宽带相控阵雷达回波模拟器发射多通道延时补偿方法及系统与流程

本发明涉及电子技术领域，特别涉及雷达模拟仿真技术领域，具体是指一种宽带相控阵雷达回波模拟器发射多通道延时补偿方法及系统。

背景技术：

采用宽带信号的相控阵雷达可获得很高的距离分辨率，将广泛用于下一代多功能雷达系统中。在宽带相控阵雷达系统和各分系统的研制和调试的过程中，传统的雷达模拟器无法满足宽带数字阵列雷达大带宽、多通道、多工作模式等测试要求，因此需要研制专用的宽带数字阵列雷达模拟器。宽带相控阵在做宽角扫描时，仅通过相位控制不能有效地形成波束，进行精确的波束指向控制，必须在阵元或子阵间使用精确的时延补偿。为此需要解决多路宽带信号高精度延时控制的问题。

传统的宽带相控阵雷达模拟器采用模拟延迟线的思路来控制单元间的信号延时，即采用m位状态的数字延迟线，最小的延时量为一个波长，最大的延时量为2^m个波长，数字延时线的延时精度影响相位的一致性，若延时精度为δτ，则中心频率相位误差为：

其中，t为信号周期，宽带信号工作时，按中心频率计算延时，边频相位误差δp为

δp＝360°×δτ×δf

式中，δf为中心频率与变频之间的频率差，因此，数字延迟线的延时精度不仅影响中心频率的相位误差，更重要的是影响阵列中边频信号的相位误差，延时精度越高，相位误差越小。采用m位状态的数字延迟线的延时精度不能满足宽带相控阵雷达模拟器数字波束形成的相位精度要求。

传统的分数延时滤波器使用加窗法实现，但加窗法对不同的延时需要产生不同的滤波器系数，而波束形成所需的时延随着雷达方向图指向的改变而改变，使用加窗法则需要存储大规模的滤波器系数，这显然在硬件实现时是有很大难度的。

进而采用基于farrow结构实现的可变分数延时滤波器可有效规避该问题，但是farrow结构随着滤波器阶数的增加需要大量的乘法器和加法器，且滤波器系数的计算量大，难度高。

因此，如何提供一种对于硬件要求较低，补偿精度高，且适用于可变带宽场景的补偿方法成为本领域亟待解决的问题。

技术实现要素：

本发明的目的是克服了上述现有技术中的缺点，提供对于硬件要求较低，补偿精度高，且适用于可变带宽场景的宽带相控阵雷达回波模拟器发射多通道延时补偿方法及系统。

为了实现上述的目的，本发明的宽带相控阵雷达回波模拟器发射多通道延时补偿方法包括以下步骤：

(1)根据天线阵列的几何结构确定雷达每个单元相对于参考单元的延时量，并将该延时量分解为整数延时量和分数延时量；

(2)利用一基于泰勒展开法获得的可变分数延时滤波器并根据所述的分数延时量对宽带信号进行时域滤波，实现信号的高精度分数延时；

(3)利用整数延时器并根据所述的整数延时量实现信号的高精度整数延时；

(4)将所述的可变分数延时滤波器和所述的整数延时器级联，基于所述的高精度分数延时和所述的高精度整数延时实现多通道高精度数字延时。

该宽带相控阵雷达回波模拟器发射多通道延时补偿方法中，步骤(2)中所述的基于泰勒展开法获得的可变分数延时滤波器具体为：

所述可变分数延时滤波器的理想冲击响应为：

h(n)＝sinc(n-d)

式中，d表示延时量；

所述可变分数延时滤波器的频率响应及其泰勒展开式为：

式中，d表示延时量，z^-1表示延时单元，n表示滤波器的阶数，滤波器为奇数阶滤波器，d为所述的分数延时量。

该宽带相控阵雷达回波模拟器发射多通道延时补偿方法中，所述的步骤(3)具体为：

利用信号的采样时钟驱动一移位寄存器，将待延时信号作为该移位寄存器的数据输入，根据所述的整数延时量配置所述的移位寄存器的级数，该移位寄存器的输出信号为高精度整数延时后的信号。

该宽带相控阵雷达回波模拟器发射多通道延时补偿方法中，所述的延迟量d位于理想脉冲响应的中间部分，且所述的滤波器的阶数n给定，用以通过实现理想分数滤波器的最佳逼近，实现最小误差的延时补偿。

该宽带相控阵雷达回波模拟器发射多通道延时补偿方法中，所述的滤波器的系数仅与该滤波器的阶数n及所述的延迟量d相关，该滤波器的阶数n给定时，通过改变所述的延迟量d实现不同的延时。

本发明还提供一种宽带相控阵雷达回波模拟器发射多通道延时补偿系统，该系统包括：延时量分解模块、可变分数延时滤波器、整数延时器和级联模块。

其中，延时量分解模块，用以根据天线阵列的几何结构确定雷达每个单元相对于参考单元的延时量，并将该延时量分解为整数延时量和分数延时量；

可变分数延时滤波器，基于泰勒展开法获得，该可变分数延时滤波器根据所述的分数延时量对宽带信号进行时域滤波，实现信号的高精度分数延时；

整数延时器，用以根据所述的整数延时量实现信号的高精度整数延时；

级联模块，用以将所述的可变分数延时滤波器和所述的整数延时器级联，基于所述的高精度分数延时和所述的高精度整数延时实现多通道高精度数字延时。

该宽带相控阵雷达回波模拟器发射多通道延时补偿系统中，所述的基于泰勒展开法获得的可变分数延时滤波器具体为：

所述可变分数延时滤波器的理想冲击响应为：

h(n)＝sinc(n-d)

式中，d表示延时量；

所述可变分数延时滤波器的频率响应及其泰勒展开式为：

式中，d表示延时量，z^-1表示延时单元，n表示滤波器的阶数，滤波器为奇数阶滤波器，d为所述的分数延时量。

该宽带相控阵雷达回波模拟器发射多通道延时补偿系统中，所述的整数延时器具体为：利用信号的采样时钟驱动一移位寄存器，将待延时信号作为该移位寄存器的数据输入，根据所述的整数延时量配置所述的移位寄存器的级数，该移位寄存器的输出信号为高精度整数延时后的信号。

该宽带相控阵雷达回波模拟器发射多通道延时补偿系统中，所述的延迟量d位于理想脉冲响应的中间部分，且所述的滤波器的阶数n给定，用以通过实现理想分数滤波器的最佳逼近，实现最小误差的延时补偿。

该宽带相控阵雷达回波模拟器发射多通道延时补偿系统中，所述的滤波器的系数仅与该滤波器的阶数n及所述的延迟量d相关，该滤波器的阶数n给定时，通过改变所述的延迟量d实现不同的延时。

采用了该发明的宽带相控阵雷达回波模拟器发射多通道延时补偿方法及系统，由于其利用基于泰勒展开法获得的可变分数延时滤波器对宽带信号进行时域滤波，实现高精度分数延时，再通过移位寄存器实现高精度整数延时，进而实现宽带相控阵雷达回波模拟器的多路发射通道延时补偿。该方案基于fpga精准的时序控制、快速并行处理能力，结合数字信号处理技术，可以有效降低系统对于硬件要求较低，补偿精度高，且特别适用于可变带宽场景的延时补偿。

附图说明

图1为本发明的宽带相控阵雷达回波模拟器发射多通道延时补偿方法的步骤流程图。

图2为本发明的宽带相控阵雷达回波模拟器发射多通道延时补偿系统在模拟系统中的结构框图。

图3为本发明仿真阵列几何模型原理图。

图4为本发明的可变分数延时滤波器结构原理图。

图5为本发明的可变分数延时滤波器幅度响应曲线图。

图6为本发明的可变分数延时滤波器相位延时响应曲线图。

图7为本发明的延时控制方法预设延时的延时信号示波器实测截图。

图8为本发明的延时控制方法预设延时的延时信号示波器实测截图。

图9为传统移相实现宽带信号发射波束形成仿真图。

图10为本发明中的宽带信号发射波束形成仿真图。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的技术内容，特举以下实施例详细说明。

请参阅图1所示，为本发明的宽带相控阵雷达回波模拟器发射多通道延时补偿方法的步骤流程图。

在一种实施方式中，该宽带相控阵雷达回波模拟器发射多通道延时补偿方法，如图1及图2所示，包括以下步骤：

(1)根据天线阵列的几何结构确定雷达每个单元相对于参考单元的延时量，并将该延时量分解为整数延时量和分数延时量；

(2)利用一基于泰勒展开法获得的可变分数延时滤波器并根据所述的分数延时量对宽带信号进行时域滤波，实现信号的高精度分数延时；

(3)利用整数延时器并根据所述的整数延时量实现信号的高精度整数延时；

(4)将所述的可变分数延时滤波器和所述的整数延时器级联，基于所述的高精度分数延时和所述的高精度整数延时实现多通道高精度数字延时。

实现上述实施方式所述方法的宽带相控阵雷达回波模拟器发射多通道延时补偿系统包括：延时量分解模块、可变分数延时滤波器、整数延时器和级联模块。

其中，延时量分解模块，用以根据天线阵列的几何结构确定雷达每个单元相对于参考单元的延时量，并将该延时量分解为整数延时量和分数延时量；

可变分数延时滤波器，基于泰勒展开法获得，该可变分数延时滤波器根据所述的分数延时量对宽带信号进行时域滤波，实现信号的高精度分数延时；

整数延时器，用以根据所述的整数延时量实现信号的高精度整数延时；

级联模块，用以将所述的可变分数延时滤波器和所述的整数延时器级联，基于所述的高精度分数延时和所述的高精度整数延时实现多通道高精度数字延时。

在优选的实施方式中，步骤(2)中所述的基于泰勒展开法获得的可变分数延时滤波器具体为：

所述可变分数延时滤波器的理想冲击响应为：

h(n)＝sinc(n-d)

式中，d表示延时量；

所述可变分数延时滤波器的频率响应及其泰勒展开式为：

式中，d表示延时量，z^-1表示延时单元，n表示滤波器的阶数，滤波器为奇数阶滤波器，d为所述的分数延时量。

且所述的步骤(3)具体为：

利用信号的采样时钟驱动一移位寄存器，将待延时信号作为该移位寄存器的数据输入，根据所述的整数延时量配置所述的移位寄存器的级数，该移位寄存器的输出信号为高精度整数延时后的信号。

在更优选的实施方式中，所述的延迟量d位于理想脉冲响应的中间部分，且所述的滤波器的阶数n给定，用以通过实现理想分数滤波器的最佳逼近，实现最小误差的延时补偿。所述的滤波器的系数仅与该滤波器的阶数n及所述的延迟量d相关，该滤波器的阶数n给定时，通过改变所述的延迟量d实现不同的延时。

在实际应用中，本发明的宽带相控阵雷达回波模拟器发射多通道延时补偿方法可以包括以下步骤：

步骤a、根据天线阵列的几何结构确定雷达每个单元相对于参考单元的延时量，并分解为整数延时量和分数延时量；

参照图3所示，以0号阵元为参考阵元，阵列单元信号的导向矢量为：

式中，l为阵元间距，θb为回波入射方向与阵面垂线间的夹角，阵元个数为n，λ为信号波长。

相邻阵元之间的延时差为：

式中，l为阵元间距，θb为回波入射方向与阵面垂线间的夹角，c为光速。

第k号阵元相对于参考阵元的延时量τk为：

通过延时时间τk和宽带lfm信号采样间隔ts，得到整数延时量和分数延时量式中表示取不大于的最大整数。

步骤b、通过泰勒展开法得到一种可变分数延时滤波器的实现结构，即泰勒结构可变分数延时滤波器、对宽带信号进行时域滤波，实现信号的高精度分数延时，具体为：

分数延时滤波器的理想冲击响应为：

h(n)＝sinc(n-d)

式中，d表示延时量；

可变分数延时滤波器的频率响应及其泰勒展开式为：

式中，d表示延时量，z^-1表示延时单元，n表示滤波器的阶数，滤波器通常为奇数阶滤波器，d是分数延时量；

如果雷达信号带宽为200mhz，采样率为250mhz，则可变分数延时滤波器的通带带宽为0.8π，于是将滤波器的阶数设为81阶。

参考图4的可变分数延时滤波器的结构可得各级所需的系数；

步骤c、通过移位寄存器实现信号的高精度整数延时，具体为：

用信号的采样时钟驱动移位寄存器，待延时信号作数据输入，按所需整数延时量正确配置移位寄存器的级数，移位寄存器的输出即为延时后的信号。

整数延时滤波器的频率响应为

hi(z)＝z^-i

如果整数延时量为8，则移位寄存器的级数为8，移位寄存器的驱动时钟为ts为宽带lfm信号采样间隔。

步骤d、将上述步骤b设计的可变分数延时滤波器和步骤c设计的整数延时器级联，则数字延时滤波器的频率响应为：

hd(z)＝hi(z)h(z)

本发明的方法已经通过了验证，取得了满意的应用效果：

(1)实验条件：宽带相控阵雷达模拟器对应的雷达工作的中心频率为1.375ghz，阵列单元为64单元的均匀线性阵列，阵元间距为最大波长的一半，期望信号波束方向为θb＝-60°，信号形式为线性调频信号，带宽为200mhz，时宽为20us，采样率为250mhz。

(2)仿真内容：

仿真1：基于仿真参数：可变分数延时滤波器的阶数定为81阶，设计泰勒结构的可变分数延时滤波器，图5给出了分数延时滤波器的幅度特性，图6给出了分数延时滤波器的相位延迟特性，分数延时量分别为d＝0.1，0.2，0.3，0.4，0.5，0.6，0.7，0.8，0.9。图7给出了整数延时值为8，分数延时值为0.0时的实测波形图。图8给出了整数延时值为8，分数延时值为0.1时的实测波形图。

仿真2：基于上述设计的滤波器，进行宽带数字波束形成，图10给出了采用本发明所提方法形成的宽带信号发射波束图，图9给出了仅通过移相方法获得的宽带信号发射波束图。

(3)仿真结果分析：

从图5可以看出，本发明所设计的分数延时滤波器的幅度特性在[0，0.8π]范围内非常平坦。

从图6可以看出，本发明所设计的分数延时滤波器的相位延迟特性在[0，0.8π]范围内非常平坦。

图7中整数延时值为8，分数延时值为0.0，fpga工作频率为250mhz，理论延时值为32ns，实测为32.00ns，验证了整数延时控制的有效性。

图8中整数延时值为8，分数延时值为0.1，fpga工作频率为250mhz，理论延时值为32.4ns，实测为32.40ns,验证了分数延时滤波器的有效性。

图9所示的传统移相实现宽带信号发射波束形成仿真图表明，仅移相方法形成的波束指向随着工作频率的改变而改变。而图10是本发明提出的基于延时补偿的方法形成的发射波束图，波束指向不随着工作频率的改变而改变，实现了宽带的宽角扫描。，说明本发明所提方法是正确的。

由此可以证实，本发明的以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

(1)利用fpga的信号处理资源，寄存器资源，进行数字延时滤波器的设计，用实时数字延时替代模拟延时线，用泰勒结构的可变分数延时滤波器代替加窗法的延时滤波器和基于farrow结构的可变分数延时滤波器，实现了宽带信号的高精度延时控制；

(2)一般地，n阶可变分数延时滤波器，farrow结构需要n²+n个乘法器和n²个加法器，而泰勒结构只需要3n-2个乘法器和3n-1个加法器。随着阶数的增加，泰勒结构相对于farrow结构将节省大量的乘法器和加法器。

(3)随着带宽的改变，基于farrow结构的可变分数延时滤波器的系数需要重新计算且计算流程主要是向量运算，难以在fpga上实时实现，而基于泰勒结构的可变分数延时滤波器带宽的增大和滤波器阶数的增加有一致性，且滤波器系数和阶数的关系明显，适用于带宽实时可变的场景。

采用了该发明的宽带相控阵雷达回波模拟器发射多通道延时补偿方法及系统，由于其利用基于泰勒展开法获得的可变分数延时滤波器对宽带信号进行时域滤波，实现高精度分数延时，再通过移位寄存器实现高精度整数延时，进而实现宽带相控阵雷达回波模拟器的多路发射通道延时补偿。该方案基于fpga精准的时序控制、快速并行处理能力，结合数字信号处理技术，可以有效降低系统对于硬件要求较低，补偿精度高，且特别适用于可变带宽场景的延时补偿。

在此说明书中，本发明已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以作出各种修改和变换而不背离本发明的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。