一种基于射频采样的宽带数字波束形成方法技术

本发明专利技术结合宽带数字阵列雷达的特点和当今数字信号处理器件的最新发展水平，通过理论推导和计算机仿真，研究了一种基于射频直接采样的宽带数字波束形成方法，提出了一种具有良好工程可行性的宽带数字阵列收发波束形成的方法，包括如下步骤：接收宽带雷达回波信号；利用射频采样得到数字射频信号；对所述数字射频信号进行数字移相和整数延时处理，完成宽带数字波束形成处理。该方法不受雷达信号具体形式和阵列流形限制，可以实现准确的波束指向和近似理想的主瓣，同时计算量小工程可实现性较高，通过控制信号带宽、ADC采样频率以及采样频率与信号带宽比能够控制信号的旁瓣水平。

【技术实现步骤摘要】
一种基于射频采样的宽带数字波束形成方法
本专利技术属于阵列信号处理
，尤其涉及一种基于射频采样的宽带数字波束形成方法。
技术介绍
宽带数字阵列雷达是在相控阵雷达基础上提高了信号带宽与数字化水平的阵列雷达，由于其突出的潜在性能和功能，成为阵列雷达的发展方向之一，是最近一二十年雷达领域的研究热点。通常情况下采用增加阵列单元数的方法形成波束，以提高阵列雷达的角度分辨力。因此，研究多通道下计算量较小、工程上易于实现的宽带数字波束形成方法有利于减小宽带数字阵列雷达的开发成本与风险。宽带数字阵列波束形成方法可分为时域方法和频域方法。目前时域方法主要包括基于拉伸处理的宽带波束形成、基于分数延时的波束形成等方法。基于拉伸处理只适用于线性调频信号，基于分数延时的波束形成方法一般在基带实现，虽然理论上可以实现很高的延时精度和良好的波束形成性能，但需要计算各个通道的延时滤波器系数并通过硬件资源实现数字滤波器，因此，计算量与资源消耗仍较大。频域方法则是通过分析滤波器组或离散傅里叶变换(DFT)将宽带信号转成为多个近似窄带信号，再对各个近似窄带信号分别进行处理，因此，这种方法一般运算量大、资源消耗高，在多通道条件下难以实时实现。另外，基于时域多抽头延时的Frost阵方法虽发展较早，此方法在大宽带信号条件下，所有通道都需要使用大阶数滤波器，各滤波器系数计算运算量巨大。近些年数字处理器件，尤其是高性能模数转换器(ADC)与大规模现场可编程门阵列(FPGA)发展迅速。例如ADI公司AD转换器AD9625能实现12bit、2.5GSPS模数转换，其即将正式发布的ADC芯片AD9213最高转换速率更是达到10.25GSPS；Xilinx公司的Virtex7系列FPGA芯片除拥有丰富的逻辑资源与强大的运算能力外，每个型号均包含数十个最高速率从12.5GHzGb/至28.05Gb/s的GHz收发器，能够与外部高速ADC/DAC芯片实现高速数据传输。随着宽带数字阵列雷达的高度数字化，射频或高中频数模/模数转换的实现是其发展的必然趋势。
技术实现思路
针对现有技术中的上述不足，本专利技术提供的一种基于射频直接采样的宽带数字波束形成方法解决了目前的宽带数字波束形成方法大都存在计算量大、针对特定信号和工程实现复杂等缺点的问题。为了达到以上目的，本专利技术采用的技术方案为：本方案提供一种基于射频采样的宽带数字波束形成方法，包括如下步骤：S1、通过宽带数字阵列接收宽带雷达回波信号；S2、根据所述宽带雷达回波信号利用射频采样得到数字射频信号；S3、利用FPGA对所述数字射频信号进行数字移相和整数延时处理，形成宽带数字波束。进一步地，所述步骤S1中宽带雷达回波信号的表达式如下：τi＝(i-1)dsinθ/c其中，xi(t)为对应的第i阵元接收的信号，且i＝1,2,…,N，N为阵元总数，τi为第i阵元信号与参考阵元信号间相对时延，θ为远场点目标方位角，f0为载频，为x1(t)的复包络，t为回波到达时间，Tp为脉宽，u为基带信号，为载波部分延时τi，d为阵元间距，c为光速。再进一步地，所述步骤S2具体为：利用带通滤波BPF和低噪放LAN对所述宽带雷达回波信号进行采样处理，得到数字射频信号。再进一步地，所述数字射频信号的表达式为：Ts＝1/fsLi＝round(τi/Ts)其中，xi(n)为对应的第i阵元接收的数字射频信号，round(·)表示取整运算，rect(·)为门信号，n为数字信号的序列号，Tp为脉宽，u为基带信号，为对射频信号移相w0αi弧度，表示值为的数字复相位值，τi为第i阵元信号与参考阵元信号间相对时延，Ts为ADC采样周期，f0为载频，Li表示时延τi对应的整数采样周期个数，li表示射频信号对应的采样周期个数，αi表示时延τi对应的采样周期数。再进一步地，所述步骤S3包括如下步骤：S301、利用JESD204B通行协议将所述数字射频信号传输至FPGA；S302、利用FPGA对所述数字射频信号进行数字移相和整数延时处理，得到各阵列通道的宽带波束形成阵列处理函数；S303、根据所述宽带波束形成阵列处理函数计算得到宽带波束形成阵列处理误差，形成宽带数字波束。再进一步地，所述步骤S302中各阵列通道的宽带波束形成阵列处理函数H′i(ws)的表达式如下：其中，为对射频信号移相-w0αi弧度，为对射频信号延时Li个采样周期。再进一步地，所述步骤S303中宽带波束形成阵列处理误差Ei(ws)的表达式如下：其中，H′i(ws)为忽略产生的宽带波束形成阵列处理函数，Hi(ws)为n＝n'-αi时产生的宽带波束形成阵列处理函数，n表示数字信号的序列号，αi表示时延τi对应的采样周期数，为对射频信号移相-w0αi弧度，为对射频信号延时Li个采样周期，为对射频信号延时li个采样周期，为xi(t)的复包络，xi(t)为对应的第i阵元接收的信号，表示值为的数字复相位值，表示对信号移相wsαi弧度，表示对信号移相-wsαi弧度。本专利技术的有益效果：本专利技术结合宽带数字阵列雷达的特点和当今数字信号处理器件的最新发展水平，通过理论推导和计算机仿真，研究了一种基于射频直接采样的宽带数字波束形成方法，提出了一种具有良好工程可行性的宽带数字阵列收发波束形成的方法与其工程实现架构，接收宽带雷达回波信号；利用射频采样得到数字射频信号；对所述数字射频信号进行数字移相和整数延时处理，完成宽带数字波束形成处理。该方法不受雷达信号具体形式和阵列流形限制，可以实现准确的波束指向和近似理想的主瓣，同时计算量小工程可实现性较高，通过控制信号带宽、ADC采样频率以及采样频率与信号带宽比能够控制信号的旁瓣水平。附图说明图1为本专利技术的方法流程图。图2为本实施例中射频采样宽带数字阵列雷达宽带数字波束形成框图。图3为本实施例中不同宽带数字波束形成阵列处理所得归一化波束图。图4为本实施例中同一信号带宽不同ADC采样频率下归一化波束图。图5为本实施例中同一ADC采样频率不同信号带宽下归一化波束图。图6为本实施例中波束图旁瓣值随fs/B变化情况示意图。具体实施方式下面对本专利技术的具体实施方式进行描述，以便于本
的技术人员理解本专利技术，但应该清楚，本专利技术不限于具体实施方式的范围，对本
的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本专利技术的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本专利技术构思的专利技术创造均在保护之列。实施例宽带数字波束形成技术是宽带数字阵列雷达系统的核心关键技术，然而目前的宽带数字波束形成方法大都存在计算量大、针对特定信号、工程实现复杂等缺点。结合宽带数字阵列雷达的特点与当前先进数字信号处理器件的特性，研究了一种基于射频直接采样的宽带数本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于射频采样的宽带数字波束形成方法，其特征在于，包括如下步骤：/nS1、通过宽带数字阵列接收宽带雷达回波信号；/nS2、根据所述宽带雷达回波信号，利用射频采样得到数字射频信号；/nS3、利用FPGA对所述数字射频信号进行数字移相和整数延时处理，形成宽带数字波束。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于射频采样的宽带数字波束形成方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、通过宽带数字阵列接收宽带雷达回波信号；
S2、根据所述宽带雷达回波信号，利用射频采样得到数字射频信号；
S3、利用FPGA对所述数字射频信号进行数字移相和整数延时处理，形成宽带数字波束。


2.根据权利要求1所述的基于射频采样的宽带数字波束形成方法，其特征在于，所述步骤S1中宽带雷达回波信号的表达式如下：



τi＝(i-1)dsinθ/c
其中，xi(t)为对应的第i阵元接收的信号，且i＝1,2,…,N，N为阵元总数，τi为第i阵元信号与参考阵元信号间相对时延，θ为远场点目标方位角，f0为载频，为x1(t)的复包络，t为回波到达时间，Tp为脉宽，u为基带信号，为载波部分延时τi，d为阵元间距，c为光速。


3.根据权利要求2所述的基于射频采样的宽带数字波束形成方法，其特征在于，所述步骤S2具体为：
利用带通滤波BPF和低噪放LAN对所述宽带雷达回波信号进行采样处理，得到数字射频信号。


4.根据权利要求3所述的基于射频采样的宽带数字波束形成方法，其特征在于，所述数字射频信号的表达式为：






Ts＝1/fs
Li＝round(τi/Ts)



其中，xi(n)为对应的第i阵元接收的数字射频信号，round(·)表示取整运算，rect(·)为门信号，n为数字信号的序列号，Tp为脉宽，u为基带信号，为对射频信号移相w0αi弧度，表示值为的数字复相位值，τi为第i阵元信号与参考阵元信号间相对时延，Ts为ADC采...

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