基于VxWorks和FPGA的雷達(dá)數(shù)字波束形成技術(shù)

潘 浩 刁晶晶 陳俊馬 陳金銳 王善松

(1. 中國電子科技集團公司第三十八研究所 合肥 230008; 2. 中國人民解放軍63629部隊 北京 102600)

0 引言

波束形成技術(shù)在多個領(lǐng)域具有重要意義，例如雷達(dá)、通信、聲波探測、電磁對抗等。在現(xiàn)代智能化技術(shù)不斷進(jìn)步的情況下，數(shù)字波束形成(Digital Beam Forming, DBF)技術(shù)更新?lián)Q代日益頻繁；特別是在雷達(dá)領(lǐng)域，智能化、信息化、數(shù)字化技術(shù)突飛猛進(jìn)，雷達(dá)系統(tǒng)對于平臺穩(wěn)定性、硬件指標(biāo)、軟件設(shè)計等方面具有更高的要求。

目前，DBF功能實現(xiàn)基于數(shù)字信號處理器(Digital Signal Processor，DSP)+現(xiàn)場可編輯邏輯門陣列(Field-Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA)平臺，且主要功能模塊在FPGA中構(gòu)建邏輯關(guān)系，實現(xiàn)數(shù)字計算，形成多波束輸出。該平臺具有較高的靈活性和擴展性，F(xiàn)PGA模塊具有成熟的開發(fā)技術(shù)，實現(xiàn)過程簡單、有效。但在工程應(yīng)用中，特別是對于目前亟需開發(fā)的軟件化、參數(shù)化雷達(dá)系統(tǒng)，這種架構(gòu)存在一定的缺點，開發(fā)周期長，調(diào)試過程較為繁瑣。嵌入式開發(fā)系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心，以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)，軟硬件可裁剪，適用于應(yīng)用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴(yán)格要求的專用計算機系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)具有實時性(硬件實時和軟件實時)、小尺寸、低功耗、高效率等特點，滿足了智能化雷達(dá)系統(tǒng)對指標(biāo)的嚴(yán)格要求。

相比于傳統(tǒng)模擬波束形成技術(shù)，DBF可實現(xiàn)單個或多個獨立可控的波束形成，且對每個通道獨立加權(quán)，獲得優(yōu)良的波束能力。在實現(xiàn)多陣元、多通道系統(tǒng)數(shù)字波束形成時，可以通過采用分級合成方法，減少合成數(shù)量，降低信號大小，實現(xiàn)子陣級—全陣級合成的轉(zhuǎn)變，提高數(shù)字波束合成效率。

本文基于某工程實例，在VxWorks+FPGA平臺中合理運用多級波束合成技術(shù)，研究了雷達(dá)數(shù)字波束合成方法，并通過仿真驗證和算例分析驗證了多通道、多波束的雷達(dá)數(shù)字波束形成方法的可行性。

1 VxWorks+FPGA平臺構(gòu)建

數(shù)字波束形成算法核心內(nèi)容包括接收系數(shù)計算和全通道波束權(quán)重合成兩部分。根據(jù)目前雷達(dá)系統(tǒng)的要求，波束接受系數(shù)計算模塊對實時性的要求越來越苛刻，DBF系統(tǒng)需要依據(jù)當(dāng)前波束指向和校正補償，快速計算出不同通道的波束權(quán)系數(shù)，其更新頻率達(dá)到毫秒級。而對于全陣面波束權(quán)重合成技術(shù)，F(xiàn)PGA運用乘法器模塊和時序控制模塊，將全通道數(shù)據(jù)拆分為多個子陣集合，通過一級一級合成、傳輸、累加，最終形成多波束輸出，大大提高了波束形成效率，增強了波束性能。VxWorks+FPGA平臺基本架構(gòu)如圖1所示。

圖1 VxWorks+FPGA平臺基本架構(gòu)

1.1 VxWorks平臺開發(fā)

VxWorks是目前采用最多的，用于開發(fā)實時嵌入式系統(tǒng)的實時嵌入式操作系統(tǒng)，是運行在目標(biāo)機上的高性能、可裁剪的實時多任務(wù)操作系統(tǒng)，其主要思想是在系統(tǒng)中最大限度實現(xiàn)內(nèi)核的時間可預(yù)測性，根據(jù)用戶定義的任務(wù)優(yōu)先級對任務(wù)實現(xiàn)調(diào)度，因其良好的可靠性和卓越的實時性被廣泛應(yīng)用于通信、軍事、航空航天等高精尖技術(shù)領(lǐng)域中。VxWorks操作系統(tǒng)將多任務(wù)分為不同優(yōu)先級，具有強大的同時處理多任務(wù)能力，提高了DBF系統(tǒng)的實時性。

在雷達(dá)波束形成系統(tǒng)中，VxWorks平臺開發(fā)的主要任務(wù)包括天線通道校正、通道幅相補償、波束系數(shù)計算、窗函數(shù)加權(quán)等功能模塊；同時根據(jù)波束調(diào)度和FPGA的時序指令，實時更新T/R組件控制參數(shù)，實現(xiàn)相控陣?yán)走_(dá)多波束合成。VxWorks平臺開發(fā)接口主要包括波束調(diào)度接口、FPGA接口、時序接口，通過RapidIO建立不同平臺間的信息交互鏈路，實現(xiàn)數(shù)據(jù)、信號量等信息的實時傳輸，達(dá)到快捷、穩(wěn)定、可靠性高的要求。

VxWorks平臺開發(fā)過程中，調(diào)用主函數(shù)功能，實現(xiàn)各個任務(wù)的實時處理，等待各外界信號的指令，觸發(fā)系統(tǒng)中的任務(wù)模塊，利用多核技術(shù)快速計算、獲取系統(tǒng)參數(shù)，放入緩存中等待處理；同時，根據(jù)不同類型時序，響應(yīng)數(shù)據(jù)收發(fā)功能，將有效數(shù)據(jù)傳輸至下一級處理平臺中。平臺主要包含了門鈴響應(yīng)、時序中斷、波調(diào)任務(wù)、波束數(shù)據(jù)更新、控制信息傳輸、Bite自動更新等。

1.2 FPGA平臺開發(fā)

FPGA由邏輯單元、RAM、乘法器等硬件資源組成，通過將這些硬件資源合理組織，可實現(xiàn)乘法器、寄存器、地址發(fā)生器等硬件電路設(shè)計。硬件可重構(gòu)可重復(fù)編輯具有邏輯單元靈活、設(shè)計方法先進(jìn)、靈活可編程等優(yōu)點。FPGA在通信領(lǐng)域、數(shù)字信號處理、軍工領(lǐng)域、航空航天等多種領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用。FPGA主要特點有：一是具有較大的數(shù)據(jù)吞吐量，可以用來做高速信號處理；二是并行程度高，可以在每個時鐘周期內(nèi)完成多項并行任務(wù)，在數(shù)字信號處理的運算能力上具有強大功能；三是接口高速設(shè)計可以輕松實現(xiàn)各種串行或并行的數(shù)據(jù)傳輸，適用于芯片間互連、背板互連及設(shè)備間互連；四是具有靈活的可編程邏輯，可對FPGA進(jìn)行反復(fù)編程、擦除、使用，用不同的可編程電路實現(xiàn)不同的功能。

在數(shù)字波束形成過程中，F(xiàn)PGA平臺開發(fā)主要完成任務(wù)包括與時序控制間的接口設(shè)計、與T/R組件間接口設(shè)計、與VxWorks平臺間接口設(shè)計、與信號處理間的接口設(shè)計、多級DBF設(shè)計等。FPGA通過時序控制，根據(jù)不同類型的時序觸發(fā)執(zhí)行相應(yīng)的操作，將不同類型數(shù)據(jù)進(jìn)行對齊、分析、處理；采集TR組件傳輸?shù)奶炀€波形信號，對于不同的TR組件上的數(shù)據(jù)要對數(shù)據(jù)格式嚴(yán)格對齊，放入不同的flash緩存中；同時，根據(jù)地址偏移取出VxWorks平臺傳輸?shù)牟ㄊ禂?shù)，對兩種數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)乘、累加，輸出波束信息。

2 雷達(dá)數(shù)字波束形成方法

數(shù)字波束形成是通過加權(quán)因子對不同陣元接收到的信號進(jìn)行加權(quán)、求和來實現(xiàn)波束合成功能的。天線陣面接收到空間回波，通過TR組件轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(即I和Q值)，經(jīng)過TR組件和DBF間的通信通道，將信號數(shù)據(jù)傳輸至FPGA。FPGA將I/Q信號與波束形成系數(shù)相乘、累加，得到合成波束，至后端做進(jìn)一步處理。

雷達(dá)波束信號由天線搜集，且天線方向為同一種設(shè)計，在進(jìn)行波束合成時無需考慮天線方向的影響，對陣面的通道數(shù)據(jù)進(jìn)行全陣合成，即可得到陣面波束信號。對于一個二維陣面，陣面坐標(biāo)為坐標(biāo)，則陣面波束計算公式為式(1)所示。

(1)

DBFC進(jìn)行陣元級波束系數(shù)計算，根據(jù)當(dāng)前波束指向和陣元坐標(biāo)，得到各個通道的波束加權(quán)值，傳輸至FPGA；FPGA采集TR組件下傳的波束I/Q值，先對每個TR組件中通道進(jìn)行波束合成，即波束I/Q值與加權(quán)系數(shù)進(jìn)行復(fù)數(shù)相乘，再進(jìn)行通道累加；初級合成后對不同TR組件的數(shù)據(jù)進(jìn)行求和，最后在某一片F(xiàn)PGA中合成得到不同類型的波束。

3 算例系統(tǒng)與分析

3.1 算例系統(tǒng)

針對以上算法和設(shè)計理論，本文構(gòu)建了實際工程算例，對其進(jìn)行深入分析，以驗證上文中提出方法的可行性。本文選取1000個通道的陣面進(jìn)行分析，每個TR組件包含10個通道，共計100個TR組件。對于雷達(dá)數(shù)字波束合成，F(xiàn)PGA采集每個通道的回波數(shù)據(jù)，根據(jù)VxWorks芯片計算出的波束合成系數(shù)(考慮TR組件通道誤差)，將兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行乘法、求和運算，得到波束信息。

3.2 算例分析

1)雷達(dá)數(shù)字波束形成

雷達(dá)全陣面通道進(jìn)行波束合成，通過采集各個通道收到的信號(I/Q數(shù)據(jù))，計算機芯片進(jìn)行波束系數(shù)計算處理，求得各個通道補償后的指向系數(shù)，傳輸至FPGA；在FPGA中利用乘法器資源對原始回波數(shù)據(jù)和波束指向系數(shù)進(jìn)行乘累運算，得到波束數(shù)據(jù)。

本系統(tǒng)產(chǎn)生波瓣掃描時序，方位/俯仰指向角由-60°掃描至60°，步進(jìn)0.05°，俯仰/方位指向角為0°，分別得到2400組波束數(shù)據(jù)，以掃描角度為橫坐標(biāo)，波束數(shù)據(jù)的幅度值為縱坐標(biāo)，得到方位波束掃描合成情況和俯仰波束掃描合成情況，如圖2和圖3所示，分別對和波束和差波束進(jìn)行對比，在中間0點位置和波束幅度最大，差波束最小，形成和差波束曲線。

圖2 方位波束掃描圖

圖3 俯仰波束掃描圖

4 結(jié)束語

本文基于VxWorks + FPGA平臺實現(xiàn)了雷達(dá)數(shù)字波束形成，將通道信號進(jìn)行DBF計算，得到不同指向、目標(biāo)、極化水平的波束數(shù)據(jù)；利用VxWorks實時操作系統(tǒng)優(yōu)化參數(shù)配置，實現(xiàn)DBF合成動態(tài)調(diào)整，大大提高了數(shù)字波束合成的靈活性、可靠性，縮短系統(tǒng)延時，增加波束數(shù)據(jù)的精確性。