专利名称：基于微分算子的超宽带波束形成器及实现方法
技术领域：
本发明属于通信技术领域，更进ー步涉及超宽带阵列雷达技术领域的ー种基于微分算子的超宽带波束形成器及其实现方法。本发明解决了超宽带波束形成硬件实现资源开销过大的问题，可用于宽帯/超宽带波束形成。
背景技术：
波束形成是广泛应用于阵列雷达领域中的一项技术，为了让阵元天线阵列指向一个特定的方向，加强该方向的信号強度，基本的波束形成方法是对各阵元接收到的信号按该波束到达方向进行延时，补偿到各阵元信号同相位再进行相加，得到该方向的波束输出。对于超宽带信号采用传统的移相处理会造成波束扫描不准和主瓣展宽，因此需要使用时域的精确延时补偿来进行接收波束形成。目前，传统的数字时延方法，包括过密采样、数字时域内插、频率线性相位加权等，都有ー个共同的缺点，无法提供可变的时延，对于不同时延量都需要重新设计补偿滤波器系数，而且过密采样需要使用工作频率过高的ADC器件，同时造成数据量过大等问题。浙江大学提出的专利申请“ー种宽带数字波束形成方法”(专利申请号200810062479. 6，公开号CN101296014A)公开了ー种宽带数字波束形成方法。该方法包括时分复用中频正交采样、正交解调、低通滤波、内插延时与相位旋转以及波束求和等步骤。该专利申请存在的不足是，采用内插值的方式实现波束延时补偿，増加了额外的运算量，而且滤波器系数和时延量有夫，每当时延量改变时滤波器系数就要重新计算加载，増加了系统负担，同时不便于实现大角度的连续波束扫描。胡永君、陈文俊等人在“基于分数时延滤波器的宽带数字信号时延的实现”(《雷达与対抗》2010年6月第30卷第2期)中公开了四种分数时延滤波器的设计方法。公开的四种方法分别为直接截断法、sine函数加窗法、Lagrange插值法和General Least squares设计方法，但是这四种方法所设计分数时延滤波器均为带通滤波器，应用于需要大带宽大角度扫描的宽带/超宽带波束形成器时会导致波束指向和形状精度降低的现象。目前，工程中公认的更优的设计方法是使用可变分数时延滤波器，使时延量独立于分数时延滤波器系数，实现时延量的连续变化补偿。声纳学中的Farrow结构可以实现时延量和滤波器系数分离，从而实现可变分数时延滤波器，但是，该方法的经典Farrow结构由多个子通道构成，各子通道都需要相同阶数滤波器，从而导致所需滤波器阶数过高实现困难。实际雷达工程中应用较多的光纤真时延波束形成器，能够实现无阵面畸变的宽带以及超宽带波束形成器。其特点使用光纤来实现PS级别的实时延吋，但是该方法存在的不足是，实现超宽带波束形成器的移相精度只能做到4到6位，且成本较高。
发明内容
本发明的目的在于克服上述已有技术的不足，解决宽带以及超宽带波束形成中可变分数时延滤波器结构复杂实现困难等问题，提出一种基于微分算子的超宽带波束形成器及其实现方法，降低可变分数时延滤波器结构复杂度，減少超宽带波束形成硬件资源开销。本发明基于微分算子的超宽带波束形成器，包括一个波束求和模块和多个阵元通道，每个阵元通道包括权系数和时延量存储模块、窄带相位补偿模块、精确时延补偿模块，各模块之间通过总线相连，其中权系数和时延量存储模块，用于存储各阵元通道窄带相位补偿权系数和时延量；窄带相位补偿模块，用于补偿各阵元通道之间的窄带相位差；精确时延补偿模块，由两个微分算子时延补偿器构成，用于补偿各阵元通道之间的时延差；用于对各阵元通道经过相位和时延补偿至波前对齐的输出信号进行波束求和。本发明基于微分算子的超宽带波束形成器实现方法，包括如下步骤
(I)存储权系数和时延量将各阵元通道窄带相位补偿权系数实部、虚部和时延量放大2K倍后存储到各阵元通道中权系数和时延量存储模块的随机存储器RAM中，得到各阵元通道的权系数和时延量存储模块。(2)窄带相位补偿复数乘法器将用户输入的各阵元通道输入复信号和各阵元通道窄带相位补偿权系数相乘，将所得结果除低K位以外的高位按照实部和虚部两路信号输出，得到窄带相位补偿模块。(3)精确时延补偿3a)将时延量右移K位，得到整数倍时延量。3b)取时延量低K位,得到分数倍时延量。3c)将窄带相位补偿后的信号数据输入移位寄存器，整数倍时延量作为移位寄存器控制信号，对输入信号进行整数倍时延补偿。3d)移位寄存器输出信号依次输入N级D触发器完成N级延时，減法器将各级D触发器输入信号和输出信号相减，得到D触发器和減法器构成的各级微分算子的输出信号。3e)将各通道子滤波器系数そΓ放大2K倍作为常系数乘法器系数，得到各级D触发
Λ!
器通道的常系数乘法器，各级微分算子输出信号分别输入各级D触发器通道的常系数乘法器。3f)将乘法器系数为的N-M+1个常系数乘法器输出信号数据相加求和，加和结
K
果右移K位，乘法器将移位结果和分数倍时延量相乘，相乘结果和乘法器系数为i一的N-M
个常系数乘法器输出信号数据相加求和，加和结果右移K位，乘法器将移位结果和分数时
延量相乘，相乘结果和乘法器系数为的N-M-I个常系数乘法器输出信号数据相加求
Ar!
和，依次类推，直到乘法器输出结果和乘法器系数为も的N个常系数乘法器输出信号数据
相加求和，加和结果右移K位，乘法器将移位结果和分数时延量相乗，相乘结果右移K位，移位结果和移位寄存器输出信号数据相加求和，将求和结果输出，得到微分算子时延补偿器。3h)将各阵元通道的时延量和窄带相位补偿后的实部信号、虚部信号输入微分算子时延补偿器，进行时延补偿，将所得结果按照实部和虚部两路信号输出，得到精确时延补偿模块。(4)波束求和加法树分别对输出的各阵元通道的实部信号数据和虚部信号数据进行波束求和，将求和结果分实部信号和虚部信号两路输出，得到波束求和模块。
本发明与现有技术相比具有以下优点第一，由于本发明基于微分算子的超宽带波束形成器采用微分算子时延补偿器进行精确的时延补偿，各通道子滤波器的系数个数逐级递减，減少了乘法次数，克服了现有技术分数时延滤波器阶数过高，实现困难的缺陷，使得本发明具有了实现简单，硬件乘法器资源开销少的优点。第二，由于本发明基于微分算子的超宽带波束形成器采用的微分算子时延补偿器是全通滤波器，能够对阵元通道的信号进行全带宽的波束合成，波束主瓣形状和指向跟带宽没有关系，克服了现有技术中宽帯/超宽带波束形成器的在大带宽大角度扫描时存在的波束指向和形状精度降低现象，使得本发明具有了可以在全带宽内进行精确波束合成的优点。第三，由于本发明基于微分算子的超宽带波束形成器采用微分算子时延补偿器进行时延补偿，克服了现有技术实现大角度的连续波束扫描困难的缺陷，使得本发明具有了可以进行连续大角度波束扫描的优点。第四，由于本发明基于微分算子的超宽带波束形成器实现方法采用微分算子时延补偿器，其等效的移相精度较高，根据不同的可编程逻辑器件FPGA级别，可以达到12 16位移相/延时精度，克服了现有的光纤延时方案移相精度低的缺陷，使得本发明具有了移相精度高的优点。
图I为本发明系统的方框图；图2为本发明方法的流程图；图3为本发明实现结构的方框图；图4为本发明中微分算子时延补偿器实现结构方框图。
具体实施例方式下面结合附图I对本发明的系统结构做进ー步描述。本发明基于微分算子的超宽带波束形成器，包括一个波束求和模块和多个阵元通道，每个阵元通道包括权系数和时延量存储模块、窄带相位补偿模块、精确时延补偿模块，各模块之间通过总线相连，其中权系数和时延量存储模块，用于存储各阵元通道窄带相位补偿权系数和时延量。窄带相位补偿模块，用于补偿各阵元通道之间的窄带相位差。精确时延补偿模块，由两个微分算子时延补偿器构成，用于补偿各阵元通道之间的时延差。波束求和模块，用于对各阵元通道经过相位和时延补偿至波前对齐的输出信号进行波束求和。微分算子时延补偿器用下述系统函数表示
权利要求
1.一种基于微分算子的超宽带波束形成器，包括一个波束求和模块和多个阵元通道，每个阵元通道包括权系数和时延量存储模块、窄带相位补偿模块、精确时延补偿模块，各模块之间通过总线相连，其中 所述的权系数和时延量存储模块，用于存储各阵元通道窄带相位补偿权系数和时延量; 所述的窄带相位补偿模块，用于补偿各阵元通道之间的窄带相位差； 所述的精确时延补偿模块，由两个微分算子时延补偿器构成，用于补偿各阵元通道之间的时延差； 所述的波束求和模块，用于对各阵元通道经过相位和时延补偿至波前对齐的输出信号进行波束求和。
2.根据权利要求I所述的基于微分算子的超宽带波束形成器，其特征在于，所述的微分算子时延补偿器用下述系统函数表示 M N Im) H(Z)= YiDm Σ-1)M W=O k—m · 其中，H(z)为补偿器的系统函数，z为补偿器的系统变量，M为补偿器总通道数，m为补偿器通道数，其值为大于等于O小于等于M的整数，D为时延量分数部分，N为通道子滤波 Am)器总阶数，N > M，M和N的选取由用户根据对波束宽度和硬件资源消耗要求确定，为通 A!道子滤波器系数，k代表通道子滤波器阶数，其值为大于等于O的整数，ξ为时延量整数部分。
3.根据权利要求I所述的基于微分算子的超宽带波束形成器，其特征在于，所述的微分算子时延补偿器，采用易于实现的ー阶微分单元进行任意可调的O倍到I倍的采样周期延迟补偿。
4.一种基于微分算子的超宽带波束形成器实现方法，包括如下步骤 (1)存储权系数和时延量 将各阵元通道窄带相位补偿权系数实部、虚部和时延量放大2Κ倍后存储到各阵元通道中权系数和时延量存储模块的随机存储器RAM中，得到各阵元通道的权系数和时延量存储模块； (2)窄带相位补偿 复数乘法器将用户输入的各阵元通道输入复信号和各阵元通道窄带相位补偿权系数相乘，将所得结果除低K位以外的高位按照实部和虚部两路信号输出，得到窄带相位补偿模块； (3)精确可调时延补偿 3a)将时延量右移K位，得到整数倍时延量； 3b)取时延量低K位,得到分数倍时延量； 3c)将窄带相位补偿后的信号数据输入移位寄存器，整数倍时延量作为移位寄存器控制信号，对输入信号进行整数倍时延补偿； 3d)移位寄存器输出信号依次输入N级D触发器完成N级延时，減法器将各级D触发器输入信号和输出信号相减，得到D触发器和減法器构成的各级微分算子的输出信号；3e)将各通道子滤波器系数
5.根据权利要求4所述的基于微分算子的超宽带波束形成器实现方法，其特征在干，步骤(I)中所述的窄带相位补偿权系数实部通过下式取得 wr = cos (2 n fcld (sin θ π /180) /c) 其中，K为窄带相位补偿权系数实部，fc为用户雷达系统载频，I为用户雷达系统阵元数，I = 0，1，. . .，L-l，L为用户雷达系统总阵元数，d为用户雷达系统阵元间距，Θ为用户输入扫描角度，取值范围为-90到90的整数，c为光速。
6.根据权利要求4所述的基于微分算子的超宽带波束形成器实现方法，其特征在干，步骤(I)中所述的窄带相位补偿权系数虚部通过下式取得 Wi = -sin (2 n fcld(sin θ π /180) /c) 其中，Wi为窄带相位补偿权系数虚部，fc为用户雷达系统载频，I为用户雷达系统阵元数，I = 0，1，. . .，L-l，L为用户雷达系统总阵元数，d为用户雷达系统阵元间距，θ为用户输入扫描角度，取值范围为-90到90的整数，c为光速。
7.根据权利要求4所述的基于微分算子的超宽带波束形成器实现方法，其特征在干，步骤(I)中所述的时延量通过下式取得
8.根据权利要求4所述的基于微分算子的超宽带波束形成器实现方法，其特征在干，步骤(I)中所述的K是由用户根据硬件资源消耗要求和系统精度要求确定的，取值范围为大于O的整数。
9.根据权利要求4所述的基于微分算子的超宽带波束形成器实现方法，其特征在干，步骤(4)中所述的加法树由多级加法器构成，第一级加法器分别将每两路相邻阵元通道输出的实部信号数据和虚部信号数据相加求和，第二级加法器分别将第一级加法器中每两个相邻的实部信号数据加法器和虚部信号数据加法器的输出信号数据相加求和，第三级加法器分别将第二级加法器中每两个相邻的实部信号数据加法器和虚部信号数据加法器的输出信号数据相加求和，依次类推，直到最后ー级两个加法器分别将各阵元通道输出的实部信号数据和虚部信号数据完全相加，输出一路实部信号和一路虚部信号。
全文摘要
本发明公开一种基于微分算子的超宽带波束形成器及其实现方法。超宽带波束形成器包括一个波束求和模块和多个阵元通道，每个阵元通道包括权系数和时延量存储模块、窄带相位补偿模块、精确时延补偿模块。本发明超宽带波束形成器实现方法的步骤1.存储权系数和时延量；2.窄带相位补偿；3.精确时延补偿；4.波束求和。本发明采用微分算子时延补偿器进行时延补偿，减少了乘法次数，降低了运算量和乘法器资源开销，该时延补偿器为全通滤波器，可以实现全带宽内精确时延补偿，基于该微分算子时延补偿器的波束形成器可以实现大角度连续波束扫描，采用可编程逻辑器件FPGA进行实现，具有较高的移相/延时精度。
文档编号G01S7/02GK102680946SQ20121018475
公开日2012年9月19日 申请日期2012年6月6日 优先权日2012年6月6日
发明者张子敬, 王敏, 菅立龙 申请人:西安电子科技大学