基于FPGA的宽带雷达波束形成技术

汪灏

[摘要]雷达波束形成（DBF）作为相控阵雷达体系中的核心环节之一，其作用不言而喻；宽带波束形成是实现数字阵列雷达工程实现中的主要难点之一。本文介绍一种利用信道复用技术来实现宽带雷达波束形成的方式，着重在于结合实际工程实践中的难点并给出解决方案，旨在减少雷达信号处理系统中硬件资源使用量，

[关键词]宽带波束形成；相控阵雷达；信道复用

0引言

在雷达信号处理中，数字波束形成技术是相控阵雷达体制的核心技术之一，宽带波束形成又以其独特的难点成为雷达系统设计过程中所必须要关注的重点问题。其难点一般在于其带宽范围大，数据通量特别大，多波束情况下尤其对于数据传输以及运算所提出的要求非常高，即数据吞吐率以及运算要求这两方面要求都非常高，这对硬件实现提出了非常高的要求，尤其在板件数据传输以及板内数据运算单元这两方面都有非常高的要求。目前，在已知的宽带信号处理系统中，带宽达到几百兆的情况下所采用的硬件架构基本相似，都是采用高速光纤来进行数据传输，利用越来越高端的FPGA来进行信号处理，往往还需要形成同时多波束，这就使得FPGA内部的乘法器出现倍数的增长，乘法器数目从开始的几十个到后来的几百个，以至于现在的几千个，阵元以及波束越来越多，硬件整体规模越来越大。如何在满足系统设计功能的前提下，尽可能减少硬件规模已成为设计师们的新的挑战。

1波束形成算法

图1中列出了10个阵元，阵元间距离为d，目标回波信号与垂直线角度为θ，载波波长为λ，那么相邻阵元间的空间相位差如图中所示。

△Φ=2πd sinθ/λ （1）

陣元编号为N，N取值从0至9，那么以0阵元为基准，1到9阵元分别需要补偿的相位为Φn=-N*△Φ。波束形成网络输出：

Y（t）=∑X_n*e^j*φ （2）

作为DBF模块设计，系数的作用是保证将接收到的回波信号进行相位修正，保证输入的信号相位一致，从而增加信号的信噪比，同相的信号幅度会发生累加，但是附带的白噪声信号由于它的随机性，会出现相消的现象，这个在本质上会提高输入信号的信噪比。

2工程实现

宽带波束形成网络的规模异常庞大，一般需要消耗数量巨大的硬件资源，尤其是其中的复数乘法器资源。例如，一个400M的宽带信号输入，利用信道化技术将其划分为16M，信道化之后的输出为25个子信道，对每一路都要进行子带的波束形成，假设阵元数量为16，16个同时多波束。那么单个信道所需要的复数乘法器的数量为256个，换算为实数乘法器的数量为1024个，单个信道所需要的乘法器数量已经超出了绝大多数FPGA的片内所含有的乘法器的数量，在实际的工程实践中必须采取相应措施来保证在有限的资源的前提下实现特定功能。首先，最主要的改进措施是采取分时复用的方式，16M的信号根据奈奎斯特采样定律，只需要32M的采样频率即可，乘法器工作频率定为32M对于目前的主流FPGA来说是一种浪费，目前主流的FPGA的乘法器的工作频率基本都能达到200M，采用分时复用的方式可以提高乘法器的利用效率，复用方式分为两种，一种是利用阵元复用，另外一种是采用信道复用。图2给出了6信道复用的基本的框架图，W到W表示的是1到6信道的DBF系数，D到D表示的1到6信道的雷达接收数据，以6为周期循环进入乘法器，乘法器的输出也是以6为周期输出。采用6信道复用那么乘法器的时钟上升到192M，此时在工程实现中所附带的问题就是FPGA程序的建立保持时间的要求更加苛刻，需要在程序设计过程中时刻保证时序完整性。

3硬件实现方案

基于信道化复用的波束形成板的实现硬件采用的是基于Xilinx公司推出的高端器件Virtex-7系列XC7VX690T的芯片而自主开发的波束形成板。该芯片含有超过一百万的逻辑连线资源，以及3600个乘法器资源，单块波束形成板卡上集成了两片XC7VX690T的芯片，总共含有7200个实数乘法器，即2400个复数乘法器，总共配有8路光模块接口，每个接口采用12合1方式，即12根单纤，总共96根单纤，每根单纤可实现10Gbit/s的吞吐率，单板最高可实现960Gbit/s的吞吐率：板件有高速板间总线，能够实现片间数据互传。该板卡无论是在数据吞吐量还是在片内处理能力上都具备了就目前的技术水平来说极高的水平，可见在板卡设计时，设计师们所关注的最主要的两个性能指标就是数据吞吐量以及运算能力。该单板可实现16个阵元，25个信道，10个波束的信道化以及DBF程序。

该电路板的实物图如图4所示。

4仿真及实测

在系统设计之初需要利用Marlab对波序形成系统进行仿真，验证其功能正确，如图中5所示的是在正负30度范围内的均匀分布的16个波束的波束指向图的仿真结果，副瓣-25db。单个波束内分为18个信道相互叠加。

在程序实现过程中，利用Matlab仿真结果，产生相关的模拟的回波数据以及系数，预先写入到FPGA的内部存储区域。在程序的实际运行过程中，通过开关控制，使得程序既可以选择实际的输入数据作为数据源，也可选择仿真数据作为数据源，作为程序在调试过程中的一种自检方式，图6给出了实际板卡上运行的结果图。

5结束语

本文介绍了工程实践中使用宽带波束形成算法，然后根据实际工程实现过程中遇到的资源使用过大的问题，结合现有的DBF板卡，提出了信道复用的方式，大大优化了资源利用率，减少了设备使用率，减少设备成本。

[责任编辑：杨玉洁]