基于FPGA的数字波束形成研究

西安电子科技大学硕士学位论文基于FPGA的数字波束形成研究姓名：曹钢申请学位级别：硕士专业：信号与信息处理指导教师：吴顺君20070101基于FPGA的数字波束形成研究作者：曹钢学位授予单位：西安电子科技大学相似文献(2条)1.学位论文杨力生基于DBF的精密角跟踪2006雷达是综合了现代电子科学各种先进技术的高科技系统，在军事上有着重要作用，是军事侦察和预警的一种主要工具。单脉冲雷达是一种精密跟踪雷达，精密跟踪和测控目标。它每发射一个脉冲，天线能同时形成若干个波束，将各波束回波信号的振幅和相位进行比较，就可发现目标的位置。当目标位于天线轴线上时，各波束回波信号的振幅和相位相等，信号差为零。当目标不在天线轴线上时，各波束回波信号的振幅和相位不等，产生信号差，驱动天线转向目标直至天线轴线对准目标，于是便可测出目标的高低角和方位角。从各波束接收的信号之和，可测出目标的距离，这样就实现了对目标的测量和跟踪。单脉冲雷达通常有振幅比较单脉冲雷达和相位比较单脉冲雷达两大类。单脉冲雷达可根据从单个脉冲回波中所提取的信息来确定被检测到的信号源的角位置，因此使得许多用于干扰波束顺序扫描雷达的雷达对抗技术几乎完全失效。由于单脉冲雷达有很高的测角精度、分辨率和对抗电子干扰的能力，它仍是军用跟踪雷达广泛使用的一项技术。但它有设备比较复杂，无法对多目标进行精密跟踪等缺点。从性能的观点来看，雷达采用相控阵或电子扫描天线ESA是最适合的。ESA可实现很高的增益，波束能进行扫描，从而有很大的覆盖区域。ESA解决了可靠性的瓶颈问题：由于信号的发射和接收是由成百上千个独立的收/发和辐射单元组成，因此少数单元失效对系统性能影响不大。ESA解决了同时多功能的难题，即相控阵能在同一时间内完成一个以上的雷达功能。它可以用一部分T/R模块完成一种功能，用另外的T/R模块完成其它功能；也可用时间分隔的方法交替用同一阵面完成多种功能。如雷达在进行地图测绘(SAR/GMTI)、地物回避、地形跟随、威胁回避的同时，还可实现对空中目标的搜索和跟踪，并对其进行攻击。雷达作用距离大幅度增长：特别是AESA雷达，其T/R模块中的射频功率放大器(HPA)同天线辐射器紧密相连，而接收信号几乎直接耦合到各T/R模块内的射频低噪声放大器(LNA)，这就有效地避免了干扰和噪声叠加到有用信号上去，使得加到处理器的信号信噪比很高，因此，AESA雷达微波能量的馈电损耗较传统机械扫描雷达大为减少。不像机械扫描天线，相控阵的空间位置是固定的，波束的电子扫描是通过阵元间引入相移或延时实现的。采用相移的方法，波束扫描的速度非常快，不会像机械扫描阵那样受机械马达的限制。数字波束形成DBF是相控阵方向图控制的最先进的方法,是一项迅速发展的技术。数字波束形成与模拟波束形成相比有许多优点，例如，多个同时接收波束，不同输出波束的动态重构，动态零陷控制，通过数字校准可产生非常低的旁瓣。当在子阵层次实现DBF时，DBF能够使阵列的最大自由度得到充分利用。跟传统的模拟阵列控制技术相比，在多个独立波束的同时形成，自适应零陷，空时自适应处理，方向定位中，DBF可使其性能得到显著提高。由于DBF的适应性，DBF可广泛应用在相控阵中。数字波束形成（DBF）是以数字技术实现波束形成的技术。在所有通道信号求和之前，波束形成处理器将数字形式的幅度和相位权值加到每一个输入信号中。它保留了天线阵列单元的全部信息，并可以构成空间受控的一个或多个定向波束，从而获得优良的波束性能。例如，可自适应地形成波束以实现空域抗干扰,可进行非线性处理，以改善角分辨率。此外，数字波束形成还可以同时形成多个独立可控的波束而不损失信噪比；波束特性由数字权矢量控制，因而灵活可变。适用于DBF阵列应用的数字接收机（Rx）技术是一个新兴的研究和开发方向，数字Rx将会显著地影响DBF相控阵的结构发展趋势，加速DBF的实现。数字Rx应实现许多当代一流通信系统所具有的特性。当前，数字雷达接收机包括以下特性（但不只这些）：用于RF到IF、RF到基带解调的RF接收机前端，防止RF前端被强干扰信号阻塞的自动增益控制（AGC），用于带通采样或基带采样的ADC，将采样信号分解为同相和正交分量的FIR滤波器。DBF技术需要上述的数字Rx能力，还应加上基本的数字控制和相控天线阵优化能力。这些功能包括：实现数字Rx信道均衡的FIR数字滤波，以便进行宽带阵列通道之间的校准；数字子带方案，例如多速率数字滤波或分数数字采样时延的实现，以便实现宽带波束形成和自适应零陷；雷达处理所需的脉冲压缩和数据压缩技术。高度可编程性，便于实现波束形成、通道滤波的高级算法，模块化自评估能力，可现场监视DBFRx阵列信道的性能。本文探讨了将相控阵的优点和单脉冲雷达的优点综合的问题。全文由主要内容的六章组成。第一章介绍了雷达的基本概念和基本组成，阐明了开展本文研究的国防和民用意义、主要研究内容和论文创新点。第二章中详细介绍天线阵列的结构和性能指标，特别是系统讨论了线阵和圆阵的方向图的性质，为后面的介绍DBF波束形成和相控阵做必要的铺垫。第三章介绍目前跟踪系统中广泛使用的单脉冲雷达技术，介绍了比幅单脉冲和比相单脉冲的原理和系统框图，介绍了跟踪系统的技术指标。介绍了波束形成的基本原理。第四章由于单脉冲跟踪技术在跟踪多目标和目标高度较低时会出现较大误差，以及跟踪精度很高，搜索速度慢，提出了相应的改进措施，并对方法的优缺点进行了分析和总结。第五章重点介绍了单脉冲数字阵列雷达中的关键技术和部件，及其研究现状。从系统实现的角度出发，分别有重点的分析了数字波束形成的高效算法，和数字单脉冲雷达接收机的组成。第六章提供了阵列与单脉冲多目标精密跟踪的仿真结果，并讨论了论文的不足和未来的改进方向。2.学位论文张西基于非协作辐射源雷达中DBF技术的研究2009有源雷达利用自身定向辐射的电磁波，照射空中目标并进行探测和跟踪。而无源雷达自身不辐射电磁波，通过借用非协作式辐射源来进行目标搜索。随着现代武器的发展，雷达对抗提高到一个更重要的地位，有源雷达受到电子干扰、反辐射导弹、超低空突防和隐身武器的威胁日益严重。但是由于自身体制原因，有源雷达无法在技术上得到突破。无源雷达在对抗“四大威胁”方面具有主动雷达无法比拟的优势，已经是许多国家在雷达研究领域的新热点、新方向，基于调频广播的雷达系统就是因此展开的。本论文的研究首先从基于调频广播雷达的DBF技术实现开始，针对该雷达如何实时实现数字多波束进行了研究，完成了DBF分系统的需求分解、功能分析和系统设计工作，并在硬件平台上进行软件编译调试，完成DBF的功能，实际试验验证了方法的准确性和有效性。随着雷达试验的成功，基于调频广播雷达的DBF技术也取得了阶段性成果。随后，为了进一步推广DBF技术在无源雷达中的应用，本文又对基于非协作辐射源雷达中实现DBF技术做了相关的学习研究。具体讨论了通道校准、数字波束的形成和方向图效果评估的方法。根据工作中碰到的问题，从实际应用的角度，给出通道校准、波束形成和方向图评估的具体工程实现方法。在雷达研制过程中，理论知识和工程实际应用之间的统一成为主要难题，也是研究中主要关注的内容，这些内容在论文的相应章节中分别加以了讨论。DBF分系统与整个雷达系统的状态息息相关，所以在对雷达系统的诊断检测服务上，还可以进一步的开发利用，这些问题将在后续工程和开发中得到完善。关键词：非协作辐射源雷达，无源雷达(被动雷达)，基于调频广播，数字波束形成，通道校准，通道均衡，方向图本文链接：授权使用：黄小强(wfxadz)，授权号：6f9570b8-f6bd-4e7d-b407-9e3200057755下载时间：2010年11月18日