專利名稱：二維數(shù)字陣列雷達(dá)數(shù)字波束形成系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于雷達(dá)信號(hào)處理技術(shù)領(lǐng)域，涉及數(shù)字波束形成DBF，具體地說(shuō)是一種應(yīng)用 FPGA和DSP在系統(tǒng)時(shí)序要求下實(shí)時(shí)進(jìn)行陣列寬窄脈沖的和、差、行、列多波束形成，可用于 二維大型數(shù)字陣列雷達(dá)，獲得優(yōu)良的波束性能。
背景技術(shù)：
為了適應(yīng)日益嚴(yán)峻的目標(biāo)環(huán)境和高度對(duì)抗的電磁環(huán)境，雷達(dá)的性能必須大幅度提 高，即必須具備高精度、多功能多目標(biāo)探測(cè)、抗干擾、多種自適應(yīng)和目標(biāo)識(shí)別能力。隨著直接 數(shù)字頻率合成技術(shù)DDS、模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)ADC，尤其是超大規(guī)模數(shù)字電路、多元件T/R模塊、微 處理芯片及光纖的發(fā)展，二維數(shù)字陣列雷達(dá)將逐漸替代模擬雷達(dá)和線陣數(shù)字雷達(dá)。數(shù)字波 束形成是全數(shù)字化陣列雷達(dá)中的關(guān)鍵，數(shù)字波束形成技術(shù)由于保留了天線陣列單元信號(hào)的 全部信息，并可采用先進(jìn)的數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)對(duì)陣列信號(hào)進(jìn)行處理，可以獲得優(yōu)良的波束 性能。近幾年，國(guó)內(nèi)的數(shù)字波束形成技術(shù)工作有了一定的進(jìn)展，但二維數(shù)字陣列雷達(dá)還 基本處于實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)階段。較為典型的有1.孫曉舟等2007年在《中國(guó)電子科學(xué)研究院學(xué)報(bào)》發(fā)表的《多工作模式下數(shù)字波 束形成的工程實(shí)現(xiàn)》；盛衛(wèi)星等2007年在全國(guó)天年會(huì)議文集發(fā)表的《二維數(shù)字波束形成接收 陣研究》；田可2009年在《現(xiàn)代電子技術(shù)》發(fā)表的《一種高速實(shí)時(shí)波束形成器設(shè)計(jì)》。上述文 獻(xiàn)中提到的方法雖然實(shí)現(xiàn)了數(shù)字波束形成的功能，但由于數(shù)據(jù)傳輸量的限制，只適用于一 維或陣列規(guī)模及波束數(shù)量不太大的二維系統(tǒng)，且波束掃描靈活性有限。2.許多學(xué)者提出采用子陣級(jí)DBF方法將大型陣列劃分成多個(gè)子陣處理，從而降低 大型陣列信號(hào)處理的復(fù)雜度，但這些方法均存在一定的缺陷，例如采用均勻鄰接子陣，其結(jié) 構(gòu)簡(jiǎn)單，但存在較嚴(yán)重的柵瓣現(xiàn)象；采用重疊均勻子陣，雖然減少了柵瓣數(shù)，但由于存在交 疊使用的子陣結(jié)構(gòu)，其饋電系統(tǒng)較為復(fù)雜，工程實(shí)現(xiàn)難度較大。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述已有技術(shù)的不足，提出一種二維數(shù)字陣列雷達(dá)數(shù)字波 束形成系統(tǒng)及方法，既能增大數(shù)據(jù)傳輸量和系統(tǒng)規(guī)模，增加波束數(shù)量，提高波束掃描的靈活 性，又不增加饋電系統(tǒng)的復(fù)雜度，便于工程實(shí)現(xiàn)。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的波束形成系統(tǒng)包括MXN個(gè)陣元的二維矩形數(shù)字陣列天線，M為每列天線的個(gè)數(shù)，N為每行天線的個(gè) 數(shù)，用于雷達(dá)信號(hào)的發(fā)射與接收；DSP器件，用于利用如下公式計(jì)算二維數(shù)字陣列和波束的權(quán)值％(祝勸、差波束的 權(quán)值％(祝勸、行波束的權(quán)值巧(祝勸及列波束的權(quán)值巧(祝勸，并將這些權(quán)值通過(guò)總線傳給 FPGA
權(quán)利要求
1.一種二維數(shù)字陣列雷達(dá)數(shù)字波束形成系統(tǒng)，包括MXN個(gè)陣元的二維矩形數(shù)字陣列天線，M為每列天線的個(gè)數(shù)，N為每行天線的個(gè)數(shù)，用 于雷達(dá)信號(hào)的發(fā)射與接收；DSP器件，用于利用如下公式計(jì)算二維數(shù)字陣列和波束的權(quán)值％(祝勸、差波束的權(quán) 值巧(祝勸、行波束的權(quán)值巧(祝勸及列波束的權(quán)值巧(祝勸，并將這些權(quán)值通過(guò)總線傳給 FPGA
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的二維數(shù)字陣列雷達(dá)數(shù)字波束形成系統(tǒng)，其中DSP器件采用 ADSP-TS201芯片，其外部連接一片SDRAM芯片和一片F(xiàn)LASH芯片，該SDRAM芯片用于擴(kuò)展存 儲(chǔ)空間，該FLASH芯片用于DSP程序加載和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的二維數(shù)字陣列雷達(dá)數(shù)字波束形成系統(tǒng)，其中FPGA器件采用 Stratix IV GX系列的EP4SGX1IOF芯片，其外部連接兩片SRAM芯片、一片高速DA芯片和 12對(duì)光纖接口，該SRAM芯片用于擴(kuò)展FPGA存儲(chǔ)空間，該DA芯片用于合成波束的驗(yàn)證，12 對(duì)光纖接口用于接收通過(guò)光纖傳輸至FPGA的天線數(shù)據(jù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的二維數(shù)字陣列雷達(dá)數(shù)字波束形成系統(tǒng)，其中DSP通過(guò)地址總線和數(shù)據(jù)總線與FPGA實(shí)時(shí)通信。
5.一種二維數(shù)字陣列雷達(dá)數(shù)字波束形成方法，包括(1)通過(guò)FPGA器件接收二維數(shù)字陣列發(fā)送的接收波束的頻率、方位角和俯仰角信息；(2)DSP器件從FPGA器件中讀取所接收的信息，并根據(jù)接收波束的頻率、方位角和俯仰 角信息，利用如下公式計(jì)算二維數(shù)字陣列和波束權(quán)值％(祝勸、差波束權(quán)值％(祝勸、行波束 權(quán)值巧(祝勸及列波束權(quán)值巧(祝Φ)
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的二維數(shù)字陣列雷達(dá)數(shù)字波束形成方法，其中，步驟(2)所述的 計(jì)算二維數(shù)字陣列和波束權(quán)值祝勸，包括計(jì)算寬脈沖和波束權(quán)值和窄脈沖和波束權(quán)值 兩種，即窄脈沖和波束權(quán)值
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的二維數(shù)字陣列雷達(dá)數(shù)字波束形成方法，其中，步驟(2)所述的 計(jì)算二維數(shù)字陣列差波束權(quán)值祝勸，包括計(jì)算寬脈沖差波束權(quán)值和窄脈沖差波束權(quán)值 兩種，即窄脈沖差波束權(quán)值
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的二維數(shù)字陣列雷達(dá)數(shù)字波束形成方法，其中，步驟(2)所述的 計(jì)算二維數(shù)字陣列行波束權(quán)值巧(祝勸，包括計(jì)算寬脈沖行波束權(quán)值和窄脈沖行波束權(quán)值 兩種，即窄脈沖行波束權(quán)值
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的二維數(shù)字陣列雷達(dá)數(shù)字波束形成方法，其中，步驟(2)所述的 計(jì)算二維數(shù)字陣列的列波束權(quán)值巧(祝勸，包括計(jì)算寬脈沖列波束權(quán)值和窄脈沖列波束權(quán)值 兩種，即窄脈沖列波束權(quán)值
10.根據(jù)權(quán)利要求5所述的二維數(shù)字陣列雷達(dá)數(shù)字波束形成方法，其中，步驟(4)所述 的二維數(shù)字陣列和、差、行、列波束形成，包括(IOa)光纖數(shù)據(jù)移位處理步驟光纖數(shù)據(jù)在傳輸過(guò)程中根據(jù)校驗(yàn)控制碼判斷數(shù)據(jù)是否 正確，若校驗(yàn)控制碼為3，則光纖數(shù)據(jù)正確，若校驗(yàn)控制碼不為3，則光纖數(shù)據(jù)會(huì)出現(xiàn)高、低8 位移位的現(xiàn)象，進(jìn)行移位糾正；(IOb)目標(biāo)回波數(shù)據(jù)對(duì)齊處理步驟接收到的目標(biāo)回波數(shù)據(jù)經(jīng)移位校正處理后，將其 由實(shí)虛部數(shù)據(jù)按照高低位拼接成32bit的數(shù)據(jù)，再通過(guò)一組雙口 RAM讀寫操作將各路目標(biāo) 回波數(shù)據(jù)按距離單元嚴(yán)格對(duì)齊，防止因光纖傳輸距離誤差引起的距離單元錯(cuò)位；(IOc)數(shù)據(jù)拼接步驟將對(duì)齊處理后的12路目標(biāo)回波數(shù)據(jù)的第2路、第4路、第6路、 第8路、第10路和第12路數(shù)據(jù)分別拼接在第1路、第3路、第5路、第7路、第9路和第11 路目標(biāo)回波數(shù)據(jù)之后，得到6路目標(biāo)回波數(shù)據(jù)Si,k(t)；(IOd)權(quán)值分發(fā)步驟將FPGA器件接收的窄脈沖和波束權(quán)值％(義識(shí)’)、差波束權(quán)值 W^,φ)、行波束權(quán)值、列波束權(quán)值^矽乂)和寬脈沖和波束權(quán)值、差波 束權(quán)值、行波束權(quán)值、列波束權(quán)值)分發(fā)到兩組RAM中存儲(chǔ)； (IOe)和、差、行、列波束形成步驟(IOel)將步驟(IOc)拼接后的目標(biāo)回波數(shù)據(jù)Si,k(t)與步驟(IOd)存儲(chǔ)的窄脈沖和波 束權(quán)值％矽舊)、差波束權(quán)值爐A(0’#)、行波束權(quán)值及列波束權(quán)值^矽乂)按如下公式進(jìn)行運(yùn)算，完成窄脈沖的和波束& (W,識(shí))、差波束4卜沒(méi)>)、行·和列波束 X+,義識(shí))的形成
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種二維數(shù)字陣列雷達(dá)數(shù)字波束形成系統(tǒng)及方法，主要解決了現(xiàn)有技術(shù)數(shù)據(jù)傳輸及運(yùn)算量有限，系統(tǒng)規(guī)模小，波束控制不靈活的問(wèn)題。本發(fā)明的系統(tǒng)包括M×N個(gè)陣元的二維矩形數(shù)字陣列天線，DSP器件，F(xiàn)PGA器件及外圍附屬器件；本發(fā)明的數(shù)字波束形成步驟是FPGA器件接收二維數(shù)字陣列發(fā)送的接收波束的頻率、方位角和俯仰角信息；DSP根據(jù)FPGA接收的信息，計(jì)算二維數(shù)字陣列和、差、行及列波束權(quán)值，并將這些權(quán)值發(fā)送至FPGA器件；FPGA器件利用權(quán)值和光纖傳輸?shù)哪繕?biāo)回波信號(hào)，在FPGA器件中形成二維數(shù)字陣列的和、差、行及列波束。本發(fā)明具有數(shù)據(jù)傳輸量和系統(tǒng)規(guī)模大，波束數(shù)量多，波束掃描靈活，實(shí)時(shí)性強(qiáng)，適用于二維大型陣列雷達(dá)的數(shù)字波束形成。
文檔編號(hào)G01S7/41GK101995566SQ20101050967
公開(kāi)日2011年3月30日 申請(qǐng)日期2010年10月15日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月15日
發(fā)明者周琦, 朱偉, 楊明磊, 陳伯孝 申請(qǐng)人:西安電子科技大學(xué)