對真實回波，需要校正B和Z通道的幅度相位差，求逆得到Cn＝（BZ）－1，Cn作為一組N個陣列的接收校正系數參加DBF（L）運算網絡的運算，在此感興趣的就是接收校正系數（BZ）－1。

內場校正網絡使用行波饋源校正網絡，測試信號由接收系統的頻率源產生，經車外電纜和射頻旋轉關節后，由行波饋源校正網絡A饋入，分別耦合到各路接收機Z，接收機將測試信號放大并下變頻至中頻，經中頻匯流環和車外電纜進入I／Q形成分機，再通過高速數字接口進入DBF運算網絡，得到內場校正數據：

外場校正時需要選擇一開闊且干擾盡可能小的場地，信號源產生同頻的測試校準信號，天線陣列B接收，送到各路接收機Z，放大、變頻，進入I／Q形成分機，再通過高速數字接口進入DBF運算網絡，得到外場校正數據：

如果雷達在同等外部環境、同等系統狀態下，得到［Y內］校、［Y外］校，那么將其組合形成：

式（6）中包含了行波饋源耦合系數A和天線各個單元的通道特性B，與接收機Z無關。而各種饋線元器件的加工、安裝公差、元器件更換等存在相當大的隨機相位誤差，這類誤差較為穩定，一旦天線調試、安裝結束，數據基本不再變化，A、B精確測量校正一次就可以了。將該數據AB－1保存在存儲器中，用來形成校正系數。

雷達實際工作時，每次開機都必須用內部測試信號來校正接收機由于時間和溫度等因素引入的各路接收機幅度和相位的不一致，即得到：

因為一旦天線調試、安裝結束，A基本不再變化，即A＝A′。故：

這樣就得到了需要的一組N個陣列的接收校正系數Cn，直接參加DBF（L）運算網絡的運算得到L個形成的波束。考慮到大容量、高速率、高密度實時數據運算以及各種數據的存儲、通道校正數據的采集和處理，綜合分析，采用低壓差分傳輸（Low Voltage Differential Signal，LVDS）方式解決多路數字中頻采樣與波束形成的數據傳輸問題，采用3片ALTERA公司的FPGA：EP1S60F1020完成DBF運算，采用AD公司的通用DSP：ADSP21060完成通道校正，并形成電路所需的權系數［4－5］。系統連接框圖如圖3所示。

圖3 系統連接框圖

LVDS芯片采用DS90CR286，每塊芯片能夠傳輸5路數據，FPGA1和FPGA2分別形成所需的波束，并在FPGA3中串行輸出，FPGA3還送出數據給監控系統和D／A顯示。輔助通道用來完成如副瓣對消、副瓣匿影以及發射通道數據采集等功能。接收校正程序框圖如圖4所示。

發射校正是利用幅相監測通道采集各行發射通道數據，分析獲得各通道幅相差，通過移相器補償使得各行的幅相一致性。發射校正也有外場校正和內場校正2種方式：外場校正是讓每個通道依次通過天線把發射信號發射出去，再把外場接收的回波信號與參考信號比較，得到各發射通道的幅相誤差；內場校正是將發射信號從天線耦合端耦合出來，經矩陣開關依次切換各路信號，再把矩陣開關的輸出與參考信號相比較得到發射通道的幅相誤差，此誤差再加上天線、矩陣開關等固定誤差，便得到等效的外場校正誤差。在此僅討論內場校正，發射校正的算法如下：

式中，Y為幅相監測通道采集的數據；Aejφ是要求的幅相數據；d為陣元間距；λ為發射波長。若令：

則式（9）可以簡化為：

用矩陣形式簡寫為：

圖4 接收校正程序框圖

顯然，只要P由N個線性無關向量構成，則P的逆矩陣存在并可求，式（10）的定義能滿足這個要求。從而有：

可以利用計算機先求出矩陣P的逆矩陣，作為常量存入DSP內。然后在發射校正模式下采集Y數據，就可求出發射校正后的X。對于程序設計而言只是兩重循環的乘法累加而已。將這個數據送往波控計算機，按其相位值控制移相器，即完成一次發射校正。一般只需進行2～3次發射校正，系統各個發射通道相位差異即可收斂到較好狀態［6］。

3 結 語

以上方案已經在某型號的雷達中得到應用，從實際使用情況來看，系統工作穩定可靠，能滿足系統各項指標要求。

［1］丁鷺飛，耿富錄 .雷達原理 ［M］.西安：西安電子科技大學出版社，2003.

［2］張光義 .相控陣雷達系統 ［M］.北京：國防工業出版社，1994.

［3］張賢達 .現代信號處理 ［M］.北京：清華大學出版社，1995.

［4］Merrill I.Skolnik雷達手冊 ［M］.第2版 .北京：電子工業出版社，2003.

［5］曹俊鋒，許建文，方云 .接收DBF雷達系統校正技術 ［J］.火控雷達技術，2007（4）：63－67.

［6］趙淑清 .誤差校準后DBF方向圖的精度 ［J］.電子與對抗，1996（2）：16－20，57.