一种验证数字多波束形成的方向图测试法

戴 健，顾 峰，徐朝阳

(中国船舶重工集团公司第七二三研究所,江苏 扬州 225001)

一种验证数字多波束形成的方向图测试法

戴 健，顾 峰，徐朝阳

(中国船舶重工集团公司第七二三研究所,江苏 扬州 225001)

针对工程实践中数字多波束形成方法的正确性不易验证，提出了一种基于方向图测试的数字多波束形成验证方法，模拟4个不同方位、俯仰的固定目标，利用天线对其进行方位、俯仰多层扫描，获取水平方向图和俯仰方向图。结果表明方向图测试法能够验证数字多波束偏移角度与权值系数的正确性，较好地解决了工程中数字多波束形成验证问题。

数字多波束形成；方向图；相控阵雷达

0 引 言

数字波束形成技术是在原来模拟波束形成原理的基础上，引入先进的数字信号处理方法后建立起来的一门新技术[1]。它属于阵列信号处理范畴，充分利用了阵列天线所检测到的空间信息，方便地获得超分辨和低分辨的性能，实现波束扫描、自校准和自适应波束形成等。正是由于以上特点，在雷达面临的日益复杂的电磁环境和四大威胁下，数字波束形成技术显现出巨大的潜力。数字波束形成技术的成功应用，将雷达技术带上了一个新高度。

随着战争环境的信息化、复杂化，对雷达的技术及功能要求越来越高，相控阵雷达应运而生[2]。相控阵雷达具有多功能、多目标跟踪和多种工作方式等优点，这些优点的发挥以及相控阵雷达战术性能的提高，在很大程度上都与数字多波束形成能力有关[3]。在数字多波束形成相控阵雷达系统中，由于现场可编程门阵列(FPGA)和数字信号处理器(DSP)具有灵活性和可扩展性，所以工程实践中，数字多波束形成一般是通过FPGA或者DSP用软件实现的，但FPGA和DSP数据导出不易，无法对数字多波束形成方法及效果进行分析和验证，而致力于解决上述问题的验证方法的研究，鲜见报道。

本文提出了基于方向图测试这一传统手段，应用于工程实践中数字多波束形成方法及效果的验证。利用系统实时调试工具将实验数据导入到MATLAB中，形成方向图来验证工程中数字多波束形成的效果，实验结果证明了该方法能快速有效地验证数字多波束形成正确性，较好地解决工程中数字多波束形成验证问题。

1 基于方向图测试的数字多波束形成验证法

1.1 系统组成模块

本系统组成模块如图1所示,主要包括天线扫描模拟模块、目标模拟模块、多波束形成模块和信号处理模块。

(1) 天线扫描模块，模拟天线波束指向的扫描，当前天线波束指向信息包括当前天线方位角、仰角等信息。

(2) 目标模拟模块，模拟一个目标，所模拟的目标信息包括模拟目标的距离、方位角、仰角、径向速度、幅度等信息。

(3) 数字多波束形成模块，根据天线波束指向信息、模拟的目标信息以及设计的数字多波束权值，产生数字多波束目标回波数据，由实部和虚部组成，然后将产生的多波束目标回波数据传输给后端的信号处理模块。

(4) 信号处理模块，对数字多波束回波数据进行脉冲压缩、非相参积累等处理，然后提取模拟的目标所在的距离单元数据，通过系统实时调试工具导入到MATLAB中，最后通过MATLAB实现模拟目标的方向图。

1.2 多波束权值系数

本系统设计的数字多波束权值系数按子阵级进行设计，用于形成数字多波束，详细设计如下：

(1) 数字多波束方位角偏移

数字多波束方位角偏移量Δφ与本系统雷达工作频率fRF、阵面水平方向阵元个数Ny、水平方向两阵元间距dy有关，水平方向两阵元间距按dy/2布阵,Δφ为：

(1)

式中：λ为雷达工作频率对应的波长。

(2) 数字多波束俯仰角偏移

终于睁开眼了。啪，立刻有东西打在脸上，把我打得又闭上了眼。再睁开，就看见明亮的日光灯下，李老黑的闺女李金枝杏眼圆睁怒不可遏，手里握着本花花绿绿的杂志，作势又要朝我打过来。我两手护住脸说，等等，这是咋的了，你凭什么打人？

数字多波束俯仰角偏移量Δθ与本系统雷达工作频率fRF、阵面垂直方向阵元个数Nz、垂直方向两阵元间距dz有关，垂直方向两阵元间距按dx/2布阵,Δθ为：

(2)

(3) 数字多波束权值系数

数字多波束权值系数为复数，本文通过幅度、相位来表示，其中幅度值归一化，相位表示为：

(3)

(4)

(5)

式中：Sz为阵面子阵垂直方向阵元个数;Sy为阵面水平方向阵元个数;θ为当前天线方位角；φ为当前天线仰角。

2 实验及分析

2.1 实验数据

实验分别模拟了4种不同方位角、俯仰角组合的固定目标，天线进行先方位扫描后俯仰方向扫描的多层扫描方式。实验比较了4种目标所得的水平方向图和俯仰方向图，通过方向图验证形成的数字多波束的正确性。实验中数字多波束权值设计时采用了降副瓣处理，模拟的目标及天线扫描的波束指向参数如表1所示。

2.2 数字多波束方向图

图2和图3分别给出了目标方位角、俯仰角为(0°，0°)时，波束指向多层扫描后所得方位方向图和俯仰方向图。

图4和图5分别给出了目标方位角、俯仰角为(5°，0°)时，波束指向多层扫描后所得方位方向图和俯仰方向图。

图6和图7分别给出了目标方位角、俯仰角为(0°，5°)时，波束指向多层扫描后所得方位方向图和俯仰方向图。

图8和图9分别给出了目标方位角、俯仰角为(15°，18°)时，波束指向多层扫描后所得方位方向图和俯仰方向图。

从图2～图9看出，针对模拟的4种不同方位俯仰的目标，波束指向方位角、俯仰角扫描到某一角度数字多波束取得的峰值，详细描述如表2所示。

表1 参数设置

表2 方向图分析结果

从表2可以看出，波束指向方位角为φ时，主波束取得峰值；波束指向方位角分别扫描到-Δφ+φ和Δφ+φ时，右波束和左波束分别取得峰值，这说明本文设计的数字多波束方位偏移角度以及左、右波束权值系数的正确性。从图4可以看出，波束指向俯仰角为θ时，主波束取得峰值；波束指向俯仰角分别扫描到-Δθ+θ和Δθ+θ时，上波束和下波束分别取得峰值，这说明本文设计的数字多波束俯仰偏移角度以及上、下波束权值系数的正确性。

3 结束语

本文提出了基于方向图测试这一传统手段，应用于工程实践中数字多波束形成方法及效果的验证。利用模拟的目标数据，通过天线扫描，获得形成的数字多波束方向图。实验结果证明了该方法应用于验证数字多波束形成的有效性，能较好地解决了工程中数字多波束形成验证问题。

[1] 吕继荣,朱子平,胡爱明.数字波束形成技术在雷达信号处理中的实现[J].中国科技信息,2008(12):39- 41.

[2] 闫秋飞,范国平,徐朝阳.子阵幅度加权的低副瓣技术研究[J].舰船电子对抗,2009,32(6):62-65.

[3] 张光义.多波束形成技术在相控阵雷达中的应用[J].现代雷达,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