数字波束形成

现代雷达技术第4章相控阵雷达第3章连续波雷达本章介绍•本章简介–相控阵雷达简介–多波束形成技术–相扫基本原理–空域滤波及数字波束形成引论第3章连续波雷达相控阵雷达简介•相控阵雷达简介–相位控制阵列：多个天线单元排成，各阵元馈电相位按一定程序灵活控制，完成特定的空间扫描–优点：•相扫，无机械惯性，快速波束捷变•多目标、远距离、高数据率、高可靠性•多功能、多波束、自适应抗干扰–缺点：•波束宽度随扫描方向变化第3章连续波雷达相控阵雷达简介•相控阵雷达简介（续）–移相器控制波束的发射与接收–无源阵：收发共用一个或几个发射机和接收机–有源阵：每个阵元都连有可提供所需辐射功率的收发（Ｔ/Ｒ）固态组件，即都是有源的•固态组件的功率源是低功率的•各阵元辐射功率在空间进行合成•各阵元辐射信号间相位关系固定，即相参•各阵元的相位和振幅分布可按要求控制第3章连续波雷达相控阵雷达简介•相控阵雷达简介（续）–有源阵的优点:•功率源直接联在阵元后面，馈源和移相器的损耗不影响雷达性能；接收机噪声系数由T/R组件中的低噪声放大器决定•阵元馈源和移相器功率容量低，轻便廉价•大量低功率固态源取代易损坏的高电压、大功率发射机，系统可靠性提高•固态阵和数字波束形成及阵列信号处理技术相结合，天线性能改善潜力大第3章连续波雷达相控阵雷达简介•相控阵雷达简介（续）–移相器：实现相扫的关键器件–对移相器的要求：•移相精确、性能稳定、频带和功率容量大、便于快速控制、激励功率和插入损耗小、体积小、重量轻等–移相器的种类：•PIN二极管移相器、铁氧体移相器、数字式移相器等第3章连续波雷达多波束形成技术•多波束形成技术–收发都用多波束–接收多波束，发射宽波束，收发覆盖相同空域–接收多波束用得较多，因为：•功率弱，技术上易实现，控制和处理灵便–多波束形成方法•射频延迟线、中频延迟线、移相法、脉内频扫、数字波束形成（DBF）第3章连续波雷达多波束形成技术•多波束形成技术（续）波束1接收机l1l2d波束选择器波束2接收机高度计算机显示器定向耦合器相加波导波束1相加波束2相加波束2波束1射频延迟线多波束形成系统第3章连续波雷达多波束形成技术231混频混频混频本振中放中放中放波束1波束2波束3抽头延迟线•多波束形成技术（续）中频延迟多波束形成系统第3章连续波雷达多波束形成技术231混频混频混频本振中放中放中放波束1波束2波束3抽头延迟线•多波束形成技术（续）中频延迟多波束形成系统第3章连续波雷达多波束形成技术213放大器放大器放大器0＋00－0000－00＋相加相加相加波束1波束2波束3dd－0＋0•多波束形成技术（续）移相法实现多波束第3章连续波雷达相扫基本原理•相扫基本原理–通过移相器改变各阵元激励相位，实现扫描2k(N－1)0012kN－1dddsinN元直线相控阵天线–假定所有阵元•无方向性•等幅同相馈电•相邻阵元激励电流相位差为/2sin10d第3章连续波雷达相扫基本原理•相扫基本原理（续）–各阵元在方向远区某点辐射场的场强矢量和为–等幅馈电时，各阵元在该点辐射场的振辐为E。以0号阵元为相位基准，则–式中2dsin/为波程差引起的相邻阵元辐射场相位差110)(NiEEEEE)(2110)()(21sin)(2sin)(NjNkjkeNEeEE第3章连续波雷达相扫基本原理•相扫基本原理（续）–当=时，各分量同相相加，场强幅值最大–定义归一化方向性函数为NEEmax|)(|)sin(sinsin)sin(sinsin1)(21sin)(2sin1|)(||)(|)(00maxdNdNNNEEF第3章连续波雷达相扫基本原理•相扫基本原理（续）–天线照射方向0由移相器的相移量决定–在0方向，各阵元辐射场由波程差引起的相位差正好抵消移相器引入的相位差，各分量同相相加获最大值，F(0)=1–改变值，就可改变波束指向角0，从而形成波束扫描–方向图最大值方向同相波前垂直–由天线收发互易原理，接收天线，结论相同第3章连续波雷达相扫基本原理•相扫基本原理（续）–栅瓣问题•在-90o~90o内线阵单值测角条件：d≤/2•当d＞/2时，在-90o~90o内将出现栅瓣•波束域（空域频谱）混迭现象：栅瓣是主瓣在其它方向上的再现，空间信号欠采样……－0)sin(sinπ0d主瓣栅瓣栅瓣副瓣第3章连续波雷达相扫基本原理•相扫基本原理（续）•方向图函数•当(Nd/)(sin-sin0)=0,…,±n（n为整数）时，分子为0，若分母不为0，F()=0•当(d/)(sin-sin0)=0,…,±n（n为整数）时，分子分母同为0，F()=1，即F()可能出现多瓣)sin(sinsin)sin(sinsin1)(00dNdNF第3章连续波雷达相扫基本原理•相扫基本原理（续）•当=0时为主瓣，其余为栅瓣。只取一个周期-~•因|sin-sin0|≤1+|sin0|，则无栅瓣条件|sinsin|1)sin(sin00dd221|sin|110dd第3章连续波雷达相扫基本原理•相扫基本原理（续）–波束宽度•波束指向法线方向，即0=0，方向性函数•得波束半功率（3dB）宽度sinsincsinsinsinsin1)(dNddNNF)(8.50)(886.05.0NdradNd第3章连续波雷达相扫基本原理•相扫基本原理（续）•当d=/2时，若要0.5=1o，则需阵元N=100•当波束指向0任意时，在主瓣内0，得)(1005.0N000Δsinsinc)sin(sin)sin(sinsin)(dNdNdNF第3章连续波雷达相扫基本原理•相扫基本原理（续）•因sinc()函数对参量sin0的主瓣宽度处处一致，即sin0=常数0.5，由微分sin0=0cos0，得任意0时的波束半功率宽度•0越大，波束越宽，例0=60o，0.5s20.505.005.0cos)dB3(宽度s第3章连续波雷达相扫基本原理•相扫基本原理（续）–波束总是指向同相馈电阵列天线的法线方向–同相波前MM’的有效天线孔径为Ndcos0d01N－1Nd＋Ndcos0MM′－0同相波前扫描时的波束宽度第3章连续波雷达相扫基本原理•相扫基本原理（续）–发射能量一定，0，波束，天线增益–波束扫到0方向，天线有效口径是真实口径在等相位面上的投影，对一维线阵有As=Acos0，尺寸减小，此时波束指向处的天线增益为–波束扫描角范围通常限制在±60o或±45o内。若要覆盖整个360o，一般要用三至四个天线阵0220cos44)(AAGs第3章连续波雷达相扫基本原理•相扫基本原理（续）–各阵元有指向性时，若所有阵元的阵元方向图Fe()一致，则总的阵列天线方向图等于阵方向图F()与阵元方向图Fe()之积，即FN()=Fe()·F()–等间距和等幅馈电的阵列天线副瓣较大(第一副瓣电平为-13dB)，常需“加权”降低副瓣•振幅加权：中间阵元功率大，周围阵元功率小•密度加权：中心阵元密度大，周围阵元密度小•采用有方向性的阵元第3章连续波雷达相扫基本原理•相扫基本原理（续）–相扫天线的带宽•前面对相控阵的讨论只限于窄带信号，Bf•相控阵天线方向图F()随载频f变化f↑=↓=d＞/2=F()压缩，出现栅瓣•波束指向0时线阵孔径两端相位差fcDD/sin2/sin200第3章连续波雷达相扫基本原理•相扫基本原理（续）•若不变，则频率变化df引起的波束指向变化d为•代入百分比带宽Ba(%)=2(df/f)×100，得•代入波束宽度B(s)=B/cos0，B为法线方向波束宽度)(tan(%)29.0)(tan200(%)00daaBradBff/tan0dd0sin(%)29.0)(dBaBBs第3章连续波雷达相扫基本原理•相扫基本原理（续）–由于dB(s),0增大,允许的带宽变小–天线孔径,波束宽度B,允许的Ba(%)–天线指向0时,能量充填整个孔径所需时间为–有效通过天线孔径的脉冲宽度tT,得其中cDT/sin000sin)(2sin100100100(%)tBaDcfBBDB/8.50)(第3章连续波雷达空域滤波及数字波束形成引论•空域滤波及数字波束形成引论–空域匹配滤波•阵列空间响应，阵列信号流型•多个信号模型•空域匹配滤波，同相相加•波束副瓣抑制•多波束形成第3章连续波雷达空域滤波及数字波束形成引论第3章连续波雷达空域滤波及数字波束形成引论第3章连续波雷达空域滤波及数字波束形成引论第3章连续波雷达空域滤波及数字波束形成引论•空域滤波及数字波束形成引论（续）–自适应干扰对消•阵列信号模型•阵列协相关矩阵：酉对称、正定•特征值与特征矢量及其物理含义•最小二乘法：输出最小，纯噪声输出，MSE•干扰对消权矢量：最小特征矢量第3章连续波雷达空域滤波及数字波束形成引论•空域滤波及数字波束形成引论（续）–自适应波束形成•信号模型•最优准则：信号方向增益恒定条件下输出MSE最小，•最优解：最大似然解、最大输出SNR•Capon法（LCMV）的特征空间解释•自适应最优波束形成权矢量•广义旁瓣对消（GSC）：主通道与辅助通道第3章连续波雷达空域滤波及数字波束形成引论•空域滤波及数字波束形成引论（续）–自适应波束形成实现：SMI•阵列数据协相关矩阵估计•快拍统计性质与快拍数要求•主瓣偏移与信号失配•副瓣电平提高及对角加权方法•实际考虑：计算量、各种快速求逆算法第3章连续波雷达空域滤波及数字波束形成引论•空域滤波及数字波束形成引论（续）–高分辨率测角•波束形成的局限：需大孔径•多目标阵列数据模型•数据协方差矩阵的特征分解及物理解释•信号子空间与噪声子空间•最大似然法、MUSIC法•相关目标的高分辨率测角第3章连续波雷达空域滤波及数字波束形成引论•空域滤波及数字波束形成引论（续）–多个相干源信号的空域滤波与测向–宽带信号的空域滤波与测向