多功能可擴展DBF方法研究

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. 南京工業大學 浦江學院,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. 南京工業大學 浦江學院,南京210000)

介紹一種多功能可級聯數字波束形成系統的設計方法。從原理上闡述了DBF過程的分解方法,并在此基礎上設計可級聯可擴展DBF系統,重點描述標準DBF模塊設計方法、DBF合成工作原理和級聯設計方法,并介紹了子陣化DBF設計。通過對級聯DBF過程的時間分析,明確該方法具有很高的系統時效性,具備較好的工程實現性,為相控陣雷達系統設計提供了一種高效的多功能DBF實現方法。

相控陣雷達；DBF；可級聯；子陣波束形成

0 引 言

數字化多功能寬帶相控陣雷達可對各類復雜目標和作戰環境進行靈活搜索與精確探測,是現代戰爭中掌握戰場詳細態勢的重要手段。基于數字多通道合成技術的波束形成器是相控陣雷達系統的重要組成部分,是提高雷達探測與抗干擾能力的有效手段之一。傳統的相控陣雷達DBF系統合成通道規模固定,其利用數字移相器實現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窄帶信號的波束形成,針對天線孔徑擴展或子陣化設計時不能快速有效地重構和剪裁,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系統設計。本文提出一種多功能可級聯數字波束形成系統的設計方法,對孔徑擴展/剪裁和寬窄帶信號均具有適應能力,通過系統資源的擴展/剪裁以適應不同孔徑、多子陣、不同瞬時帶寬的相控陣雷達系統的需求,實現相控陣雷達系統的模塊化與軟件化設計。

1 原 理

在相控陣系統中,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相位差

其中

方向函數可以表示為

(1)

其中

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

(2)

(3)

2 系統設計

2.1 標準DBF模塊設計

標準DBF模塊是一個輸入/輸出接口標準化、計算過程通用化的標準化模塊,其核心器件采用高性能、大規模的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。標準DBF模塊具有8對高速光纖接口實現對多組T/R下行I/Q數據進行接收、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,最高線速率達到5Gbps。

標準DBF模塊通過FPGA邏輯電路實現DBF功能。模塊根據系統工作方式選擇DBF的實現途徑。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波束合成。窄帶工作方式下,DBF采用移相累加方法。標準DBF模塊具備同時8波束的合成能力。高速串行接口實現了標準DBF模塊間數據的交互傳輸。利用高速緩存和通用合成流程實現兩級DBF之間的數據合成。標準DBF模塊輸入與輸出的數據按照數據速率分類規范設計,制定相應的數據格式,實現輸入/輸出接口的規范化與通用化,其功能見圖 1所示。

圖1 標準DBF模塊功能框圖

2.2 DBF流程設計

DBF合成系統利用多個標準DBF模塊級聯實現對多個通道I/Q數據的多波束合成。針對窄帶信號,需將接收到的I/Q數據與相應的DBF移相系數進行復數乘、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信號進行整數倍延時,再通過FIR分數延時濾波器進行分數時延,得到的多通道相位對齊數據通過復數相加后形成寬帶DBF結果。

每個陣元的下行數據都需通過一個8階FIR數延時濾波器,節拍延時為T,波束形成權值為二維矢量,記第n(n=0,…N-1)個陣元上的FIR濾波器的第m(m=0,…M-1)個節拍對應的權系數,則時域寬帶波束形成權值為一個MN×1維列矢量,流程如圖 2所示。

圖2 時域FIR濾波器結構

多波束DBF合成過程在FPGA內部實現。根據系統工作方式按照窄帶移相或寬帶時延的方法同時完成多個波束的合成計算,同時合成的波束數由FPGA模塊的數據輸入/輸出能力以及內部乘法器與邏輯資源的數量同時決定。對于窄帶DBF而言,DBF過程只需將I/Q數據與相應的窄帶DBF移相系數相乘。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,進行時鐘整數倍延時,這一過程只需對移相后的I/Q值延時整數周期個時鐘即可；最后,將整數延時后的結果送往FIR型分數延時濾波器進行分數時延,得到的數據復數相加后形成寬帶DBF結果。對于同時多波束的計算需選擇不同系數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 系統設計

3.1 級聯系統設計

根據上述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/時延后復數計算。因此,將多通道陣列接收到的I/Q信號按照依次對應分配到多個級聯的標準DBF模塊中,同時模塊間處理結果串行級聯合并,從而得到DBF合成結果。這樣,通過DBF標準模塊級聯數目的控制,即可適應不同規模天線孔徑/子陣化合成需求,從而增強了DBF處理設計的靈活性。

為實現DBF處理器的通用化,需保證DBF模塊輸入/輸出接口的標準化。這里主要從傳輸速率、傳輸協議、處理流程以及測試性等方面考慮,具體設計如下：

(1) 輸入與輸出光纖速率的標準化,提供2、2.5、3.125、5Gbps等4種光纖數據率；

(2) 報文協議的標準化,規定報文頭以及數據報文的格式,明確報文頭每個字段的含義,數據報文必須按照數據速率分類規范設計；

(3) 處理流程標準化,根據報文頭提供的工作模式選擇相應的處理方式,并將本級DBF結果按要求輸出；

(4) 測試手段標準化,數據報文內包含數據校驗位,可對傳輸數據鏈路的可靠性實時監測,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。

標準DBF模塊可實現8個下行通道的合成。DBF模塊之間通過符合VPX規范的插箱背板級聯。處于多個VPX電子插箱的DBF模塊通過光纖級聯。級聯可擴展的DBF帶來的群延時隨著標準DBF模塊數量的增加而增加。每個標準DBF模塊的群延時在0.6μs內,總的群延時控制在μs量級。可級聯的數字波束形成處理器原理圖如圖 4所示。

圖4 級聯DBF原理圖

3.2 子陣化系統設計

按照子陣波束形成的復雜程度設計3種子陣化DBF的方法,以適應子陣化的相控陣雷達系統的需求：

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

圖5 DBF系數與通道的關系

(2) 當陣面劃分為多個子陣、每一子陣需同時形成的波束數為N且N≤8時,每個子陣對應一定數量的標準DBF模塊。在子陣最后一級DBF模塊處選擇由光纖組輸出DBF結果至子陣信號處理單元。多個子陣對應多個子陣信號處理單元。子陣數字波束形成原理如圖 6所示。

圖6 子陣化DBF原理圖

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

4 結束語

針對大瞬時帶寬多功能相控陣雷達對不同規模孔徑的通用化合成處理的需求,本文提出了一種多功能可級聯數字波束形成系統設計方法,通過分解數字波束形成處理流程,制定分級的合成策略,實現DBF系統的隨面陣通道數的擴展與剪裁；通過標準DBF模塊的級聯配置可實現對不同孔徑規模的合成處理；通過DBF系數的合理配置以及標準DBF模塊的選擇性輸出,實現了子陣化DBF處理。本設計以標準化、通用化的軟硬件設計和低的軟硬件開發成本實現適配不同場景的應用,以較高的計算效能完成各種不同任務,通過參數化靈活配置實現數字波束形成的任務重構,為相控陣雷達系統設計提供了一種高效的多功能DBF實現方法,具有工程實踐意義。

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

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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：雷達總體；喬克婷(1984-),女,工程師,碩士,研究方向：計算機應用；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：雷達總體。

TN911.7

A

1009-0401(2017)01-0026-04