基于軟件化雷達(dá)的數(shù)字波束處理方法

趙予瑋

(中國電子科技集團(tuán)公司第二十研究所,陜西 西安 710068)

0 引 言

軟件化雷達(dá)在雷達(dá)場景的應(yīng)用愈發(fā)廣泛,其研究的發(fā)展趨勢日益迅猛[1-3]。

2022年全球機場場面監(jiān)視雷達(dá)行業(yè)向數(shù)字化、軟件化和智能化方向發(fā)展。軟件化雷達(dá)具有開放式的架構(gòu)[4],以軟件化開發(fā)模式靈活實現(xiàn)系統(tǒng)擴展、更新及升級[5]。

軟件化雷達(dá)的研究逐漸成為一個熱點問題[6]。軟件化雷達(dá)的應(yīng)用可以快速響應(yīng)新的軍事需求,提高維護(hù)保障能力并縮短研制周期[7]。

在傳統(tǒng)的數(shù)字波束形成方法中[8],常常采用二維平面陣數(shù)字波束形成方法[9],針對大規(guī)模陣列情況下,利用共軛梯度算法(CG)的迭代求解權(quán)值,并進(jìn)行了基于現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)的硬件實現(xiàn),以提高運算實時性[10]。此方法利用共軛梯度算法的迭代求解權(quán)值,由于不同的雷達(dá)應(yīng)用場景[11]所需的導(dǎo)向矢量不盡相同,使用該處理算法代碼量過大,可擴展性不強。為了提高靈活性和便利性,需要發(fā)明一種新的軟件實現(xiàn)方法來解決上述問題[12]。

本文提出了一種通過FPGA軟件對輸入通道數(shù)據(jù)補相、極化、加權(quán)及布相,并選擇相應(yīng)功能模式輸出波束數(shù)據(jù),完成數(shù)字波束形成,用于解決現(xiàn)有數(shù)字波束形成算法通用性、可擴展性不強的問題。

1 數(shù)字波束處理算法

本算法通過FPGA軟件更改變量及選擇模式,數(shù)字波束合成處理軟件搭載于預(yù)處理模塊中,完成數(shù)字波束形成功能,外部輸入為m通道基帶數(shù)據(jù)、n通道校準(zhǔn)數(shù)據(jù)及控制數(shù)據(jù),數(shù)字波束形成處理軟件根據(jù)工作模式控制字將(m+n)通道數(shù)據(jù)進(jìn)行天線極化、幅相加權(quán)、波束成形或直接進(jìn)行通道選通后形成x組波束的數(shù)據(jù),最終通過模式控制指令選擇需要的波束輸出。

首先完成天線的補相及極化處理,計算出補相及極化處理后的數(shù)據(jù)。主控模塊根據(jù)波束參數(shù)、極化方式及初相值計算所需的m通道的導(dǎo)向矢量1,并通過控制總線下發(fā)給數(shù)字波束形成(DBF)處理軟件;DBF處理將m通道輸入數(shù)據(jù)與m通道導(dǎo)向矢量1復(fù)數(shù)相乘后,完成相鄰?fù)ǖ赖膬蓛上嗉?生成m/2道補相、極化數(shù)據(jù),流程圖見圖1。

圖1 天線的補相及極化處理流程

其次完成數(shù)據(jù)的布相及加權(quán),以此完成波束形成處理,主控模塊根據(jù)波束參數(shù),計算所需的m/2通道的單組導(dǎo)向矢量2并通過控制總線下發(fā)給DBF處理軟件;DBF處理將m/2通道輸入數(shù)據(jù)與m/2通道的單組導(dǎo)向矢量2復(fù)數(shù)相乘后,將m/2通道復(fù)乘結(jié)果直接相加,完成單組波束形成處理。具體流程見圖2。

圖2 數(shù)據(jù)的布相及加權(quán)處理流程

根據(jù)完成的天線補相、極化、加權(quán)、布相后產(chǎn)生的單組波束形成處理數(shù)據(jù),進(jìn)行多波束處理。通過軟件設(shè)置x組波束的導(dǎo)向矢量2,重復(fù)進(jìn)行步驟2的數(shù)據(jù)布相及加權(quán)處理,最終生成x組波束形成數(shù)據(jù)。具體流程見圖3。

通過不同的模式選擇控制指令,選擇相應(yīng)的波束輸出,滿足不同場景下的功能需求。模式控制指令分為5種,分別為:(1)正常工作模式:不選通,不輸出;(2)發(fā)射校準(zhǔn)模式:選通n通道之一的校準(zhǔn)數(shù)據(jù);(3)發(fā)射天線測試模式:選通n通道之一的校準(zhǔn)數(shù)據(jù);(4)接收校準(zhǔn)模式:選通m通道之一的輸入數(shù)據(jù);(5)接收天線測試模式:選通x組波束之一輸出。

在多波束處理完畢后,產(chǎn)生x組波束形成數(shù)據(jù),其中波束0～波束x-1形成數(shù)據(jù)直接按照數(shù)據(jù)輸出幀格式組幀后輸出至后端進(jìn)行處理,波束x形成數(shù)據(jù)與m通道原始輸入數(shù)據(jù)、n通道校準(zhǔn)數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)據(jù)選通,形成波束1、波束2輸出數(shù)據(jù)后,按照數(shù)據(jù)輸出幀格式組幀輸出。具體流程見圖4。

通過軟件修改參數(shù)方式對雷達(dá)天線通道做數(shù)字波束處理的方法。通過采用數(shù)字方法對陣列天線采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行波束形成,完成數(shù)字波束形成。當(dāng)進(jìn)行多波束形成時,陣列天線每個陣元收到的信號經(jīng)過混頻、中放和正交相位檢波,變?yōu)檎恍盘朓和Q分量,再分別經(jīng)由模/數(shù)(A/D)變換器轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字量I和Q,將數(shù)字信號送入波束形成運算器,分別與N組權(quán)值進(jìn)行復(fù)數(shù)乘法運算,即得到所需的N個波束通道的信號。數(shù)字波束形成運算器由FPGA通過編程實現(xiàn),主要進(jìn)行權(quán)值的存儲和把各路波束所需的權(quán)值信息存儲于FPGA內(nèi)部的存儲模塊中,通過乘加運算來實現(xiàn)多波束的產(chǎn)生。

區(qū)別于傳統(tǒng)的更換硬件的數(shù)字波束合成方法,軟件化數(shù)字波束合成方法更能帶來便利性和可擴展性。

2 數(shù)字波束處理算法測試與分析

本實驗中,外部輸入為64通道基帶數(shù)據(jù)、2通道校準(zhǔn)數(shù)據(jù)及控制數(shù)據(jù),DBF處理軟件根據(jù)工作模式控制字將64+2通道數(shù)據(jù)進(jìn)行天線極化、幅相加權(quán)、波束形成或直接進(jìn)行通道選通后形成11組波束的數(shù)據(jù),并按照指定的功能模式選擇輸出。

系統(tǒng)工作時,雷達(dá)每個脈沖重復(fù)時間(PRT)內(nèi)完成發(fā)射及接收,每個相參處理時間(CPI)中包含P個PRT,陣面以PRT為周期發(fā)送陣面數(shù)據(jù)至預(yù)處理模塊,經(jīng)驅(qū)動轉(zhuǎn)換后,輸入至DBF處理軟件進(jìn)行處理,每次通信共傳輸1個脈沖,每個脈沖傳輸N個點。N與發(fā)射占空比及信號采樣率相關(guān)。

原始輸入數(shù)據(jù)分為窄帶模式及寬帶模式,寬帶模式數(shù)據(jù)速率不大于窄帶模式;窄帶模式下,分為2種情形:

(1)TPRT1=565 μs,TCPI1=32×TPRT1,發(fā)射占空比29%,采樣率15.625 M;

(2)TPRT2=410 μs,TCPI2=64×TPRT2,發(fā)射占空比27%;采樣率15.625 M。

根據(jù)工作模式計算可得,2種模式下定時參數(shù)為:

(1)P=32,N≈6 268,TCPI≈18 ms;

(2)P=64,N≈4 678;TCPI≈26 ms。

本CPI周期的控制數(shù)據(jù)在上一CPI發(fā)送,見到CPI脈沖上升沿時,鎖存本CPI周期控制參數(shù),控制參數(shù)以CPI為周期發(fā)送,控制參數(shù)鎖存后,DBF處理更新內(nèi)部狀態(tài),系統(tǒng)時序如圖5。

圖5 系統(tǒng)時序圖

休止期內(nèi),主控模塊更新DBF處理工作模式及導(dǎo)向矢量,CPI起始后,從第2個PRT開始,陣面發(fā)送上一PRT數(shù)據(jù),經(jīng)過接口轉(zhuǎn)換后輸入至DBF處理計算,DBF處理計算時延<10 μs,DBF處理形成計算流水線,流水輸入、流水輸出。

共對比了9個波束下的Matlab仿真結(jié)果與FPGA軟件運行結(jié)果。選取任意2個波束對比圖如圖6、圖7所示。圖6為波束1下Matlab與FPGA處理輸出對比圖。圖7為波束9下Matlab與FPGA處理輸出對比圖。

圖6 波束1 Matlab與FPGA處理對比圖

圖7 波束9 Matlab與FPGA處理對比圖

3 結(jié)束語

通過對比上述9組波束的Matlab與FPGA處理結(jié)果,利用FPGA直接修改參數(shù)的處理算法得出的DBF運行結(jié)果與Matlab波形一致,精度高且通用性好、便利性高。這種基于軟件化雷達(dá)的數(shù)字波束處理算法可以用于解決現(xiàn)有數(shù)字波束形成算法通用性、可擴展性不強的問題。