CN107748354B - 基于分析与综合的宽带数字波束形成装置 - Google Patents

基于分析与综合的宽带数字波束形成装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于分析与综合的宽带数字波束形成装置，数字信道化模块对输入的多个阵元的雷达信号分别进行信道化处理，将高速采集到的雷达信号均匀分配到子带数字波束形成模块的各个子带信道进行同时处理，子带数字波束形成模块对各个阵元同一信道做子带波束形成，若有K个信道，需要形成N个波束，则子带数字波束形成模块输出为N*K个信道的波束样本点，信道综合模块对通过子带数字波束形成模块处理的同一波束的不同子带信号做信道合成，完成宽带数字波束形成。本发明具有以下优点：占用硬件资源少，易于工程实现，宽带波束形成后的信号波形不会出现畸变，满足了后续信号处理参数测量与分析的要求。

Description

基于分析与综合的宽带数字波束形成装置
技术领域
本发明涉及宽带波束形成领域，尤其涉及一种电子信号侦察***中的基于信道分析和信道综合的宽带数字波束形成装置。
背景技术
数字波束形成技术是相控阵***中的关键技术之一，直接影响着***效能的发挥。目前，窄带数字波束形成技术在传统相控阵***中已有广泛应用。然而，对电子信号侦察***，***带宽越来越宽，传统的窄带波束形成不再适用，这就需要在宽带***中采用宽带数字波束形成技术。同时，电子信号侦察***要求具备时域、空域和频域宽开的特征，宽带数字波束形成便是满足这些特征的关键技术之一。因此，研究宽带数字波束形成具有重要意义。
宽带数字波束形成方法主要分为时域、频域和空域的方法。时域宽带波束形成采用抽头延迟线组结构或FIR滤波器组结构，需要较长长度的抽头延迟线或较高阶次的FIR滤波器，硬件复杂度高。空域波束形成技术是在扇形滤波器的基础上发展起来的，所需阵元数较大，其改进算法的计算复杂度较高。频域宽带波束形成对***前端要求较低，更适用于工程实现。其思想是先利用DFT把宽带信号划分为若干频率柜，在各个窄带频率柜上做窄带波束形成，最后逆DFT运算得到宽带波束形成时域结果。基于DFT的频域宽带波束形成在逆DFT后，宽带信号波形出现畸变，对波束形成后的信号处理造成不良影响。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供了一种克服了宽带信号波形出现畸变的基于分析与综合的宽带数字波束形成装置。
本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的：一种基于分析与综合的宽带数字波束形成装置，包括数字信道化模块、子带数字波束形成模块和信道综合模块，子带数字波束形成模块包括若干个子带信道，数字信道化模块对输入的多个阵元的雷达信号分别进行信道化处理，将高速采集到的雷达信号均匀分配到子带数字波束形成模块的各个子带信道进行同时处理，子带数字波束形成模块对各个阵元同一信道做子带波束形成，若有K个信道，需要形成N个波束，则子带数字波束形成模块输出为N*K个信道的波束样本点，信道综合模块将通过带数字波束形成模块处理的信号进行宽带数字波束形成。
作为优化的技术方案，各个子带信道彼此之间具有独立性。
作为优化的技术方案，所述多相滤波装置包括依次连接的抽取信号的信号抽取单元、分析滤波器、DFT单元以及乘法器，信号抽取单元将高速采集到的雷达信号抽取为K路数据，然后原型滤波器分解为K相进行滤波，最后经过DFT单元的K点输出K路数据，对每路数据乘上相应的系数，得到K个信道的样本点。
作为优化的技术方案，所述子带数字波束形成是在某一个信道上，对某个方向入射信号，补偿由于天线单元在空间位置不同带来的通道间的相位差，实现信号同相叠加。
作为优化的技术方案，该信道综合模块包括依序连接的IDFT单元、抽取单元、以及多相滤波单元，它是信道化的逆过程，将多个窄带信号综合为宽带信号。
作为优化的技术方案，信道综合的公式为
Figure GDA0002738478370000021
其中j＝0,1,...,M-1，
Figure GDA0002738478370000031
为信道综合第k支路的输入，M为插值率，fk(n)为带通滤波器。
作为优化的技术方案，所述数字信道化模块采用2倍过采的多相滤波结构将宽带信号划分为窄带，所述信道综合模块采用2倍过采的多相滤波结构将多个窄带波束合成为宽带波束。作为优化的技术方案，所述信道综合模块将信道综合的输入分为正负两路，多相滤波时，根据每相滤波器编号的奇偶，选择相应数据与滤波器系数对应相乘。
作为优化的技术方案，所述信道综合模块将信道综合的输入分为两路，将其中一路的系数
Figure GDA0002738478370000032
固定为1，另一路系数固定为－1，经过IFFT后，对不同的多相阶数fj(p)，当p为奇数时，选择乘－1的一路对应数据与滤波器系数对应相乘，当p为偶数时，选择乘1的一路数据与滤波器系数对应相乘。
作为优化的技术方案，所述数字信道化模块和信道综合模块所用的分析滤波器与综合滤波器相同。
本发明相比现有技术具有以下优点：通过对各个通道输入雷达信号采用分析滤波器进行信道化处理，将宽带信号划分为窄带，分析滤波器可以达到较高主副比，有效抑制宽带信号交叠问题；通过对校正后各个信道做窄带波束形成，在指定方向上形成波束；数字信道综合模块利用综合滤波器，将同一指向波束的各个窄带合成为一个宽带信号，从而形成一个宽带波束，克服现有技术中宽带信号波形出现畸变，难以满足后续信号处理参数测量与分析的要求的问题。
附图说明
图1是本发明实施例的装置框图。
图2是基于多相滤波结构的数字信道化原理图。
图3是窄带波束形成原理图。
图4是基于多相滤波结构的信道综合原理图。
图5是信道综合前后信号时域比较图(放大图)。
图6是近似重构滤波器组部分滤波器幅频响应图。
图7是波束输出信号图。
图8是宽带数字波束形成波束扫描图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1所示，本发明基于分析与综合的宽带数字波束形成装置包括数字信道化模块1、子带数字波束形成模块2和信道综合模块3。子带数字波束形成模块2包括若干个子带信道。
数字信道化模块1对输入的多个阵元的雷达信号分别进行信道化处理。信道化可以将高速采集到的雷达信号均匀分配到子带数字波束形成模块2的各个子带信道进行同时处理，且彼此之间具有独立性。工程上，数字信道化模块1采用基于分析滤波器的多相滤波装置来实现，如图2所示。图2中，所述多相滤波装置包括依次连接的抽取信号的信号抽取单元、分析滤波器、DFT(离散傅里叶变换)单元以及乘法器。信号抽取单元将高速采集到的雷达信号抽取为K路数据，然后分析滤波器分解为K相进行滤波，最后经过DFT单元的K点输出K路数据，对每路数据乘上相应的系数，就可以得到K个信道的样本点。
子带数字波束形成模块2对各个阵元同一信道做子带波束形成，如图3所示。由于数字信道化模块1已经做过信道化处理，当信道带宽较小时，每个信道的输出信号可以看作窄带信号。当每个信道的带宽较大时，需要进行恒定束宽处理。子带数字波束形成是在某一个信道上，对某个方向入射信号，补偿由于天线单元在空间位置不同带来的通道间的相位差，实现信号同相叠加，从而实现该方向的最大能量接收。波束形成器由乘加器组成，不同阵元的同一信道与相应的波束形成系数相乘并累加，得到子带波束。若有K个信道，需要形成N个波束，则子带数字波束形成模块2输出为N*K个信道的波束样本点。信道综合模块3是基于综合滤波器的信道综合模块。该信道综合模块3是宽带数字波束形成的核心部分，其多相滤波结构的信道综合原理图如图4所示。该信道综合模块3包括依序连接的IDFT(离散傅里叶变换)单元、抽取单元、以及多相滤波单元，它是信道化的逆过程，可将多个窄带信号综合为宽带信号。若是对数字信道化模块1的输出直接进行信道综合，一般情况下，我们希望重建后的宽带信号，是信道化输出信号的再现。从信道综合的原理出发，可推导得到信道综合的公式为
Figure GDA0002738478370000051
其中j＝0,1,...,M-1，
Figure GDA0002738478370000052
为信道综合第k支路的输入，M为插值率，fk(n)为带通滤波器。
当进行临界采样时，K＝M，则
Figure GDA0002738478370000053
而进行过采样时，如2倍过采，K＝2M，则
Figure GDA0002738478370000054
分析上式可以发现
(1)
Figure GDA0002738478370000055
是
Figure GDA0002738478370000056
的K点IFFT；
(2)如果K＝2M，即信道化时对输入一倍过采，则有
Figure GDA0002738478370000057
(3)
Figure GDA0002738478370000061
为IFFT输出后，综合滤波器的多相滤波结果。
根据信道综合的多相结构公式，信道综合的实现是在对输入乘以一定系数的基础上，对各信道数据做联合IFFT。然后对IFFT输出数据，仅取一半信道，再对各路进行多相滤波，各路顺序输出，得到信道综合的输出结果。当分析滤波器与综合滤波器设计为完全/近似重构滤波器时，信道综合输出结果即为信道化输入信号的重现。信道综合前后的对比图如图5所示。
信道综合公式中，
Figure GDA0002738478370000062
是一个相对变量，它与时间刻度r无关，是信道号k和相对时延p的函数。即对于奇数信道数据流
Figure GDA0002738478370000063
相对时延的不同，
Figure GDA0002738478370000064
会有1和－1两种可能。因此，为了FPGA实现的方便，可将信道综合的输入分为两路，将其中一路的系数
Figure GDA0002738478370000065
固定为1，另一路系数固定为－1。经过IFFT后，对不同的多相阶数fj(p)，当p为奇数时，选择乘－1的一路对应数据与滤波器系数对应相乘，当p为偶数时，选择乘1的一路数据与滤波器系数对应相乘。
该实施例中，分析滤波器和综合滤波器的设计是信道化及信道综合重要的一部分本实施例采用部分重叠的均匀滤波器组。采用过采样设计，减少抽取后信号的频谱混叠，使混叠频率处于滤波器阻带内，可减少滤波器设计复杂度，使滤波器设计的灵活性更高。原型滤波器采用基于最小二乘的方法，通过多次叠代优化得到滤波器系数。由于滤波器的优化算法复杂，不宜工程实现，本实施例通过matlab软件设计需要的原型滤波器系数，并将滤波器系数存在RAM中，通过读取RAM中的滤波器系数来实现滤波。本实施例中的分析与综合原型滤波器相同，且信道化与信道综合皆基于一倍过采设计。根据该方法设计的滤波器组如图6所示。
经过数字信道化模块1、子带数字波束形成模块2和信道综合模块3，可以得到宽带数字波束形成的输出结果，输出信号如图7所示。从图7可以看出，宽带波束形成后的信号未出现畸变，保持了信号的完整性，可用于后端信号信号检测、参数测量等处理。对来波方向进行扫描，可以得到宽带数字波束形成的波束扫描图，如图8所示。图8中为一个指向一定角度的波束，该指向与设置了波束指向相同，验证了该宽带波束形成方法的正确性。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于分析与综合的宽带数字波束形成装置，其特征在于，包括数字信道化模块、子带数字波束形成模块和信道综合模块，子带数字波束形成模块包括若干个子带信道，数字信道化模块对输入的多个阵元的雷达信号分别进行信道化处理，将高速采集到的雷达信号均匀分配到子带数字波束形成模块的各个子带信道进行同时处理，子带数字波束形成模块对各个阵元同一信道做子带波束形成，若有K个信道，需要形成N个波束，则子带数字波束形成模块输出为N*K个信道的波束样本点，信道综合模块将通过带数字波束形成模块处理的信号进行宽带数字波束形成；
所述数字信道化模块采用2倍过采的多相滤波结构将宽带信号划分为窄带，所述信道综合模块采用2倍过采的多相滤波结构将多个窄带波束合成为宽带波束；
所述多相滤波结构包括依次连接的抽取信号的信号抽取单元、分析滤波器、DFT单元以及乘法器，信号抽取单元将高速采集到的雷达信号抽取为K路数据，然后原型滤波器分解为K相进行滤波，最后经过DFT单元的K点输出K路数据，对每路数据乘上相应的系数，得到K个信道的样本点；
所述子带数字波束形成是在某一个信道上，对某个方向入射信号，补偿由于天线单元在空间位置不同带来的通道间的相位差，实现信号同相叠加；
该信道综合模块包括依序连接的IDFT单元、抽取单元、以及多相滤波单元，它是信道化的逆过程，将多个窄带信号综合为宽带信号；
信道综合的公式为
Figure FDA0003216109650000011
其中j＝0,1,...,M-1，
Figure FDA0003216109650000012
Figure FDA0003216109650000013
为信道综合第k支路的输入，M为插值率；
所述信道综合模块将信道综合的输入分为正负两路，多相滤波时，根据每相滤波器编号的奇偶，选择相应数据与滤波器系数对应相乘；
所述信道综合模块将信道综合的输入分为两路，将其中一路的系数
Figure FDA0003216109650000021
固定为1，另一路系数固定为－1，经过IFFT后，对不同的多相阶数fj(p)，当p为奇数时，选择乘－1的一路对应数据与滤波器系数对应相乘，当p为偶数时，选择乘1的一路数据与滤波器系数对应相乘。
2.根据权利要求1所述的一种基于分析与综合的宽带数字波束形成装置，其特征在于，各个子带信道彼此之间具有独立性。
3.根据权利要求1所述的一种基于分析与综合的宽带数字波束形成装置，其特征在于，所述数字信道化模块和信道综合模块所用的分析滤波器与综合滤波器相同。
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