二次下變頻實(shí)現(xiàn)寬帶數(shù)字波束形成

任澤宇 羅丁利

(西安電子工程研究所 西安 710100)

1 引言

近年來人們研究了很多寬帶數(shù)字波束形成算法[1～4]，傳統(tǒng)的頻域處理方法和時(shí)域處理方法都能有效實(shí)現(xiàn)波束形成，但數(shù)據(jù)量大，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，成本較高[5]。為降低計(jì)算量及處理復(fù)雜度，目前普遍采用的方法為，模擬域通過延時(shí)線結(jié)構(gòu)補(bǔ)償延時(shí)，利用去斜技術(shù)降低信號(hào)帶寬，使數(shù)據(jù)量大為降低[1]。但仍存在只能延時(shí)整數(shù)倍采樣單元、價(jià)格昂貴實(shí)現(xiàn)不靈活、后期處理需要補(bǔ)償剩余分?jǐn)?shù)延時(shí)等缺陷。

本文采用二次下變頻技術(shù):首先在模擬域進(jìn)行混頻，完成去斜工作，降低信號(hào)帶寬;為消除時(shí)延造成的影響，各陣元進(jìn)行獨(dú)立的數(shù)字下變頻;最后經(jīng)相位補(bǔ)償完成接收。本方法在有效降低數(shù)據(jù)量、實(shí)現(xiàn)延時(shí)精確補(bǔ)償?shù)耐瑫r(shí)，可有效降低成本且波束指向更改方便。

2 系統(tǒng)組成及理論分析

本文采用N元均勻線陣模型，在已知信號(hào)回波方向的跟蹤模式下工作，發(fā)射線性調(diào)頻信號(hào)，帶寬500MHz，一維距離像分辨力為 0.3m[1]，線性調(diào)頻信號(hào)形式為:

其中A為信號(hào)幅度;f0為起始頻率;μ為調(diào)頻斜率。如圖1所示，光速c，對(duì)于陣元間距d，θin方向回波信號(hào)，到達(dá)相鄰陣元之間的延時(shí)為:

將引起復(fù)包絡(luò)A·exp(jπμt2)的偏移[1]，類似于SAR中的距離徙動(dòng)現(xiàn)象。

圖1 相控陣天線模型

本方法與傳統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方式[1]不同之處為未使用模擬延時(shí)線結(jié)構(gòu)。本方法在模擬域進(jìn)行去斜處理，以降低數(shù)據(jù)量，為消除延時(shí)造成的影響，在數(shù)字域各路進(jìn)行獨(dú)立的二次下變頻，各路數(shù)字本振(用DDS實(shí)現(xiàn))頻率根據(jù)波束指向?qū)崟r(shí)調(diào)整而非固定值。本文實(shí)現(xiàn)框圖如圖3所示。

圖2 模擬去斜原理[1]

圖3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)框圖

本文處理過程分析如下。

暫按接收復(fù)信號(hào)討論，此時(shí)混頻不會(huì)產(chǎn)生倍頻分量，而實(shí)際處理中倍頻分量會(huì)被濾波器濾除。根據(jù)(1)、(2)式，第m號(hào)陣元接收回波信號(hào)Srec形式為:

dt為散射點(diǎn)相對(duì)波門起始距離延時(shí);(m－1)tdelay為第m號(hào)陣元相對(duì)于參考陣元延時(shí)。

模擬dechirp信號(hào)Sdec為:

fif為中頻頻率。

模擬混頻后中頻信號(hào)Sa為:

本文實(shí)驗(yàn)條件下(3)式中 μ[2(m－1)tdelay·dt+((m －1)tdelay)2+dt2]很小(＜0.01)，影響很小可將其忽略。則

由(4)式可得模擬去斜后第m個(gè)陣元信號(hào)頻率為:fif+ μ[－ (m － 1)tdelay]－ μdt，回波到達(dá)陣元間延時(shí)tdelay將導(dǎo)致各路信號(hào)頻率不同。本文利用數(shù)字二次下變頻消除頻率差異從而消除延時(shí)影響。第m個(gè)陣元DDS頻率為fif+μ·[－(m －1)tdelay]。

數(shù)字二次下變頻后第m個(gè)陣元信號(hào)為:式中t'為經(jīng)抽取后離散采樣時(shí)刻。

第m個(gè)陣元相位補(bǔ)償權(quán)值為:w=exp[－j2πf0(m－1)tdelay]，經(jīng)加權(quán)后波束形成結(jié)果為:

上式即為最終輸出信號(hào)形式。不同散射點(diǎn)信息，對(duì)應(yīng)上式中dt不同，波束形成后表現(xiàn)為信號(hào)頻率不同，傅氏變換后便可獲得散射點(diǎn)信息。

3 相關(guān)問題討論

指向更改:當(dāng)接收波束指向需要發(fā)生變化時(shí)，模擬混頻信號(hào)Sdec不必更改，數(shù)字下變頻更改DDS相應(yīng)參數(shù)即可，權(quán)值更改tdelay即可。

調(diào)頻斜率:模擬去斜后各路信號(hào)頻率與調(diào)頻斜率、入射角度、陣元間距等有關(guān)，為滿足中頻無損失接收，各路信號(hào)都應(yīng)落入接收機(jī)帶寬內(nèi)，需滿足|μ·dt|＜Bj及|(M －1)μdsin(θin)/c|＜ Bj，Bj為中頻接收機(jī)帶寬，根據(jù)系統(tǒng)約束設(shè)計(jì)μ。

結(jié)果正確性判定:完全理想情況下，各路接收信號(hào)經(jīng)過二次下變頻及相位補(bǔ)償后，信號(hào)時(shí)域波形應(yīng)完全重合，存在噪聲時(shí)，起伏不會(huì)很大，利用某幾路輸出信號(hào)功率方差作為第一判決條件;輸出波形為若干點(diǎn)頻信號(hào)疊加，應(yīng)呈現(xiàn)周期性變化，此為第二判決條件。

4 性能分析及仿真驗(yàn)證

仿真模型:均勻線陣64個(gè)陣元，陣元間距為4.62cm，回波形式為L(zhǎng)FM實(shí)信號(hào)，帶寬500MHz，雷達(dá)工作頻率3GHz～3.5GHz，信號(hào)持續(xù)時(shí)間100μs，采樣波門長(zhǎng)度96μs，信噪比30dB，噪聲為高斯白噪聲，波束指向10°，中頻頻率60MHz，射頻采樣頻率12GHz。

中頻25抽取，中頻采樣率為480MHz，基帶24抽取，基帶采樣率為20MHz。

理想情況(無噪聲)下接收復(fù)包絡(luò)如圖4所示。

圖4 接收信號(hào)復(fù)包絡(luò)

圖4與理論分析一致，非法線方向回波到達(dá)各陣元的延時(shí)引起復(fù)包絡(luò)偏移。

仿真實(shí)驗(yàn)一:先進(jìn)行線陣靜止點(diǎn)目標(biāo)即一個(gè)散射點(diǎn)情況討論，散射點(diǎn)相對(duì)30km波門起始距離0m，我們關(guān)心±150m范圍信息。

圖5為經(jīng)過本文方法處理，相位補(bǔ)償后基帶時(shí)域波形，根據(jù)此時(shí)假定的點(diǎn)目標(biāo)位置，處理后基帶各陣元信號(hào)都為直流信號(hào)。

圖5 采用本文方法基帶輸出信號(hào)時(shí)域波形

當(dāng)二次下變頻各路數(shù)字本振頻率相同(DDS頻率取為fif)時(shí)，相位補(bǔ)償后時(shí)域輸出波形如圖6所示，與理論分析一致，各路信號(hào)頻率不同。

圖6 未采用本文方法基帶輸出信號(hào)時(shí)域波形

圖7為圖5中信號(hào)波束形成及傅氏變換后獲得的散射點(diǎn)距離信息，距離估計(jì)為0.0000m。波束形成及FFT過程信號(hào)功率積累，信號(hào)的輸出功率相應(yīng)增加。

圖7 采用本文方法獲得的散射點(diǎn)信息

圖6中各路信號(hào)頻率較低且相差較小，波束形成及傅氏變換后將造成距離估計(jì)誤差、主瓣展寬、頻譜副瓣畸變等影響如圖8所示，此時(shí)距離估計(jì)為0.1099m。圖9為圖7及圖8的主瓣位置放大對(duì)比。

仿真實(shí)驗(yàn)二:進(jìn)行線陣分布式目標(biāo)即三個(gè)散射點(diǎn)情況討論，信號(hào)相對(duì)波門起始距離－0.3m、0m、15m，其他條件同實(shí)驗(yàn)一，處理過程與一個(gè)散射點(diǎn)情況相同。

本方法將目標(biāo)距離信息轉(zhuǎn)化為頻率信息，此時(shí)波束形成結(jié)果為三個(gè)不同頻率點(diǎn)頻信號(hào)疊加，輸出信號(hào)時(shí)域波形如圖10所示，各路信號(hào)基本重合且呈現(xiàn)周期性變化。

圖11為圖10中信號(hào)波束形成及傅氏變換后獲得的散射點(diǎn)距離信息，距離估計(jì)為:－0.3662m、0.0732m、15.0000m。本方法可實(shí)現(xiàn)寬帶波束形成并有效分辨多個(gè)散射點(diǎn)。與脈沖壓縮處理相似，兩個(gè)散射點(diǎn)間距離達(dá)到分辨力極限時(shí)，將導(dǎo)致距離估計(jì)誤差[6]。

5 結(jié)論

本文提出了一種有效實(shí)現(xiàn)寬帶信號(hào)接收的數(shù)字波束形成方法。通過數(shù)字域各路獨(dú)立的下變頻處理，可有效消除延時(shí)引起的影響，與傳統(tǒng)方法相比可有效降低數(shù)據(jù)率、降低系統(tǒng)復(fù)雜度、降低成本，波束指向更改方便，易于工程實(shí)現(xiàn)。理論分析和仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果都論證了本方法的有效性。

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