专利名称：二维数字阵列雷达数字波束形成系统及方法
技术领域：
本发明属于雷达信号处理技术领域，涉及数字波束形成DBF，具体地说是一种应用 FPGA和DSP在系统时序要求下实时进行阵列宽窄脉冲的和、差、行、列多波束形成，可用于 二维大型数字阵列雷达，获得优良的波束性能。
背景技术：
为了适应日益严峻的目标环境和高度对抗的电磁环境，雷达的性能必须大幅度提 高，即必须具备高精度、多功能多目标探测、抗干扰、多种自适应和目标识别能力。随着直接 数字频率合成技术DDS、模数转换技术ADC，尤其是超大规模数字电路、多元件T/R模块、微 处理芯片及光纤的发展，二维数字阵列雷达将逐渐替代模拟雷达和线阵数字雷达。数字波 束形成是全数字化阵列雷达中的关键，数字波束形成技术由于保留了天线阵列单元信号的 全部信息，并可采用先进的数字信号处理技术对阵列信号进行处理，可以获得优良的波束 性能。近几年，国内的数字波束形成技术工作有了一定的进展，但二维数字阵列雷达还 基本处于实验系统阶段。较为典型的有1.孙晓舟等2007年在《中国电子科学研究院学报》发表的《多工作模式下数字波 束形成的工程实现》；盛卫星等2007年在全国天年会议文集发表的《二维数字波束形成接收 阵研究》；田可2009年在《现代电子技术》发表的《一种高速实时波束形成器设计》。上述文 献中提到的方法虽然实现了数字波束形成的功能，但由于数据传输量的限制，只适用于一 维或阵列规模及波束数量不太大的二维系统，且波束扫描灵活性有限。2.许多学者提出采用子阵级DBF方法将大型阵列划分成多个子阵处理，从而降低 大型阵列信号处理的复杂度，但这些方法均存在一定的缺陷，例如采用均勻邻接子阵，其结 构简单，但存在较严重的栅瓣现象；采用重叠均勻子阵，虽然减少了栅瓣数，但由于存在交 叠使用的子阵结构，其馈电系统较为复杂，工程实现难度较大。
发明内容
本发明的目的在于克服上述已有技术的不足，提出一种二维数字阵列雷达数字波 束形成系统及方法，既能增大数据传输量和系统规模，增加波束数量，提高波束扫描的灵活 性，又不增加馈电系统的复杂度，便于工程实现。为实现上述目的，本发明的波束形成系统包括MXN个阵元的二维矩形数字阵列天线，M为每列天线的个数，N为每行天线的个 数，用于雷达信号的发射与接收；DSP器件，用于利用如下公式计算二维数字阵列和波束的权值％(祝劝、差波束的 权值％(祝劝、行波束的权值巧(祝劝及列波束的权值巧(祝劝，并将这些权值通过总线传给 FPGA
权利要求
1.一种二维数字阵列雷达数字波束形成系统，包括MXN个阵元的二维矩形数字阵列天线，M为每列天线的个数，N为每行天线的个数，用 于雷达信号的发射与接收；DSP器件，用于利用如下公式计算二维数字阵列和波束的权值％(祝劝、差波束的权 值巧(祝劝、行波束的权值巧(祝劝及列波束的权值巧(祝劝，并将这些权值通过总线传给 FPGA
2.根据权利要求1所述的二维数字阵列雷达数字波束形成系统，其中DSP器件采用 ADSP-TS201芯片，其外部连接一片SDRAM芯片和一片FLASH芯片，该SDRAM芯片用于扩展存 储空间，该FLASH芯片用于DSP程序加载和数据存储。
3.根据权利要求1所述的二维数字阵列雷达数字波束形成系统，其中FPGA器件采用 Stratix IV GX系列的EP4SGX1IOF芯片，其外部连接两片SRAM芯片、一片高速DA芯片和 12对光纤接口，该SRAM芯片用于扩展FPGA存储空间，该DA芯片用于合成波束的验证，12 对光纤接口用于接收通过光纤传输至FPGA的天线数据。
4.根据权利要求1所述的二维数字阵列雷达数字波束形成系统，其中DSP通过地址总线和数据总线与FPGA实时通信。
5.一种二维数字阵列雷达数字波束形成方法，包括(1)通过FPGA器件接收二维数字阵列发送的接收波束的频率、方位角和俯仰角信息；(2)DSP器件从FPGA器件中读取所接收的信息，并根据接收波束的频率、方位角和俯仰 角信息，利用如下公式计算二维数字阵列和波束权值％(祝劝、差波束权值％(祝劝、行波束 权值巧(祝劝及列波束权值巧(祝Φ)
6.根据权利要求5所述的二维数字阵列雷达数字波束形成方法，其中，步骤(2)所述的 计算二维数字阵列和波束权值祝劝，包括计算宽脉冲和波束权值和窄脉冲和波束权值 两种，即窄脉冲和波束权值
7.根据权利要求5所述的二维数字阵列雷达数字波束形成方法，其中，步骤(2)所述的 计算二维数字阵列差波束权值祝劝，包括计算宽脉冲差波束权值和窄脉冲差波束权值 两种，即窄脉冲差波束权值
8.根据权利要求5所述的二维数字阵列雷达数字波束形成方法，其中，步骤(2)所述的 计算二维数字阵列行波束权值巧(祝劝，包括计算宽脉冲行波束权值和窄脉冲行波束权值 两种，即窄脉冲行波束权值
9.根据权利要求5所述的二维数字阵列雷达数字波束形成方法，其中，步骤(2)所述的 计算二维数字阵列的列波束权值巧(祝劝，包括计算宽脉冲列波束权值和窄脉冲列波束权值 两种，即窄脉冲列波束权值
10.根据权利要求5所述的二维数字阵列雷达数字波束形成方法，其中，步骤(4)所述 的二维数字阵列和、差、行、列波束形成，包括(IOa)光纤数据移位处理步骤光纤数据在传输过程中根据校验控制码判断数据是否 正确，若校验控制码为3，则光纤数据正确，若校验控制码不为3，则光纤数据会出现高、低8 位移位的现象，进行移位纠正；(IOb)目标回波数据对齐处理步骤接收到的目标回波数据经移位校正处理后，将其 由实虚部数据按照高低位拼接成32bit的数据，再通过一组双口 RAM读写操作将各路目标 回波数据按距离单元严格对齐，防止因光纤传输距离误差引起的距离单元错位；(IOc)数据拼接步骤将对齐处理后的12路目标回波数据的第2路、第4路、第6路、 第8路、第10路和第12路数据分别拼接在第1路、第3路、第5路、第7路、第9路和第11 路目标回波数据之后，得到6路目标回波数据Si,k(t)；(IOd)权值分发步骤将FPGA器件接收的窄脉冲和波束权值％(义识’)、差波束权值 W^,φ)、行波束权值、列波束权值^矽乂)和宽脉冲和波束权值、差波 束权值、行波束权值、列波束权值)分发到两组RAM中存储； (IOe)和、差、行、列波束形成步骤(IOel)将步骤(IOc)拼接后的目标回波数据Si,k(t)与步骤(IOd)存储的窄脉冲和波 束权值％矽旧)、差波束权值炉A(0’#)、行波束权值及列波束权值^矽乂)按如下公式进行运算，完成窄脉冲的和波束& (W,识)、差波束4卜没>)、行·和列波束 X+,义识)的形成
全文摘要
本发明公开了一种二维数字阵列雷达数字波束形成系统及方法，主要解决了现有技术数据传输及运算量有限，系统规模小，波束控制不灵活的问题。本发明的系统包括M×N个阵元的二维矩形数字阵列天线，DSP器件，FPGA器件及外围附属器件；本发明的数字波束形成步骤是FPGA器件接收二维数字阵列发送的接收波束的频率、方位角和俯仰角信息；DSP根据FPGA接收的信息，计算二维数字阵列和、差、行及列波束权值，并将这些权值发送至FPGA器件；FPGA器件利用权值和光纤传输的目标回波信号，在FPGA器件中形成二维数字阵列的和、差、行及列波束。本发明具有数据传输量和系统规模大，波束数量多，波束扫描灵活，实时性强，适用于二维大型阵列雷达的数字波束形成。
文档编号G01S7/41GK101995566SQ20101050967
公开日2011年3月30日 申请日期2010年10月15日 优先权日2010年10月15日
发明者周琦, 朱伟, 杨明磊, 陈伯孝 申请人:西安电子科技大学