多功能可扩展DBF方法研究

张玉喜,乔克婷,蒋迺倜,杨志坤

(1．中国船舶重工集团公司第七二四研究所,南京 211153；2. 南京工业大学 浦江学院,南京210000)

多功能可扩展DBF方法研究

张玉喜1,乔克婷2,蒋迺倜1,杨志坤1

(1．中国船舶重工集团公司第七二四研究所,南京 211153；2. 南京工业大学 浦江学院,南京210000)

介绍一种多功能可级联数字波束形成系统的设计方法。从原理上阐述了DBF过程的分解方法,并在此基础上设计可级联可扩展DBF系统,重点描述标准DBF模块设计方法、DBF合成工作原理和级联设计方法,并介绍了子阵化DBF设计。通过对级联DBF过程的时间分析,明确该方法具有很高的系统时效性,具备较好的工程实现性,为相控阵雷达系统设计提供了一种高效的多功能DBF实现方法。

相控阵雷达；DBF；可级联；子阵波束形成

0 引 言

数字化多功能宽带相控阵雷达可对各类复杂目标和作战环境进行灵活搜索与精确探测,是现代战争中掌握战场详细态势的重要手段。基于数字多通道合成技术的波束形成器是相控阵雷达系统的重要组成部分,是提高雷达探测与抗干扰能力的有效手段之一。传统的相控阵雷达DBF系统合成通道规模固定,其利用数字移相器实现对阵元之间的信号进行相位修正与补偿,从而完成波束的空间扫描。该方法针对固定的天线孔径实现窄带信号的波束形成,针对天线孔径扩展或子阵化设计时不能快速有效地重构和剪裁,无法对瞬时宽带信号进行有效的宽角扫描,不利于多功能宽带雷达系统设计。本文提出一种多功能可级联数字波束形成系统的设计方法,对孔径扩展/剪裁和宽窄带信号均具有适应能力,通过系统资源的扩展/剪裁以适应不同孔径、多子阵、不同瞬时带宽的相控阵雷达系统的需求,实现相控阵雷达系统的模块化与软件化设计。

1 原 理

在相控阵系统中,线阵第一个阵元接收的信号为

第n个阵元接收的信号为

其中τn=(n-1)dsinθ/C,相邻单元的相位差为

令w(θ)=[1e-jφ...e-j(n-1)φ]。在任意θ方向上阵列单元输出信号为

天线方向函数为

在平面相控阵天线中,二维相控阵的天线在方位为φ、仰角为θ的第k个天线单元与第(0,0)参考天线单元的阵内相位差

其中

方向函数可以表示为

(1)

其中

根据方向图函数,改变相邻天线单元之间的相位差,即阵内相位差,可实现天线波束的扫描。阵元接收到的信号记为Xi=XIi+j*XQi,DBF加权系数记为Wi=WIi+j*WQi,窄带DBF运算表示为

(2)

(3)

2 系统设计

2.1 标准DBF模块设计

标准DBF模块是一个输入/输出接口标准化、计算过程通用化的标准化模块,其核心器件采用高性能、大规模的FPGA模块,核心算法采用通用化DBF合成算法,包括窄带移相DBF算法和宽带时延滤波器等通用算法。标准DBF模块具有8对高速光纤接口实现对多组T/R下行I/Q数据进行接收、校验、同步与缓存,同时具有16路对外输出的高速串行接口,采用背板高速走线输出,最高线速率达到5Gbps。

标准DBF模块通过FPGA逻辑电路实现DBF功能。模块根据系统工作方式选择DBF的实现途径。宽带工作方式下,模块采用宽带时延滤波器+移相累加的方法实现波束合成。窄带工作方式下,DBF采用移相累加方法。标准DBF模块具备同时8波束的合成能力。高速串行接口实现了标准DBF模块间数据的交互传输。利用高速缓存和通用合成流程实现两级DBF之间的数据合成。标准DBF模块输入与输出的数据按照数据速率分类规范设计,制定相应的数据格式,实现输入/输出接口的规范化与通用化,其功能见图 1所示。

图1 标准DBF模块功能框图

2.2 DBF流程设计

DBF合成系统利用多个标准DBF模块级联实现对多个通道I/Q数据的多波束合成。针对窄带信号,需将接收到的I/Q数据与相应的DBF移相系数进行复数乘、加运算。针对宽带信号,采用时延法完成通道间相位对齐,即宽带通道I/Q信号进行整数倍延时,再通过FIR分数延时滤波器进行分数时延,得到的多通道相位对齐数据通过复数相加后形成宽带DBF结果。

每个阵元的下行数据都需通过一个8阶FIR数延时滤波器,节拍延时为T,波束形成权值为二维矢量,记第n(n=0,…N-1)个阵元上的FIR滤波器的第m(m=0,…M-1)个节拍对应的权系数,则时域宽带波束形成权值为一个MN×1维列矢量,流程如图 2所示。

图2 时域FIR滤波器结构

多波束DBF合成过程在FPGA内部实现。根据系统工作方式按照窄带移相或宽带时延的方法同时完成多个波束的合成计算,同时合成的波束数由FPGA模块的数据输入/输出能力以及内部乘法器与逻辑资源的数量同时决定。对于窄带DBF而言,DBF过程只需将I/Q数据与相应的窄带DBF移相系数相乘。对于宽带DBF则需要进行3次运算。首先,类似窄带DBF的移相过程进行空间相位补偿；然后,进行时钟整数倍延时,这一过程只需对移相后的I/Q值延时整数周期个时钟即可；最后,将整数延时后的结果送往FIR型分数延时滤波器进行分数时延,得到的数据复数相加后形成宽带DBF结果。对于同时多波束的计算需选择不同系数同时进行多次上述运算,流程如图 3所示

图3 合成器原理框图

3 系统设计

3.1 级联系统设计

根据上述DBF原理公式(1)与公式(2)不难得知,无论线阵或是面阵,窄带信号还是瞬时宽带信号,DBF计算过程都是对每个通道的I/Q信号进行移相/时延后复数计算。因此,将多通道阵列接收到的I/Q信号按照依次对应分配到多个级联的标准DBF模块中,同时模块间处理结果串行级联合并,从而得到DBF合成结果。这样,通过DBF标准模块级联数目的控制,即可适应不同规模天线孔径/子阵化合成需求,从而增强了DBF处理设计的灵活性。

为实现DBF处理器的通用化,需保证DBF模块输入/输出接口的标准化。这里主要从传输速率、传输协议、处理流程以及测试性等方面考虑,具体设计如下：

(1) 输入与输出光纤速率的标准化,提供2、2.5、3.125、5Gbps等4种光纤数据率；

(2) 报文协议的标准化,规定报文头以及数据报文的格式,明确报文头每个字段的含义,数据报文必须按照数据速率分类规范设计；

(3) 处理流程标准化,根据报文头提供的工作模式选择相应的处理方式,并将本级DBF结果按要求输出；

(4) 测试手段标准化,数据报文内包含数据校验位,可对传输数据链路的可靠性实时监测,模块具备自检能力,在自检模式下能够快捷判断每个DBF模块的工作状态。

标准DBF模块可实现8个下行通道的合成。DBF模块之间通过符合VPX规范的插箱背板级联。处于多个VPX电子插箱的DBF模块通过光纤级联。级联可扩展的DBF带来的群延时随着标准DBF模块数量的增加而增加。每个标准DBF模块的群延时在0.6μs内,总的群延时控制在μs量级。可级联的数字波束形成处理器原理图如图 4所示。

图4 级联DBF原理图

3.2 子阵化系统设计

按照子阵波束形成的复杂程度设计3种子阵化DBF的方法,以适应子阵化的相控阵雷达系统的需求：

(1) 当划分子阵数目为M、每个子阵需同时形成的波束数为N且MN≤8时,类似全阵按通道部分DBF合成方法,都在一个标准DBF模块中完成,形成8个波束。不同的波束可对应不同子阵。针对子阵规模在相应波束合成中采用对应子阵通道系数。不参与子阵合成的通道系数置为零,如图 5所示。通道1～4对应子阵A,子阵A对应波束的DBF系数只有1～4通道有值,其余系数赋0。这种方法只适用于子阵数较少且每个子阵同时形成的波束数也较少的情况。

图5 DBF系数与通道的关系

(2) 当阵面划分为多个子阵、每一子阵需同时形成的波束数为N且N≤8时,每个子阵对应一定数量的标准DBF模块。在子阵最后一级DBF模块处选择由光纤组输出DBF结果至子阵信号处理单元。多个子阵对应多个子阵信号处理单元。子阵数字波束形成原理如图 6所示。

图6 子阵化DBF原理图

(3) 当每个子阵需同时形成的波束数N大于8时,需利用光分配器件。将T/R组件的下行I/Q数据分配到多([N/8])组子阵DBF合成器中,每组DBF合成方法同(2)。

4 结束语

针对大瞬时带宽多功能相控阵雷达对不同规模孔径的通用化合成处理的需求,本文提出了一种多功能可级联数字波束形成系统设计方法,通过分解数字波束形成处理流程,制定分级的合成策略,实现DBF系统的随面阵通道数的扩展与剪裁；通过标准DBF模块的级联配置可实现对不同孔径规模的合成处理；通过DBF系数的合理配置以及标准DBF模块的选择性输出,实现了子阵化DBF处理。本设计以标准化、通用化的软硬件设计和低的软硬件开发成本实现适配不同场景的应用,以较高的计算效能完成各种不同任务,通过参数化灵活配置实现数字波束形成的任务重构,为相控阵雷达系统设计提供了一种高效的多功能DBF实现方法,具有工程实践意义。

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[3] 贾艳红.宽带数字阵实时延时技术[D].电子科技大学,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

张玉喜(1979-),男,硕士,工程师,研究方向：雷达总体；乔克婷(1984-),女,工程师,硕士,研究方向：计算机应用；将廼倜(1984-),男,工程师,硕士,研究方向：信号处理；杨志坤(1987-),男,工程师,硕士,研究方向：雷达总体。

TN911.7

A

1009-0401(2017)01-0026-04