基于VxWorks和FPGA的雷达数字波束形成技术

2022-04-27刁晶晶陈俊马陈金锐王善松

火控雷达技术 2022年1期

潘浩刁晶晶陈俊马陈金锐王善松

(1. 中国电子科技集团公司第三十八研究所合肥 230008; 2. 中国人民解放军63629部队北京 102600)

0 引言

波束形成技术在多个领域具有重要意义，例如雷达、通信、声波探测、电磁对抗等。在现代智能化技术不断进步的情况下，数字波束形成(Digital Beam Forming, DBF)技术更新换代日益频繁；特别是在雷达领域，智能化、信息化、数字化技术突飞猛进，雷达系统对于平台稳定性、硬件指标、软件设计等方面具有更高的要求。

目前，DBF功能实现基于数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)+现场可编辑逻辑门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)平台，且主要功能模块在FPGA中构建逻辑关系，实现数字计算，形成多波束输出。该平台具有较高的灵活性和扩展性，FPGA模块具有成熟的开发技术，实现过程简单、有效。但在工程应用中，特别是对于目前亟需开发的软件化、参数化雷达系统，这种架构存在一定的缺点，开发周期长，调试过程较为繁琐。嵌入式开发系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。嵌入式系统具有实时性(硬件实时和软件实时)、小尺寸、低功耗、高效率等特点，满足了智能化雷达系统对指标的严格要求。

相比于传统模拟波束形成技术，DBF可实现单个或多个独立可控的波束形成，且对每个通道独立加权，获得优良的波束能力。在实现多阵元、多通道系统数字波束形成时，可以通过采用分级合成方法，减少合成数量，降低信号大小，实现子阵级—全阵级合成的转变，提高数字波束合成效率。

本文基于某工程实例，在VxWorks+FPGA平台中合理运用多级波束合成技术，研究了雷达数字波束合成方法，并通过仿真验证和算例分析验证了多通道、多波束的雷达数字波束形成方法的可行性。

1 VxWorks+FPGA平台构建

数字波束形成算法核心内容包括接收系数计算和全通道波束权重合成两部分。根据目前雷达系统的要求，波束接受系数计算模块对实时性的要求越来越苛刻，DBF系统需要依据当前波束指向和校正补偿，快速计算出不同通道的波束权系数，其更新频率达到毫秒级。而对于全阵面波束权重合成技术，FPGA运用乘法器模块和时序控制模块，将全通道数据拆分为多个子阵集合，通过一级一级合成、传输、累加，最终形成多波束输出，大大提高了波束形成效率，增强了波束性能。VxWorks+FPGA平台基本架构如图1所示。

图1 VxWorks+FPGA平台基本架构

1.1 VxWorks平台开发

VxWorks是目前采用最多的，用于开发实时嵌入式系统的实时嵌入式操作系统，是运行在目标机上的高性能、可裁剪的实时多任务操作系统，其主要思想是在系统中最大限度实现内核的时间可预测性，根据用户定义的任务优先级对任务实现调度，因其良好的可靠性和卓越的实时性被广泛应用于通信、军事、航空航天等高精尖技术领域中。VxWorks操作系统将多任务分为不同优先级，具有强大的同时处理多任务能力，提高了DBF系统的实时性。

在雷达波束形成系统中，VxWorks平台开发的主要任务包括天线通道校正、通道幅相补偿、波束系数计算、窗函数加权等功能模块；同时根据波束调度和FPGA的时序指令，实时更新T/R组件控制参数，实现相控阵雷达多波束合成。VxWorks平台开发接口主要包括波束调度接口、FPGA接口、时序接口，通过RapidIO建立不同平台间的信息交互链路，实现数据、信号量等信息的实时传输，达到快捷、稳定、可靠性高的要求。

VxWorks平台开发过程中，调用主函数功能，实现各个任务的实时处理，等待各外界信号的指令，触发系统中的任务模块，利用多核技术快速计算、获取系统参数，放入缓存中等待处理；同时，根据不同类型时序，响应数据收发功能，将有效数据传输至下一级处理平台中。平台主要包含了门铃响应、时序中断、波调任务、波束数据更新、控制信息传输、Bite自动更新等。

1.2 FPGA平台开发

FPGA由逻辑单元、RAM、乘法器等硬件资源组成，通过将这些硬件资源合理组织，可实现乘法器、寄存器、地址发生器等硬件电路设计。硬件可重构可重复编辑具有逻辑单元灵活、设计方法先进、灵活可编程等优点。FPGA在通信领域、数字信号处理、军工领域、航空航天等多种领域具有广泛应用。FPGA主要特点有：一是具有较大的数据吞吐量，可以用来做高速信号处理；二是并行程度高，可以在每个时钟周期内完成多项并行任务，在数字信号处理的运算能力上具有强大功能；三是接口高速设计可以轻松实现各种串行或并行的数据传输，适用于芯片间互连、背板互连及设备间互连；四是具有灵活的可编程逻辑，可对FPGA进行反复编程、擦除、使用，用不同的可编程电路实现不同的功能。

在数字波束形成过程中，FPGA平台开发主要完成任务包括与时序控制间的接口设计、与T/R组件间接口设计、与VxWorks平台间接口设计、与信号处理间的接口设计、多级DBF设计等。FPGA通过时序控制，根据不同类型的时序触发执行相应的操作，将不同类型数据进行对齐、分析、处理；采集TR组件传输的天线波形信号，对于不同的TR组件上的数据要对数据格式严格对齐，放入不同的flash缓存中；同时，根据地址偏移取出VxWorks平台传输的波束系数，对两种数据进行复乘、累加，输出波束信息。

2 雷达数字波束形成方法

数字波束形成是通过加权因子对不同阵元接收到的信号进行加权、求和来实现波束合成功能的。天线阵面接收到空间回波，通过TR组件转换为数字信号(即I和Q值)，经过TR组件和DBF间的通信通道，将信号数据传输至FPGA。FPGA将I/Q信号与波束形成系数相乘、累加，得到合成波束，至后端做进一步处理。

雷达波束信号由天线搜集，且天线方向为同一种设计，在进行波束合成时无需考虑天线方向的影响，对阵面的通道数据进行全阵合成，即可得到阵面波束信号。对于一个二维阵面，阵面坐标为坐标，则阵面波束计算公式为式(1)所示。

(1)

DBFC进行阵元级波束系数计算，根据当前波束指向和阵元坐标，得到各个通道的波束加权值，传输至FPGA；FPGA采集TR组件下传的波束I/Q值，先对每个TR组件中通道进行波束合成，即波束I/Q值与加权系数进行复数相乘，再进行通道累加；初级合成后对不同TR组件的数据进行求和，最后在某一片FPGA中合成得到不同类型的波束。

3 算例系统与分析

3.1 算例系统

针对以上算法和设计理论，本文构建了实际工程算例，对其进行深入分析，以验证上文中提出方法的可行性。本文选取1000个通道的阵面进行分析，每个TR组件包含10个通道，共计100个TR组件。对于雷达数字波束合成，FPGA采集每个通道的回波数据，根据VxWorks芯片计算出的波束合成系数(考虑TR组件通道误差)，将两组数据进行乘法、求和运算，得到波束信息。

3.2 算例分析

1)雷达数字波束形成

雷达全阵面通道进行波束合成，通过采集各个通道收到的信号(I/Q数据)，计算机芯片进行波束系数计算处理，求得各个通道补偿后的指向系数，传输至FPGA；在FPGA中利用乘法器资源对原始回波数据和波束指向系数进行乘累运算，得到波束数据。

本系统产生波瓣扫描时序，方位/俯仰指向角由-60°扫描至60°，步进0.05°，俯仰/方位指向角为0°，分别得到2400组波束数据，以扫描角度为横坐标，波束数据的幅度值为纵坐标，得到方位波束扫描合成情况和俯仰波束扫描合成情况，如图2和图3所示，分别对和波束和差波束进行对比，在中间0点位置和波束幅度最大，差波束最小，形成和差波束曲线。