基于DSP＋FPGA的DBF雷達(dá)收發(fā)校正技術(shù)實(shí)現(xiàn)

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

數(shù)字波束形成 （Data Beam Formation，DBF）是天線技術(shù)與數(shù)字技術(shù)共同發(fā)展的結(jié)果。數(shù)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(fù)信號(hào)經(jīng)過某種加權(quán)求和后，將同一個(gè)入射目標(biāo)由于分布在空間中各個(gè)傳感器的位置差異而導(dǎo)致的傳播波程差引入的相位差補(bǔ)償?shù)舳鴮?shí)現(xiàn)各路信號(hào)之間同相疊加，即陣列接收的方向增益聚集在某一個(gè)方向上，實(shí)現(xiàn)在該方向上能量的最大化。而收發(fā)校正是DBF雷達(dá)的關(guān)鍵技術(shù)之一。筆者分析的收發(fā)校正是基于多個(gè)行線陣天線、多個(gè)接收通道的雷達(dá)系統(tǒng)，校正的關(guān)鍵是保證各個(gè)通道間的幅相一致性和通道本身的平穩(wěn)性，否則將會(huì)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(shù)字天線陣列及DBF原理

數(shù)字天線陣列系統(tǒng)有別于傳統(tǒng)的相控陣系統(tǒng)，它的幅度、相位、頻率調(diào)整全部用數(shù)字器件完成。在數(shù)字天線陣列系統(tǒng)中方向圖是動(dòng)態(tài)的，可以根據(jù)需要人為控制或自適應(yīng)調(diào)整陣列的波束指向，整個(gè)系統(tǒng)的靈活性極強(qiáng)。數(shù)字陣列雷達(dá)在對(duì)抗電子干擾、反隱身、目標(biāo)精密跟蹤及高分辨方面具有廣闊的軍事應(yīng)用前景?，F(xiàn)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(hào)在空間傳輸?shù)南辔徊顬椋?/p>

移相器提供的陣內(nèi)相位差為：

式中，θ、θ0分別為目標(biāo)方向角與波束最大值指向角。

假設(shè)雷達(dá)天線有N個(gè)行線陣，對(duì)應(yīng)N路行波饋源和N路接收機(jī)，仰角上同時(shí)形成L個(gè)指向的波束，覆蓋H°空域，則DBF要完成下列運(yùn)算：

圖1 行線陣天線示意圖

式中，Xn為一組來自N個(gè)接收機(jī)的復(fù)信號(hào)；Wn（L）為L組用于加權(quán)L個(gè)波束的系數(shù)，每一組都有N個(gè)；Sn（L）為L組用于形成L個(gè)波束指向的系數(shù)，每一組都有N個(gè)；Cn為一組N個(gè)通道的接收校正系數(shù)。Xn經(jīng)過實(shí)時(shí)A／D采樣得到，Wn（L）、Sn（L）則根據(jù)不同需要預(yù)先計(jì)算得到，Cn只能通過內(nèi)、外場(chǎng)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(gè)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(fā)校正的工程實(shí)現(xiàn)

為了便于分析，簡化接收校正框圖，如圖2所示。

對(duì)真實(shí)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(gè)陣列的接收校正系數(shù)參加DBF（L）運(yùn)算網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)算，在此感興趣的就是接收校正系數(shù)（BZ）－1。

內(nèi)場(chǎng)校正網(wǎng)絡(luò)使用行波饋源校正網(wǎng)絡(luò)，測(cè)試信號(hào)由接收系統(tǒng)的頻率源產(chǎn)生，經(jīng)車外電纜和射頻旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)后，由行波饋源校正網(wǎng)絡(luò)A饋入，分別耦合到各路接收機(jī)Z，接收機(jī)將測(cè)試信號(hào)放大并下變頻至中頻，經(jīng)中頻匯流環(huán)和車外電纜進(jìn)入I／Q形成分機(jī)，再通過高速數(shù)字接口進(jìn)入DBF運(yùn)算網(wǎng)絡(luò)，得到內(nèi)場(chǎng)校正數(shù)據(jù)：

外場(chǎng)校正時(shí)需要選擇一開闊且干擾盡可能小的場(chǎng)地，信號(hào)源產(chǎn)生同頻的測(cè)試校準(zhǔn)信號(hào)，天線陣列B接收，送到各路接收機(jī)Z，放大、變頻，進(jìn)入I／Q形成分機(jī)，再通過高速數(shù)字接口進(jìn)入DBF運(yùn)算網(wǎng)絡(luò)，得到外場(chǎng)校正數(shù)據(jù)：

如果雷達(dá)在同等外部環(huán)境、同等系統(tǒng)狀態(tài)下，得到［Y內(nèi)］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(shù)A和天線各個(gè)單元的通道特性B，與接收機(jī)Z無關(guān)。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(dāng)大的隨機(jī)相位誤差，這類誤差較為穩(wěn)定，一旦天線調(diào)試、安裝結(jié)束，數(shù)據(jù)基本不再變化，A、B精確測(cè)量校正一次就可以了。將該數(shù)據(jù)AB－1保存在存儲(chǔ)器中，用來形成校正系數(shù)。

雷達(dá)實(shí)際工作時(shí)，每次開機(jī)都必須用內(nèi)部測(cè)試信號(hào)來校正接收機(jī)由于時(shí)間和溫度等因素引入的各路接收機(jī)幅度和相位的不一致，即得到：

因?yàn)橐坏┨炀€調(diào)試、安裝結(jié)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(gè)陣列的接收校正系數(shù)Cn，直接參加DBF（L）運(yùn)算網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)算得到L個(gè)形成的波束?？紤]到大容量、高速率、高密度實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)運(yùn)算以及各種數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、通道校正數(shù)據(jù)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(shù)字中頻采樣與波束形成的數(shù)據(jù)傳輸問題，采用3片ALTERA公司的FPGA：EP1S60F1020完成DBF運(yùn)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(quán)系數(shù)［4－5］。系統(tǒng)連接框圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)連接框圖

LVDS芯片采用DS90CR286，每塊芯片能夠傳輸5路數(shù)據(jù)，F(xiàn)PGA1和FPGA2分別形成所需的波束，并在FPGA3中串行輸出，F(xiàn)PGA3還送出數(shù)據(jù)給監(jiān)控系統(tǒng)和D／A顯示。輔助通道用來完成如副瓣對(duì)消、副瓣匿影以及發(fā)射通道數(shù)據(jù)采集等功能。接收校正程序框圖如圖4所示。

發(fā)射校正是利用幅相監(jiān)測(cè)通道采集各行發(fā)射通道數(shù)據(jù)，分析獲得各通道幅相差，通過移相器補(bǔ)償使得各行的幅相一致性。發(fā)射校正也有外場(chǎng)校正和內(nèi)場(chǎng)校正2種方式：外場(chǎng)校正是讓每個(gè)通道依次通過天線把發(fā)射信號(hào)發(fā)射出去，再把外場(chǎng)接收的回波信號(hào)與參考信號(hào)比較，得到各發(fā)射通道的幅相誤差；內(nèi)場(chǎng)校正是將發(fā)射信號(hào)從天線耦合端耦合出來，經(jīng)矩陣開關(guān)依次切換各路信號(hào)，再把矩陣開關(guān)的輸出與參考信號(hào)相比較得到發(fā)射通道的幅相誤差，此誤差再加上天線、矩陣開關(guān)等固定誤差，便得到等效的外場(chǎng)校正誤差。在此僅討論內(nèi)場(chǎng)校正，發(fā)射校正的算法如下：

式中，Y為幅相監(jiān)測(cè)通道采集的數(shù)據(jù)；Aejφ是要求的幅相數(shù)據(jù)；d為陣元間距；λ為發(fā)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(gè)線性無關(guān)向量構(gòu)成，則P的逆矩陣存在并可求，式（10）的定義能滿足這個(gè)要求。從而有：

可以利用計(jì)算機(jī)先求出矩陣P的逆矩陣，作為常量存入DSP內(nèi)。然后在發(fā)射校正模式下采集Y數(shù)據(jù)，就可求出發(fā)射校正后的X。對(duì)于程序設(shè)計(jì)而言只是兩重循環(huán)的乘法累加而已。將這個(gè)數(shù)據(jù)送往波控計(jì)算機(jī)，按其相位值控制移相器，即完成一次發(fā)射校正。一般只需進(jìn)行2～3次發(fā)射校正，系統(tǒng)各個(gè)發(fā)射通道相位差異即可收斂到較好狀態(tài)［6］。

3 結(jié) 語

以上方案已經(jīng)在某型號(hào)的雷達(dá)中得到應(yīng)用，從實(shí)際使用情況來看，系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，能滿足系統(tǒng)各項(xiàng)指標(biāo)要求。

［1］丁鷺飛，耿富錄 .雷達(dá)原理 ［M］.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2003.

［2］張光義 .相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng) ［M］.北京：國防工業(yè)出版社，1994.

［3］張賢達(dá) .現(xiàn)代信號(hào)處理 ［M］.北京：清華大學(xué)出版社，1995.

［4］Merrill I.Skolnik雷達(dá)手冊(cè) ［M］.第2版 .北京：電子工業(yè)出版社，2003.

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

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