宽带数字阵列雷达接收通道的优化设计方法技术

本发明专利技术公开了一种宽带数字阵列雷达接收通道的优化设计方法，通过改变宽带数字阵列雷达接收通道的抽取模块及分数时延滤波器的相对位置，将后级抽取结构中的抗混叠滤波器前置，并将可变分数时延滤波器移到抽取模块之前,得到等效多级滤波器，从而根据等效多级滤波器的通带内纹波、阻带内纹波、通带截止频率、阻带截止频率要求，设计目标函数和约束条件来得到优化设计。本发明专利技术能有效地减少各级滤波器的阶数，降低系统复杂度和功耗。

【技术实现步骤摘要】
宽带数字阵列雷达接收通道的优化设计方法
本专利技术属于宽带数字阵列
，具体涉及一种基于时延波束形成的宽带数字阵列接收通道的优化设计方法。
技术介绍
宽带数字阵列由于存在相控阵天线孔径效应及天线孔径渡越时间，直接采用相位加权无法形成期望的宽带波束方向图，因此，需采用基于时延的宽带波束形成方法。在采用数字时延方式时，常规的宽带数字阵列(WB-DAR)接收通道包括N个LNA(低噪声功放)、ADC(数模转换)、NCO(数字控制振荡器)和幅相加权模块，以及2N个抽取、整数时延和分数时延模块构成，其中N(N＞2)表示通道数，其结构如图1所示：LNA的输入端用于输入阵列接收信号，输出端与ADC的输入端相连，ADC的输出端分为两路，一路与NCO的同相输出端作为一个乘法器的输入，另一路与NCO的正交输出端作为另一个乘法器的输入，两个乘法器分别输出I路基带信号和Q路基带信号送到抽取模块的输入端，各抽取模块的抗混叠滤波器实现对输入信号的M倍(预设值)抽取处理；对应同一NCO的两个抽取模块的输出端分别与同一幅相加权模块的两个输入端相连，各幅相加权模块基于预置的幅相加权值Wi(i＝0,1,…,N-1)对输入信号进行幅相加权处理；幅相加权模块的两路输出端分别连接一个整数倍时延模块，该整数倍时延模块基于预置的整数倍时延值Di(i＝0,1,…,N-1)实现对输入信号的整数倍时延处理，其中对应同一幅相加权模块的两个整数倍时延模块的时延值Di相同；整数倍时延模块的输出端与分数时延模块的输入端相连，该分数时延模块通过滤波器实现对输入信号的可变分数时延，其滤波器通常采用Farrow结构，如图2所示，其中x(n)为滤波器输入，y(n)为滤波器输出，Gl(z)表示Farrow子滤波器，其中l＝0,…,L，L+1表示Farrow子滤波器数，dl(l＝0,…,L)表示分数时延加权因子，即基于预置的dl的对输入信号进行分数时延处理，其中对应同一幅相加权模块的两个分数时延模块的dl相同；最后分别对N个对应I路基带、Q路基带的分数时延模块的输出进行合并得到对应的I路基带信号、Q路基带信号。在采用FPGA实现时，WB-DAR接收通道需要用到大量的乘法器和加法器资源，使得接收通道资源消耗大，而减少接收通道资源消耗的途径在于优化设计方法，以降低抗混叠滤波器和分数时延滤波器的阶数，来满足指定的性能指标条件。
技术实现思路
本专利技术的专利技术目的在于：根据等价变换后整个通道的总体频率响应特性设计目标函数和约束条件，求解各级抗混叠滤波器和分数时延滤波器系数，降低滤波器阶数和系统复杂程度。本专利技术的宽带数字阵列雷达接收通道的优化设计方法，包括下列步骤：改变宽带数字阵列雷达接收通道的抽取模块及分数时延滤波器的相对位置，将后级抽取结构中的抗混叠滤波器前置，并将可变分数时延滤波器移到抽取模块之前,得到等效多级滤波器，从而根据等效多级滤波器的通带内纹波、阻带内纹波、通带截止频率、阻带截止频率要求，设计目标函数和约束条件来得到优化设计；等效多级滤波器的总体频率响应函数H(jω)＝H1(jω)H2(jM1ω)Hd(jMω)，其中H1(jω)表示第一级抗混叠滤波器的频率响应，H2(jM1ω)表示第一级抗混叠滤波器的频率响应，Hd(jMω)表示第三级的可变分数时延滤波器的频率响应；基于总体频率响应函数H(jω)与理想频率响应函数Hid(jω)的误差尽可能小，同时等效多级滤波器的各级滤波器的阶数尽可能小的优化目的进行近似最优解求解，得到各级滤波器的阶数、系数，以及可变分数时延滤波器的分支滤波器数量，完成宽带数字阵列雷达接收通道的优化设计。优选的，可设置上述优化目的的目标函数为：其中理想频率响应函数加权函数δc为通带内纹波，δs为阻带内纹波，为滤波器的通带截止频率，为滤波器的阻带起始频率，表示滤波器的频率响应，ω表示频率，e表示自然底数，j为虚数单位，N表示滤波器阶数，d表示时延量。进一步的，将对应总体频率响应函数H(jω)的阻带起始频率ωs＝π/M，且对应的通带截止频率ωc＝π/M-Δ，Δ＞0，M表示宽带数字阵列雷达接收通道的总抽取倍数。对目标函数的最优化准则一般可以从最小最大化、最小二乘和约束最小二乘等不同准则中选择，当采用最小最大化准则对等效多级滤波器进行近似最优解求解，其具体步骤可以为：(1)初始化δc、δs、ωc、ωs，以及分数时延间隔、时延误差门限，第一、二级抗混叠滤波器的抽取倍数M1、M2，总抽取倍数M＝M1×M2；(2)各级滤波器的单独优化求解：设置第一级抗混叠滤波器的阻带起始频率ωs1＝π/M1，通带截止频率ωc1＝ωc，以及时延量d＝0；基于当前δc和δs，根据目标函数得到第一级抗混叠滤波器的N1/2+1个第一级抗混叠滤波器系数h1(n)的当前优化值，其中N1表示第一级抗混叠滤波器阶数，n为对应滤波器系数的序号；设置第二级抗混叠滤波器的阻带起始频率ωs2＝π/M2，通带截止频率ωc2＝M1ωc，以及时延量d＝0；基于当前δc和δs，根据目标函数得到第二级抗混叠滤波器的N2/2+1个第二级抗混叠滤波器系数h2(n)的当前优化值，其中N2表示第二级抗混叠滤波器阶数，n为对应滤波器系数的序号；设置可变分数时延滤波器的分支滤波器的阻带起始频率ωs3＝π，通带截止频率ωc3＝Mωc，设置多个期望方向的时延量di，其中di的下标i为方向序号；基于当前δc和δs，根据目标函数获取满足时延误差门限的(Nm/2+1)(L+1)个可变分数时延滤波器的分支滤波器系数a(n,k)的当前优化值，其中Nm表示可变分数时延滤波器的分支滤波器阶数，n为对应滤波器系数的序号，L+1表示可变分数时延滤波器的分支滤波器数量，k为可变分数时延滤波器的分支滤波器分支序号；(3)联合各级滤波器的当前优化求解结果，对等效多级滤波器进行优化求解：将h1(n)、h2(n)和a(n,k)的当前优化值作为等效多级滤波器的N1/2+N2/2+(Nm/2+1)(L+1)+2个滤波器系数的初始值，基于δc、δs、ωc、ωs，根据目标函数得到等效多级滤波器的各级滤波器系数h1(n)、h2(n)和a(n,k)的当前最优解；采用递减的方式更新N1、N2、Nm和L，以及δc和δs的取值，并基于更新后的值反复执行步骤(2)和(3)，直到不满足H(jω)的指标要求：并将最近的满足H(jω)的指标要求的各滤波器系数h1(n)、h2(n)和a(n,k)的最优解，及对应的N1、N2、Nm和L的优化值作为等效多级滤波器的近似最优解。综上所述，由于采用了上述技术方案，本专利技术的有益效果是：有效地减少各级滤波器的阶数，降低WB-DAR接收通道复杂度和功耗。附图说明图1是常规的宽带数字阵列接收通道的结构示意图；图2是Farrow结构示意图；图3是WB-DAR接收通道典型结构；图4是WB-DAR接收通道等效频率响应解结构；图5是WB-DAR接收通道的滤波器系数优化处理过程示意图。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合实施方式和附图，对本专利技术作进一步地详细描述。基于Farrow结构实现的可变分数时延滤波器(VFD滤波器)结构如图2所示，各分支滤波器系数为a(n,k),n＝0,…N-1，k＝0,…,L，则可以得到并行的分支滤波器和V本文档来自技高网...

【技术保护点】
宽带数字阵列雷达接收通道的优化设计方法，其特征在于，包括下列步骤：改变宽带数字阵列雷达接收通道的抽取模块及分数时延滤波器的相对位置，将后级抽取结构中的抗混叠滤波器前置，并将可变分数时延滤波器移到抽取模块之前,得到等效多级滤波器；等效多级滤波器的总体频率响应函数H(jω)＝H1(jω)H2(jM1ω)Hd(jMω)，其中H1(jω)表示第一级抗混叠滤波器的频率响应，H2(jM1ω)表示第一级抗混叠滤波器的频率响应，Hd(jMω)表示第三级的可变分数时延滤波器的频率响应；根据等效多级滤波器的通带内纹波、阻带内纹波、通带截止频率、阻带截止频率要求，基于总体频率响应函数H(jω)与理想频率响应函数Hid(jω)的误差尽可能小，同时等效多级滤波器的各级滤波器的阶数尽可能小的优化目的进行近似最优解求解，得到各级滤波器的阶数、系数，以及可变分数时延滤波器的分支滤波器数量，完成宽带数字阵列雷达接收通道的优化设计。

【技术特征摘要】
1.宽带数字阵列雷达接收通道的优化设计方法，其特征在于，包括下列步骤：改变宽带数字阵列雷达接收通道的抽取模块及分数时延滤波器的相对位置，将后级抽取结构中的抗混叠滤波器前置，并将可变分数时延滤波器移到抽取模块之前,得到等效多级滤波器；等效多级滤波器的总体频率响应函数H(jω)＝H1(jω)H2(jM1ω)Hd(jMω)，其中H1(jω)表示第一级抗混叠滤波器的频率响应，H2(jM1ω)表示第一级抗混叠滤波器的频率响应，Hd(jMω)表示第三级的可变分数时延滤波器的频率响应；根据等效多级滤波器的通带内纹波、阻带内纹波、通带截止频率、阻带截止频率要求，基于总体频率响应函数H(jω)与理想频率响应函数Hid(jω)的误差尽可能小，同时等效多级滤波器的各级滤波器的阶数尽可能小的优化目的进行近似最优解求解，得到各级滤波器的阶数、系数，以及可变分数时延滤波器的分支滤波器数量，完成宽带数字阵列雷达接收通道的优化设计。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，设置所述优化目的的目标函数为：其中理想频率响应函数加权函数δc为通带内纹波，δs为阻带内纹波，为滤波器的通带截止频率，为滤波器的阻带起始频率，表示滤波器的频率响应，ω表示频率，e表示自然底数，j为虚数单位，N表示滤波器阶数，d表示时延量。3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，对应总体频率响应函数H(jω)的阻带起始频率ωs＝π/M，且对应的通带截止频率ωc＝π/M-Δ，Δ＞0，M表示宽带数字阵列雷达接收通道的总抽取倍数。4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，采用最小最大化准则对等效多级滤波器进行近似最优解求解，具体为：初始化δc、δs、ωc、ωs，以及分数时延间隔、时延误差门限，第一、二级抗混叠滤波...

【专利技术属性】
技术研发人员：钱璐，邹林，王灿，王子晨，周云，汪学刚，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川,51