一種驗證數字多波束形成的方向圖測試法

戴 健，顧 峰，徐朝陽

(中國船舶重工集團公司第七二三研究所,江蘇 揚州 225001)

一種驗證數字多波束形成的方向圖測試法

戴 健，顧 峰，徐朝陽

(中國船舶重工集團公司第七二三研究所,江蘇 揚州 225001)

針對工程實踐中數字多波束形成方法的正確性不易驗證，提出了一種基于方向圖測試的數字多波束形成驗證方法，模擬4個不同方位、俯仰的固定目標，利用天線對其進行方位、俯仰多層掃描，獲取水平方向圖和俯仰方向圖。結果表明方向圖測試法能夠驗證數字多波束偏移角度與權值系數的正確性，較好地解決了工程中數字多波束形成驗證問題。

數字多波束形成；方向圖；相控陣雷達

0 引 言

數字波束形成技術是在原來模擬波束形成原理的基礎上，引入先進的數字信號處理方法后建立起來的一門新技術[1]。它屬于陣列信號處理范疇，充分利用了陣列天線所檢測到的空間信息，方便地獲得超分辨和低分辨的性能，實現波束掃描、自校準和自適應波束形成等。正是由于以上特點，在雷達面臨的日益復雜的電磁環境和四大威脅下，數字波束形成技術顯現出巨大的潛力。數字波束形成技術的成功應用，將雷達技術帶上了一個新高度。

隨著戰爭環境的信息化、復雜化，對雷達的技術及功能要求越來越高，相控陣雷達應運而生[2]。相控陣雷達具有多功能、多目標跟蹤和多種工作方式等優點，這些優點的發揮以及相控陣雷達戰術性能的提高，在很大程度上都與數字多波束形成能力有關[3]。在數字多波束形成相控陣雷達系統中，由于現場可編程門陣列(FPGA)和數字信號處理器(DSP)具有靈活性和可擴展性，所以工程實踐中，數字多波束形成一般是通過FPGA或者DSP用軟件實現的，但FPGA和DSP數據導出不易，無法對數字多波束形成方法及效果進行分析和驗證，而致力于解決上述問題的驗證方法的研究，鮮見報道。

本文提出了基于方向圖測試這一傳統手段，應用于工程實踐中數字多波束形成方法及效果的驗證。利用系統實時調試工具將實驗數據導入到MATLAB中，形成方向圖來驗證工程中數字多波束形成的效果，實驗結果證明了該方法能快速有效地驗證數字多波束形成正確性，較好地解決工程中數字多波束形成驗證問題。

1 基于方向圖測試的數字多波束形成驗證法

1.1 系統組成模塊

本系統組成模塊如圖1所示,主要包括天線掃描模擬模塊、目標模擬模塊、多波束形成模塊和信號處理模塊。

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

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

(3) 數字多波束形成模塊，根據天線波束指向信息、模擬的目標信息以及設計的數字多波束權值，產生數字多波束目標回波數據，由實部和虛部組成，然后將產生的多波束目標回波數據傳輸給后端的信號處理模塊。

(4) 信號處理模塊，對數字多波束回波數據進行脈沖壓縮、非相參積累等處理，然后提取模擬的目標所在的距離單元數據，通過系統實時調試工具導入到MATLAB中，最后通過MATLAB實現模擬目標的方向圖。

1.2 多波束權值系數

本系統設計的數字多波束權值系數按子陣級進行設計，用于形成數字多波束，詳細設計如下：

(1) 數字多波束方位角偏移

數字多波束方位角偏移量Δφ與本系統雷達工作頻率fRF、陣面水平方向陣元個數Ny、水平方向兩陣元間距dy有關，水平方向兩陣元間距按dy/2布陣,Δφ為：

(1)

式中：λ為雷達工作頻率對應的波長。

(2) 數字多波束俯仰角偏移

終于睜開眼了。啪，立刻有東西打在臉上，把我打得又閉上了眼。再睜開，就看見明亮的日光燈下，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，作勢又要朝我打過來。我兩手護住臉說，等等，這是咋的了，你憑什么打人？

數字多波束俯仰角偏移量Δθ與本系統雷達工作頻率fRF、陣面垂直方向陣元個數Nz、垂直方向兩陣元間距dz有關，垂直方向兩陣元間距按dx/2布陣,Δθ為：

(2)

(3) 數字多波束權值系數

數字多波束權值系數為復數，本文通過幅度、相位來表示，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數;Sy為陣面水平方向陣元個數;θ為當前天線方位角；φ為當前天線仰角。

2 實驗及分析

2.1 實驗數據

實驗分別模擬了4種不同方位角、俯仰角組合的固定目標，天線進行先方位掃描后俯仰方向掃描的多層掃描方式。實驗比較了4種目標所得的水平方向圖和俯仰方向圖，通過方向圖驗證形成的數字多波束的正確性。實驗中數字多波束權值設計時采用了降副瓣處理，模擬的目標及天線掃描的波束指向參數如表1所示。

2.2 數字多波束方向圖

圖2和圖3分別給出了目標方位角、俯仰角為(0°，0°)時，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分別給出了目標方位角、俯仰角為(5°，0°)時，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分別給出了目標方位角、俯仰角為(0°，5°)時，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分別給出了目標方位角、俯仰角為(15°，18°)時，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，針對模擬的4種不同方位俯仰的目標，波束指向方位角、俯仰角掃描到某一角度數字多波束取得的峰值，詳細描述如表2所示。

表1 參數設置

表2 方向圖分析結果

從表2可以看出，波束指向方位角為φ時，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，右波束和左波束分別取得峰值，這說明本文設計的數字多波束方位偏移角度以及左、右波束權值系數的正確性。從圖4可以看出，波束指向俯仰角為θ時，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，上波束和下波束分別取得峰值，這說明本文設計的數字多波束俯仰偏移角度以及上、下波束權值系數的正確性。

3 結束語

本文提出了基于方向圖測試這一傳統手段，應用于工程實踐中數字多波束形成方法及效果的驗證。利用模擬的目標數據，通過天線掃描，獲得形成的數字多波束方向圖。實驗結果證明了該方法應用于驗證數字多波束形成的有效性，能較好地解決了工程中數字多波束形成驗證問題。

[1] 呂繼榮,朱子平,胡愛明.數字波束形成技術在雷達信號處理中的實現[J].中國科技信息,2008(12):39- 41.

[2] 閆秋飛,范國平,徐朝陽.子陣幅度加權的低副瓣技術研究[J].艦船電子對抗,2009,32(6):62-65.

[3] 張光義.多波束形成技術在相控陣雷達中的應用[J].現代雷達,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