基于微分算子的超寬帶波束形成器及實(shí)現(xiàn)方法

專利名稱：基于微分算子的超寬帶波束形成器及實(shí)現(xiàn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于通信技術(shù)領(lǐng)域，更進(jìn)ー步涉及超寬帶陣列雷達(dá)技術(shù)領(lǐng)域的ー種基于微分算子的超寬帶波束形成器及其實(shí)現(xiàn)方法。本發(fā)明解決了超寬帶波束形成硬件實(shí)現(xiàn)資源開銷過大的問題，可用于寬帯/超寬帶波束形成。
背景技術(shù)：
波束形成是廣泛應(yīng)用于陣列雷達(dá)領(lǐng)域中的一項(xiàng)技術(shù)，為了讓陣元天線陣列指向一個(gè)特定的方向，加強(qiáng)該方向的信號(hào)強(qiáng)度，基本的波束形成方法是對(duì)各陣元接收到的信號(hào)按該波束到達(dá)方向進(jìn)行延時(shí)，補(bǔ)償?shù)礁麝囋盘?hào)同相位再進(jìn)行相加，得到該方向的波束輸出。對(duì)于超寬帶信號(hào)采用傳統(tǒng)的移相處理會(huì)造成波束掃描不準(zhǔn)和主瓣展寬，因此需要使用時(shí)域的精確延時(shí)補(bǔ)償來進(jìn)行接收波束形成。目前，傳統(tǒng)的數(shù)字時(shí)延方法，包括過密采樣、數(shù)字時(shí)域內(nèi)插、頻率線性相位加權(quán)等，都有ー個(gè)共同的缺點(diǎn)，無法提供可變的時(shí)延，對(duì)于不同時(shí)延量都需要重新設(shè)計(jì)補(bǔ)償濾波器系數(shù)，而且過密采樣需要使用工作頻率過高的ADC器件，同時(shí)造成數(shù)據(jù)量過大等問題。浙江大學(xué)提出的專利申請(qǐng)“ー種寬帶數(shù)字波束形成方法”(專利申請(qǐng)?zhí)?00810062479. 6，公開號(hào)CN101296014A)公開了ー種寬帶數(shù)字波束形成方法。該方法包括時(shí)分復(fù)用中頻正交采樣、正交解調(diào)、低通濾波、內(nèi)插延時(shí)與相位旋轉(zhuǎn)以及波束求和等步驟。該專利申請(qǐng)存在的不足是，采用內(nèi)插值的方式實(shí)現(xiàn)波束延時(shí)補(bǔ)償，増加了額外的運(yùn)算量，而且濾波器系數(shù)和時(shí)延量有夫，每當(dāng)時(shí)延量改變時(shí)濾波器系數(shù)就要重新計(jì)算加載，増加了系統(tǒng)負(fù)擔(dān)，同時(shí)不便于實(shí)現(xiàn)大角度的連續(xù)波束掃描。胡永君、陳文俊等人在“基于分?jǐn)?shù)時(shí)延濾波器的寬帶數(shù)字信號(hào)時(shí)延的實(shí)現(xiàn)”(《雷達(dá)與対抗》2010年6月第30卷第2期)中公開了四種分?jǐn)?shù)時(shí)延濾波器的設(shè)計(jì)方法。公開的四種方法分別為直接截?cái)喾?、sine函數(shù)加窗法、Lagrange插值法和General Least squares設(shè)計(jì)方法，但是這四種方法所設(shè)計(jì)分?jǐn)?shù)時(shí)延濾波器均為帶通濾波器，應(yīng)用于需要大帶寬大角度掃描的寬帶/超寬帶波束形成器時(shí)會(huì)導(dǎo)致波束指向和形狀精度降低的現(xiàn)象。目前，工程中公認(rèn)的更優(yōu)的設(shè)計(jì)方法是使用可變分?jǐn)?shù)時(shí)延濾波器，使時(shí)延量獨(dú)立于分?jǐn)?shù)時(shí)延濾波器系數(shù)，實(shí)現(xiàn)時(shí)延量的連續(xù)變化補(bǔ)償。聲納學(xué)中的Farrow結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)時(shí)延量和濾波器系數(shù)分離，從而實(shí)現(xiàn)可變分?jǐn)?shù)時(shí)延濾波器，但是，該方法的經(jīng)典Farrow結(jié)構(gòu)由多個(gè)子通道構(gòu)成，各子通道都需要相同階數(shù)濾波器，從而導(dǎo)致所需濾波器階數(shù)過高實(shí)現(xiàn)困難。實(shí)際雷達(dá)工程中應(yīng)用較多的光纖真時(shí)延波束形成器，能夠?qū)崿F(xiàn)無陣面畸變的寬帶以及超寬帶波束形成器。其特點(diǎn)使用光纖來實(shí)現(xiàn)PS級(jí)別的實(shí)時(shí)延吋，但是該方法存在的不足是，實(shí)現(xiàn)超寬帶波束形成器的移相精度只能做到4到6位，且成本較高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述已有技術(shù)的不足，解決寬帶以及超寬帶波束形成中可變分?jǐn)?shù)時(shí)延濾波器結(jié)構(gòu)復(fù)雜實(shí)現(xiàn)困難等問題，提出一種基于微分算子的超寬帶波束形成器及其實(shí)現(xiàn)方法，降低可變分?jǐn)?shù)時(shí)延濾波器結(jié)構(gòu)復(fù)雜度，減少超寬帶波束形成硬件資源開銷。本發(fā)明基于微分算子的超寬帶波束形成器，包括一個(gè)波束求和模塊和多個(gè)陣元通道，每個(gè)陣元通道包括權(quán)系數(shù)和時(shí)延量存儲(chǔ)模塊、窄帶相位補(bǔ)償模塊、精確時(shí)延補(bǔ)償模塊，各模塊之間通過總線相連，其中權(quán)系數(shù)和時(shí)延量存儲(chǔ)模塊，用于存儲(chǔ)各陣元通道窄帶相位補(bǔ)償權(quán)系數(shù)和時(shí)延量；窄帶相位補(bǔ)償模塊，用于補(bǔ)償各陣元通道之間的窄帶相位差；精確時(shí)延補(bǔ)償模塊，由兩個(gè)微分算子時(shí)延補(bǔ)償器構(gòu)成，用于補(bǔ)償各陣元通道之間的時(shí)延差；用于對(duì)各陣元通道經(jīng)過相位和時(shí)延補(bǔ)償至波前對(duì)齊的輸出信號(hào)進(jìn)行波束求和。本發(fā)明基于微分算子的超寬帶波束形成器實(shí)現(xiàn)方法，包括如下步驟
(I)存儲(chǔ)權(quán)系數(shù)和時(shí)延量將各陣元通道窄帶相位補(bǔ)償權(quán)系數(shù)實(shí)部、虛部和時(shí)延量放大2K倍后存儲(chǔ)到各陣元通道中權(quán)系數(shù)和時(shí)延量存儲(chǔ)模塊的隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM中，得到各陣元通道的權(quán)系數(shù)和時(shí)延量存儲(chǔ)模塊。(2)窄帶相位補(bǔ)償復(fù)數(shù)乘法器將用戶輸入的各陣元通道輸入復(fù)信號(hào)和各陣元通道窄帶相位補(bǔ)償權(quán)系數(shù)相乘，將所得結(jié)果除低K位以外的高位按照實(shí)部和虛部?jī)陕沸盘?hào)輸出，得到窄帶相位補(bǔ)償模塊。(3)精確時(shí)延補(bǔ)償3a)將時(shí)延量右移K位，得到整數(shù)倍時(shí)延量。3b)取時(shí)延量低K位,得到分?jǐn)?shù)倍時(shí)延量。3c)將窄帶相位補(bǔ)償后的信號(hào)數(shù)據(jù)輸入移位寄存器，整數(shù)倍時(shí)延量作為移位寄存器控制信號(hào)，對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行整數(shù)倍時(shí)延補(bǔ)償。3d)移位寄存器輸出信號(hào)依次輸入N級(jí)D觸發(fā)器完成N級(jí)延時(shí)，減法器將各級(jí)D觸發(fā)器輸入信號(hào)和輸出信號(hào)相減，得到D觸發(fā)器和減法器構(gòu)成的各級(jí)微分算子的輸出信號(hào)。3e)將各通道子濾波器系數(shù)そΓ放大2K倍作為常系數(shù)乘法器系數(shù)，得到各級(jí)D觸發(fā)
Λ!
器通道的常系數(shù)乘法器，各級(jí)微分算子輸出信號(hào)分別輸入各級(jí)D觸發(fā)器通道的常系數(shù)乘法器。3f)將乘法器系數(shù)為的N-M+1個(gè)常系數(shù)乘法器輸出信號(hào)數(shù)據(jù)相加求和，加和結(jié)
K
果右移K位，乘法器將移位結(jié)果和分?jǐn)?shù)倍時(shí)延量相乘，相乘結(jié)果和乘法器系數(shù)為i一的N-M
個(gè)常系數(shù)乘法器輸出信號(hào)數(shù)據(jù)相加求和，加和結(jié)果右移K位，乘法器將移位結(jié)果和分?jǐn)?shù)時(shí)
延量相乘，相乘結(jié)果和乘法器系數(shù)為的N-M-I個(gè)常系數(shù)乘法器輸出信號(hào)數(shù)據(jù)相加求
Ar!
和，依次類推，直到乘法器輸出結(jié)果和乘法器系數(shù)為も的N個(gè)常系數(shù)乘法器輸出信號(hào)數(shù)據(jù)
相加求和，加和結(jié)果右移K位，乘法器將移位結(jié)果和分?jǐn)?shù)時(shí)延量相乗，相乘結(jié)果右移K位，移位結(jié)果和移位寄存器輸出信號(hào)數(shù)據(jù)相加求和，將求和結(jié)果輸出，得到微分算子時(shí)延補(bǔ)償器。3h)將各陣元通道的時(shí)延量和窄帶相位補(bǔ)償后的實(shí)部信號(hào)、虛部信號(hào)輸入微分算子時(shí)延補(bǔ)償器，進(jìn)行時(shí)延補(bǔ)償，將所得結(jié)果按照實(shí)部和虛部?jī)陕沸盘?hào)輸出，得到精確時(shí)延補(bǔ)償模塊。(4)波束求和加法樹分別對(duì)輸出的各陣元通道的實(shí)部信號(hào)數(shù)據(jù)和虛部信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行波束求和，將求和結(jié)果分實(shí)部信號(hào)和虛部信號(hào)兩路輸出，得到波束求和模塊。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)第一，由于本發(fā)明基于微分算子的超寬帶波束形成器采用微分算子時(shí)延補(bǔ)償器進(jìn)行精確的時(shí)延補(bǔ)償，各通道子濾波器的系數(shù)個(gè)數(shù)逐級(jí)遞減，減少了乘法次數(shù)，克服了現(xiàn)有技術(shù)分?jǐn)?shù)時(shí)延濾波器階數(shù)過高，實(shí)現(xiàn)困難的缺陷，使得本發(fā)明具有了實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，硬件乘法器資源開銷少的優(yōu)點(diǎn)。第二，由于本發(fā)明基于微分算子的超寬帶波束形成器采用的微分算子時(shí)延補(bǔ)償器是全通濾波器，能夠?qū)﹃囋ǖ赖男盘?hào)進(jìn)行全帶寬的波束合成，波束主瓣形狀和指向跟帶寬沒有關(guān)系，克服了現(xiàn)有技術(shù)中寬帯/超寬帶波束形成器的在大帶寬大角度掃描時(shí)存在的波束指向和形狀精度降低現(xiàn)象，使得本發(fā)明具有了可以在全帶寬內(nèi)進(jìn)行精確波束合成的優(yōu)點(diǎn)。第三，由于本發(fā)明基于微分算子的超寬帶波束形成器采用微分算子時(shí)延補(bǔ)償器進(jìn)行時(shí)延補(bǔ)償，克服了現(xiàn)有技術(shù)實(shí)現(xiàn)大角度的連續(xù)波束掃描困難的缺陷，使得本發(fā)明具有了可以進(jìn)行連續(xù)大角度波束掃描的優(yōu)點(diǎn)。第四，由于本發(fā)明基于微分算子的超寬帶波束形成器實(shí)現(xiàn)方法采用微分算子時(shí)延補(bǔ)償器，其等效的移相精度較高，根據(jù)不同的可編程邏輯器件FPGA級(jí)別，可以達(dá)到12 16位移相/延時(shí)精度，克服了現(xiàn)有的光纖延時(shí)方案移相精度低的缺陷，使得本發(fā)明具有了移相精度高的優(yōu)點(diǎn)。


圖I為本發(fā)明系統(tǒng)的方框圖；圖2為本發(fā)明方法的流程圖；圖3為本發(fā)明實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的方框圖；圖4為本發(fā)明中微分算子時(shí)延補(bǔ)償器實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)方框圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖I對(duì)本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)做進(jìn)ー步描述。本發(fā)明基于微分算子的超寬帶波束形成器，包括一個(gè)波束求和模塊和多個(gè)陣元通道，每個(gè)陣元通道包括權(quán)系數(shù)和時(shí)延量存儲(chǔ)模塊、窄帶相位補(bǔ)償模塊、精確時(shí)延補(bǔ)償模塊，各模塊之間通過總線相連，其中權(quán)系數(shù)和時(shí)延量存儲(chǔ)模塊，用于存儲(chǔ)各陣元通道窄帶相位補(bǔ)償權(quán)系數(shù)和時(shí)延量。窄帶相位補(bǔ)償模塊，用于補(bǔ)償各陣元通道之間的窄帶相位差。精確時(shí)延補(bǔ)償模塊，由兩個(gè)微分算子時(shí)延補(bǔ)償器構(gòu)成，用于補(bǔ)償各陣元通道之間的時(shí)延差。波束求和模塊，用于對(duì)各陣元通道經(jīng)過相位和時(shí)延補(bǔ)償至波前對(duì)齊的輸出信號(hào)進(jìn)行波束求和。微分算子時(shí)延補(bǔ)償器用下述系統(tǒng)函數(shù)表示
權(quán)利要求
1.一種基于微分算子的超寬帶波束形成器，包括一個(gè)波束求和模塊和多個(gè)陣元通道，每個(gè)陣元通道包括權(quán)系數(shù)和時(shí)延量存儲(chǔ)模塊、窄帶相位補(bǔ)償模塊、精確時(shí)延補(bǔ)償模塊，各模塊之間通過總線相連，其中 所述的權(quán)系數(shù)和時(shí)延量存儲(chǔ)模塊，用于存儲(chǔ)各陣元通道窄帶相位補(bǔ)償權(quán)系數(shù)和時(shí)延量; 所述的窄帶相位補(bǔ)償模塊，用于補(bǔ)償各陣元通道之間的窄帶相位差； 所述的精確時(shí)延補(bǔ)償模塊，由兩個(gè)微分算子時(shí)延補(bǔ)償器構(gòu)成，用于補(bǔ)償各陣元通道之間的時(shí)延差； 所述的波束求和模塊，用于對(duì)各陣元通道經(jīng)過相位和時(shí)延補(bǔ)償至波前對(duì)齊的輸出信號(hào)進(jìn)行波束求和。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于微分算子的超寬帶波束形成器，其特征在于，所述的微分算子時(shí)延補(bǔ)償器用下述系統(tǒng)函數(shù)表示 M N Im) H(Z)= YiDm Σ-1)M W=O k—m · 其中，H(z)為補(bǔ)償器的系統(tǒng)函數(shù)，z為補(bǔ)償器的系統(tǒng)變量，M為補(bǔ)償器總通道數(shù)，m為補(bǔ)償器通道數(shù)，其值為大于等于O小于等于M的整數(shù)，D為時(shí)延量分?jǐn)?shù)部分，N為通道子濾波 Am)器總階數(shù)，N > M，M和N的選取由用戶根據(jù)對(duì)波束寬度和硬件資源消耗要求確定，為通 A!道子濾波器系數(shù)，k代表通道子濾波器階數(shù)，其值為大于等于O的整數(shù)，ξ為時(shí)延量整數(shù)部分。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于微分算子的超寬帶波束形成器，其特征在于，所述的微分算子時(shí)延補(bǔ)償器，采用易于實(shí)現(xiàn)的ー階微分單元進(jìn)行任意可調(diào)的O倍到I倍的采樣周期延遲補(bǔ)償。
4.一種基于微分算子的超寬帶波束形成器實(shí)現(xiàn)方法，包括如下步驟 (1)存儲(chǔ)權(quán)系數(shù)和時(shí)延量 將各陣元通道窄帶相位補(bǔ)償權(quán)系數(shù)實(shí)部、虛部和時(shí)延量放大2Κ倍后存儲(chǔ)到各陣元通道中權(quán)系數(shù)和時(shí)延量存儲(chǔ)模塊的隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM中，得到各陣元通道的權(quán)系數(shù)和時(shí)延量存儲(chǔ)模塊； (2)窄帶相位補(bǔ)償 復(fù)數(shù)乘法器將用戶輸入的各陣元通道輸入復(fù)信號(hào)和各陣元通道窄帶相位補(bǔ)償權(quán)系數(shù)相乘，將所得結(jié)果除低K位以外的高位按照實(shí)部和虛部?jī)陕沸盘?hào)輸出，得到窄帶相位補(bǔ)償模塊； (3)精確可調(diào)時(shí)延補(bǔ)償 3a)將時(shí)延量右移K位，得到整數(shù)倍時(shí)延量； 3b)取時(shí)延量低K位,得到分?jǐn)?shù)倍時(shí)延量； 3c)將窄帶相位補(bǔ)償后的信號(hào)數(shù)據(jù)輸入移位寄存器，整數(shù)倍時(shí)延量作為移位寄存器控制信號(hào)，對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行整數(shù)倍時(shí)延補(bǔ)償； 3d)移位寄存器輸出信號(hào)依次輸入N級(jí)D觸發(fā)器完成N級(jí)延時(shí)，減法器將各級(jí)D觸發(fā)器輸入信號(hào)和輸出信號(hào)相減，得到D觸發(fā)器和減法器構(gòu)成的各級(jí)微分算子的輸出信號(hào)；3e)將各通道子濾波器系數(shù)
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于微分算子的超寬帶波束形成器實(shí)現(xiàn)方法，其特征在干，步驟(I)中所述的窄帶相位補(bǔ)償權(quán)系數(shù)實(shí)部通過下式取得 wr = cos (2 n fcld (sin θ π /180) /c) 其中，K為窄帶相位補(bǔ)償權(quán)系數(shù)實(shí)部，fc為用戶雷達(dá)系統(tǒng)載頻，I為用戶雷達(dá)系統(tǒng)陣元數(shù)，I = 0，1，. . .，L-l，L為用戶雷達(dá)系統(tǒng)總陣元數(shù)，d為用戶雷達(dá)系統(tǒng)陣元間距，Θ為用戶輸入掃描角度，取值范圍為-90到90的整數(shù)，c為光速。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于微分算子的超寬帶波束形成器實(shí)現(xiàn)方法，其特征在干，步驟(I)中所述的窄帶相位補(bǔ)償權(quán)系數(shù)虛部通過下式取得 Wi = -sin (2 n fcld(sin θ π /180) /c) 其中，Wi為窄帶相位補(bǔ)償權(quán)系數(shù)虛部，fc為用戶雷達(dá)系統(tǒng)載頻，I為用戶雷達(dá)系統(tǒng)陣元數(shù)，I = 0，1，. . .，L-l，L為用戶雷達(dá)系統(tǒng)總陣元數(shù)，d為用戶雷達(dá)系統(tǒng)陣元間距，θ為用戶輸入掃描角度，取值范圍為-90到90的整數(shù)，c為光速。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于微分算子的超寬帶波束形成器實(shí)現(xiàn)方法，其特征在干，步驟(I)中所述的時(shí)延量通過下式取得
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于微分算子的超寬帶波束形成器實(shí)現(xiàn)方法，其特征在干，步驟(I)中所述的K是由用戶根據(jù)硬件資源消耗要求和系統(tǒng)精度要求確定的，取值范圍為大于O的整數(shù)。
9.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于微分算子的超寬帶波束形成器實(shí)現(xiàn)方法，其特征在干，步驟(4)中所述的加法樹由多級(jí)加法器構(gòu)成，第一級(jí)加法器分別將每?jī)陕废噜応囋ǖ垒敵龅膶?shí)部信號(hào)數(shù)據(jù)和虛部信號(hào)數(shù)據(jù)相加求和，第二級(jí)加法器分別將第一級(jí)加法器中每?jī)蓚€(gè)相鄰的實(shí)部信號(hào)數(shù)據(jù)加法器和虛部信號(hào)數(shù)據(jù)加法器的輸出信號(hào)數(shù)據(jù)相加求和，第三級(jí)加法器分別將第二級(jí)加法器中每?jī)蓚€(gè)相鄰的實(shí)部信號(hào)數(shù)據(jù)加法器和虛部信號(hào)數(shù)據(jù)加法器的輸出信號(hào)數(shù)據(jù)相加求和，依次類推，直到最后ー級(jí)兩個(gè)加法器分別將各陣元通道輸出的實(shí)部信號(hào)數(shù)據(jù)和虛部信號(hào)數(shù)據(jù)完全相加，輸出一路實(shí)部信號(hào)和一路虛部信號(hào)。
全文摘要
本發(fā)明公開一種基于微分算子的超寬帶波束形成器及其實(shí)現(xiàn)方法。超寬帶波束形成器包括一個(gè)波束求和模塊和多個(gè)陣元通道，每個(gè)陣元通道包括權(quán)系數(shù)和時(shí)延量存儲(chǔ)模塊、窄帶相位補(bǔ)償模塊、精確時(shí)延補(bǔ)償模塊。本發(fā)明超寬帶波束形成器實(shí)現(xiàn)方法的步驟1.存儲(chǔ)權(quán)系數(shù)和時(shí)延量；2.窄帶相位補(bǔ)償；3.精確時(shí)延補(bǔ)償；4.波束求和。本發(fā)明采用微分算子時(shí)延補(bǔ)償器進(jìn)行時(shí)延補(bǔ)償，減少了乘法次數(shù)，降低了運(yùn)算量和乘法器資源開銷，該時(shí)延補(bǔ)償器為全通濾波器，可以實(shí)現(xiàn)全帶寬內(nèi)精確時(shí)延補(bǔ)償，基于該微分算子時(shí)延補(bǔ)償器的波束形成器可以實(shí)現(xiàn)大角度連續(xù)波束掃描，采用可編程邏輯器件FPGA進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，具有較高的移相/延時(shí)精度。
文檔編號(hào)G01S7/02GK102680946SQ20121018475
公開日2012年9月19日 申請(qǐng)日期2012年6月6日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月6日
發(fā)明者張子敬, 王敏, 菅立龍 申請(qǐng)人:西安電子科技大學(xué)