基于数字延时和相位补偿的发射数字波束形成方法技术

本发明专利技术公开了一种基于数字延时和相位补偿的数字发射波束形成方法，在FPGA中利用双累加器和CORDIC算法设计第一DDS，得到模拟的第一中频信号；在FPGA中采用多相处理技术设计第二DDS，利用两个双累加器和CORDIC算法，得到第二中频信号的数字基带信号，插值滤波数字上变频后得到模拟的第二中频信号；设计分数延时滤波器和整数延时滤波器，分四相实现数字延时滤波器；利用外输的基准时钟信号、捷变频本振信号产生第一、第二本振信号，混频滤波产生射频信号；射频信号放大后通过天线阵列发射，在空间完成波束合成。本发明专利技术利用多个DDS组合产生窄带信号和宽带信号，利用相位控制和连续可变的数字延时，实现窄带信号、宽带信号的发射波束形成。

【技术实现步骤摘要】
基于数字延时和相位补偿的发射数字波束形成方法
本专利技术涉及一种基于数字延时和相位补偿的发射数字波束形成方法，属于阵列信号处理

技术介绍
相控阵雷达能够完成目标搜索、跟踪、制导等多种任务，因而在多目标弹道测量、防空警戒、多目标跟踪制导武器系统等领域得到广泛的运用。大空域、多目标、抗干扰等需求，促使雷达向数字化方向发展，数字阵列雷达是未来相控阵雷达技术发展的方向。对目标进行成像和识别的要求，促使雷达采用宽带高分辨的信号波形。现有的窄带信号的数字阵列通过基于DDS的数字移相方法进行数字波束形成的控制，但是发射宽带信号的数字阵列，由于存在孔径渡越时间，仅通过相位控制不能有效地形成波束，进行波束指向的控制。为了解决数字阵列窄带、宽带信号的数字波束形成的控制问题，需要对阵列天线单元信号进行数字延时和相位控制，因此，需要解决单元级信号数字产生方法、窄带信号数字相位控制、宽带信号数字延时控制和相位补偿的问题。国内现有的宽带阵列天线单元间信号延时采用模拟延时线的方法，即利用K位状态的模拟延时线，控制单元间的信号延时，如5位模拟延时线，最小延时1个波长，最大延时32个波长，模拟延时线损耗大、体积大、不稳定，因此，不能用于数字阵列的数字波束形成的控制。数字延时可以采用模拟延时线的思路，即采用K个状态位的数字延时线，最小延时一个波长，最大延时2K个波长，这是国内研究单位主要考虑的方法。我们知道数字延时线最小延时量以及延时的精度影响相位的一致性，若延时精度为δτ，则中间频率相位误差为：其中，T为信号周期。例如，T＝170ps，±7°的相位误差，要求的延时精度为3.3ps。宽带工作时，按中心频率计算延时和相位，边频相位误差为：ΔP＝360°×δf×δτ式中，δf为边频与中心频率之间的频率差，τ为控制的延时量。因此，数字延时线的精度，影响阵列中信号边频的相位误差，延时越准确，相位误差越小。采用K个状态位的数字延时线存在下列几点不足：a.延时的分辨率(最小延时量)不能满足波束控制的相位精度要求，需要同时进行延时和相位控制；b.有限的延时分辨率，产生的宽带信号边频相位误差，恶化宽带波束的旁瓣性能。近几年国际上连续可调数字延时线的研究取得了很大进展，提出了很多理论和设计方法，主要用于通信调制解调器、语音合成等领域，信号采样率相对较低，都没有考虑多相设计的方法。雷达宽带信号的数字直接合成，数据率较高，已经超出数字电路(如FPGA)的时钟速度，需采用多相合成方法。因此，设计多相的连续可调数字延时滤波器，用于雷达宽带信号发射数字波束形成的控制，成为宽带信号发射数字波束形成的关键。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种基于数字延时和相位补偿的发射数字波束形成方法，其核心技术在于多个DDS组合产生窄带信号和宽带信号，利用相位控制和连续可变的数字延时，实现窄带信号、宽带信号的发射波束形成。本专利技术为解决上述技术问题采用以下技术方案：本专利技术提供一种基于数字延时和相位补偿的发射数字波束形成方法，包括以下具体步骤：步骤1、设计第一DDS，产生第一中频信号，第一中频信号为单载频信号或窄带线性调频信号，具体包括：(1a)根据数字阵列雷达系统参数，在FPGA中利用双累加器产生第一中频信号的相位，并计算补偿频率和补偿相位；(1b)利用CORDIC算法对第一中频信号的相位进行相位幅度转换，输出得到数字化第一中频信号；(1c)将数字化第一中频信号经第一D/A器件进行数模转换，输出得到模拟化第一中频信号；步骤2、设计第二DDS，产生第二中频信号，第二中频信号为单载频信号或宽带LFM信号，具体包括：(2a)第二中频信号的数字基带信号分成两相，即为0相信号和1相信号；(2b)在FPGA中利用双累加器分别产生0相信号的相位和1相信号的相位；(2c)利用CORDIC算法，对0相信号的相位和1相信号的相位进行相位幅度转换，输出得到第二中频信号的数字基带信号；(2d)对第二中频信号的数字基带信号进行插值，并将插值结果送数字延时滤波器进行滤波；(2e)数字延时滤波器的输出送入数字上变频模块，取数字上变频模块输出的实部，再送入第二D/A器件进行数模转换，输出得到模拟化第二中频信号；步骤3、设计步骤(2d)所述的数字延时滤波器，数字延时滤波器包括分数延时滤波器和整数延时滤波器，具体为：(3a)根据天线阵列的几何结构确定雷达每个单元相对于参考单元的延时量，并分解为整数延时量和分数延时量；(3b)设计Farrow结构的分数延时滤波器，具体为：分数延时滤波器的频率响应为：式中，e表示自然对数；j是虚数单位，w是数字角频率；L是多项式拟合阶数；N＝max(Nl),l＝0,1,…,L，Nl是第l个子滤波器的阶数；cl,k是第l个子滤波器的第k个系数，k＝0,1，…，Nl；μ是分数延时量；运用最大最小准则，计算系数cl,k，使得误差ε达到最小，式中，Ω表示分数滤波器在数字频率[0，π]范围内各频带区间构成的集合；(3c)设计整数延时滤波器，即利用FPGA中的寄存器实现整数延时量的延时；(3d)将分数延时滤波器和整数延时滤波器组合，分四相实现数字延时滤波器；步骤4、产生本振信号，具体包括：(4a)利用外部输入的基准时钟信号，通过倍频器产生第二本振信号；(4b)利用外部输入的捷变频本振信号与第二中频信号混频滤波产生第一本振信号，其中，窄带信号工作时第二中频信号为单载频信号，宽带信号工作时第二中频信号为宽带LFM信号；步骤5、信号的变频放大和辐射，具体包括：(5a)将第一中频信号先与第二本振信号混频滤波后，再与第一本振信号混频滤波，产生射频信号，其中，窄带信号工作时第一中频信号为窄带LFM信号，宽带信号工作时第一中频信号为单载频信号；(5b)对射频信号进行功率放大，并通过天线阵列发射；步骤6、天线阵列发射的信号在空间完成波束合成，形成发射数字波束。作为本专利技术的进一步优化方案，步骤1a中第一中频信号的相位为：式中，n表示第一中频信号的采样点数；π表示半圆对应的弧度；f1是第一中频信号的中心频率；γ1是第一中频信号的调频斜率；T1是第一中频信号的脉冲宽度；Ts1是第一中频信号的采样间隔；Δfα,β是天线阵列中(α,β)位置单元相对于(0,0)位置参考单元的补偿频率；是天线阵列中(α,β)位置单元相对于(0,0)位置参考单元的补偿相位，α,β分别是x方向和y方向单元坐标；当第一中频信号为单载频信号时γ1＝0，当第一中频信号为窄带LFM信号时B1是窄带LFM信号的带宽。作为本专利技术的进一步优化方案，步骤1a中补偿频率和补偿相位为：窄带信号工作时，Δfα,β＝0宽带信号工作时Δfα,β＝γ2(ηα,β-τα,β)式中，f0为数字阵列雷达系统的载波频率；τα,β为天线阵列中(α,β)位置单元相对于(0,0)位置参考单元的理论延时量，α,β分别是x方向和y方向单元坐标；ηα,β是实际控制的延时量；γ2是第二中频信号的调频斜率。作为本专利技术的进一步优化方案，步骤2a中第二中频信号的数字基带信号分成两相，即0相信号和1相信号，具体为：0相信号为：1相信号为：式中，m表示0相信号和1相信号的采样点数；T2是第二中频信号的脉冲宽度；Ts2是第二中频信号的采样间隔；当第二中频信号为单载频信号时γ2＝0，本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于数字延时和相位补偿的发射数字波束形成方法，其特征在于，包括以下具体步骤：步骤1、设计第一DDS，产生第一中频信号，第一中频信号为单载频信号或窄带线性调频信号，具体包括：(1a)根据数字阵列雷达系统参数，在FPGA中利用双累加器产生第一中频信号的相位，并计算补偿频率和补偿相位；(1b)利用CORDIC算法对第一中频信号的相位进行相位幅度转换，输出得到数字化第一中频信号；(1c)将数字化第一中频信号经第一D/A器件进行数模转换，输出得到模拟化第一中频信号；步骤2、设计第二DDS，产生第二中频信号，第二中频信号为单载频信号或宽带LFM信号，具体包括：(2a)第二中频信号的数字基带信号分成两相，即为0相信号和1相信号；(2b)在FPGA中利用双累加器分别产生0相信号的相位和1相信号的相位；(2c)利用CORDIC算法，对0相信号的相位和1相信号的相位进行相位幅度转换，输出得到第二中频信号的数字基带信号；(2d)对第二中频信号的数字基带信号进行插值，并将插值结果送数字延时滤波器进行滤波；(2e)数字延时滤波器的输出送入数字上变频模块，取数字上变频模块输出的实部，再送入第二D/A器件进行数模转换，输出得到模拟化第二中频信号；步骤3、设计步骤(2d)所述的数字延时滤波器，数字延时滤波器包括分数延时滤波器和整数延时滤波器，具体为：(3a)根据天线阵列的几何结构确定雷达每个单元相对于参考单元的延时量，并分解为整数延时量和分数延时量；(3b)设计Farrow结构的分数延时滤波器，具体为：分数延时滤波器的频率响应为：H(ejw)=Σl=0Le-jwDlΣk=0Nlcl,kμle-jwk]]>式中，e表示自然对数；j是虚数单位，w是数字角频率；L是多项式拟合阶数；N＝max(Nl),l＝0,1,…,L，Nl是第l个子滤波器的阶数；cl,k是第l个子滤波器的第k个系数，k＝0,1，…，Nl；μ是分数延时量；运用最大最小准则，计算系数cl,k，使得误差ε达到最小，ϵ=maxw∈Ω|Σl=0Le-jwDlΣk=0Nlcl,kμle-jwk-e-jw(μ+N2)|]]>式中，Ω表示分数滤波器在数字频率[0，π]范围内各频带区间构成的集合；(3c)设计整数延时滤波器，即利用FPGA中的寄存器实现整数延时量的延时；(3d)将分数延时滤波器和整数延时滤波器组合，分四相实现数字延时滤波器；步骤4、产生本振信号，具体包括：(4a)利用外部输入的基准时钟信号，通过倍频器产生第二本振信号；(4b)利用外部输入的捷变频本振信号与第二中频信号混频滤波产生第一本振信号，其中，窄带信号工作时第二中频信号为单载频信号，宽带信号工作时第二中频信号为宽带LFM信号；步骤5、信号的变频放大和辐射，具体包括：(5a)将第一中频信号先与第二本振信号混频滤波后，再与第一本振信号混频滤波，产生射频信号，其中，窄带信号工作时第一中频信号为窄带LFM信号，宽带信号工作时第一中频信号为单载频信号；(5b)对射频信号进行功率放大，并通过天线阵列发射；步骤6、天线阵列发射的信号在空间完成波束合成，形成发射数字波束。...

【技术特征摘要】
1.基于数字延时和相位补偿的发射数字波束形成方法，其特征在于，包括以下具体步骤：步骤1、设计第一DDS，产生第一中频信号，第一中频信号为单载频信号或窄带线性调频信号，具体包括：(1a)根据数字阵列雷达系统参数，在FPGA中利用双累加器产生第一中频信号的相位，并计算补偿频率和补偿相位；(1b)利用CORDIC算法对第一中频信号的相位进行相位幅度转换，输出得到数字化第一中频信号；(1c)将数字化第一中频信号经第一D/A器件进行数模转换，输出得到模拟化第一中频信号；步骤2、设计第二DDS，产生第二中频信号，第二中频信号为单载频信号或宽带LFM信号，具体包括：(2a)第二中频信号的数字基带信号分成两相，即为0相信号和1相信号；(2b)在FPGA中利用双累加器分别产生0相信号的相位和1相信号的相位；(2c)利用CORDIC算法，对0相信号的相位和1相信号的相位进行相位幅度转换，输出得到第二中频信号的数字基带信号；(2d)对第二中频信号的数字基带信号进行插值，并将插值结果送数字延时滤波器进行滤波；(2e)数字延时滤波器的输出送入数字上变频模块，取数字上变频模块输出的实部，再送入第二D/A器件进行数模转换，输出得到模拟化第二中频信号；步骤3、设计步骤(2d)所述的数字延时滤波器，数字延时滤波器包括分数延时滤波器和整数延时滤波器，具体为：(3a)根据天线阵列的几何结构确定雷达每个单元相对于参考单元的延时量，并分解为整数延时量和分数延时量；(3b)设计Farrow结构的分数延时滤波器，具体为：分数延时滤波器的频率响应为：式中，e表示自然对数；j是虚数单位，w是数字角频率；L是多项式拟合阶数；N＝max(Nl),l＝0,1,…,L，Nl是第l个子滤波器的阶数；cl,k是第l个子滤波器的第k个系数，k＝0,1，…，Nl；μ是分数延时量；运用最大最小准则，计算系数cl,k，使得误差ε达到最小，式中，Ω表示分数滤波器在数字频率[0，π]范围内各频带区间构成的集合；(3c)设计整数延时滤波器，即利用FPGA中的寄存器实现整数延时量的延时；(3d)将分数延时滤波器和整数延时滤波器组合，分四相实现数字延时滤波器；步骤4、产生本振信号，具体包括：(4a)利用外部输入的基准时钟信号，通过倍频器产生第二本振信号；(4b)利用外部输入的捷变频本振信号与第二中频信号混频滤波产生第一本振信号，其中，窄带信号工作时第二中频信号为单载...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒋德富，付伟，苏宇，钱荣，沈明威，魏爽，
申请(专利权)人：河海大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32