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收发全自适应阵列处理实验系统.pdf

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上传者: xl46512 2012-05-08 评分 0 0 0 0 0 0 暂无简介 简介 举报

简介:本文档为《收发全自适应阵列处理实验系统pdf》,可适用于IT/计算机领域,主题内容包含电子科技大学硕士学位论文收发全自适应阵列处理实验系统姓名:汪利辉申请学位级别:硕士专业:信号与信息处理指导教师:龚耀寰l’j.j收发全白适J血阵列娃符等。

电子科技大学硕士学位论文收发全自适应阵列处理实验系统姓名:汪利辉申请学位级别:硕士专业:信号与信息处理指导教师:龚耀寰l’j.j收发全白适J血阵列娃理实验系统摘要基于数字波束形成(DBF)的自适应干扰置零天线技术能够大为提高雷达系统的抗干扰能力.是新一代军用雷达必须采用的关键技术。本论文讨论了收发全自适应阵列处理实验系统.包括FFT数字多波束形成算法.QRD.SMl并行算法PhaseOnly发射算法基于SystolicWavcfront阵列的并行处理原理及实验系统各个功能模块的方案、设计、研制。论文在最后给出了在处理机实验平台上进行对模拟数据和所外场实验数据的接收DBF和发射DBF的实验结果。结果表明了算法的有效性而且由于运用了并行处理方法大大提高了处理速度系统达到了实时处理的要求。关键词:数字波束形成雷达数字多波束干扰置零数字信号处理高速并行处理II收发争fJ征I扣研々l址圳姿驼乐垃ABSTRACTAdaptivearrayinterferenceingtechniquebasedODdigitalbeamforming(DBF)canimprovegreatlYtheantiinterfereneecapabilitjesofaradar.It’hasbecomeaveryjmportantandkeytechniquewhiehamodernradarhastoprocess.ThiSthesiSdiSCUSSeSthetheoryschemeanddesignoftheimplementjngexperimentalsystemforreceivingandtransmittingwholeadaptivearrayprocessingsystem.ThekeytheoremsFFTdigitalmultiplebeamsformingalgorithmQRDSMIparallelalgorithmparallelproeessingbasedonSysticWavefrontarray.InordertoprovetheeffectivenesSofourexperimentalplatformSifflUIateddataandfieldtestdatapreyidedby“iIStitudeofelectronicDepartmentiSproceSsedbyoarplatform.TheprocesSingresUItSshowthattheatgorithmiSeffective.AndbecauseoftheotilizatiOiofparallelprocessjngtheprocessingspeediaimprovedgreatlY.ThiSmakesthesystemsuitableforrealtimesignalprocessing.KeywordS:digitalbeamforming(DBF)radar.digitalmultiPlebeams.interferencejngDSP。highspeedparallelprocessingV收发全自适应阵列处理蛮验系统第一章绪论在现代环境中.雷达、通信等电子系统的工作环境已越来越恶化如何提高对敌对干扰和其它十扰的抗干扰能力是电子系统所面临的严峻挑战。而自适应干扰置零天线技术能够大大提高电子系统的抗干扰能力是新一代电子系统必须采用的关键技术。五十年代末、六十年代初期自适应信号处理技术获得了初步发展。到六十年代中期B.Widrow及其他一些人对自适应技术的发展作出了奠基性的工作。由于自适应信号处理技术能够太大提高雷达、通信等电子系统的抗干扰能力、分辩力、机动性及其它战术性能因而得到了飞速发展。经过近三十年的发展自适应信号处理的理论基础已经建立。自适应干扰置零处理系统根据一定的自适应算法实时地对电子系统天线阵列的输入信号进行分析并根据目标、杂波及干扰源的环境情况自适应地改变处理系统的参数及相应的天线波束形状在干扰方向形成零点最佳或准最佳地实现对干扰置零。由于电子计算机、VLSI技术和DSP技术的发展.自适应干扰置零技术已全部采用数字方式实现并与数字波束形成(DBF)相结合。DBF技术是智能化雷达的基础被称为年代的雷达技术。DBF不但可实现自适应干扰置零还可实现密集多波束.超低付瓣、超角分辨力、天线和通道校准、灵活和快速的波束控制、空分多址等。DBF采用阵列天线和多通道接收机(接收DBF)和多通道发射机(发射DBF)。接收DBF处理时各通道接收的阵列信号经放大、变频后由A/D变换器变成数字阵列信号由专用处理机形成波柬。这就是接收数字波束形成(接收DBF)。发射DBF处理时专用处理机利用多通道接收机接收的阵列信号对干扰和信号进行测向再在测向的基础上根据发射自适应算法计算发射DBF权。专用处理机产生的权送多通道雷达发射机形成发射DBF波束。DBF自适应干扰置零处理算法的运算量很大为了实时实现最好采用并行处理。并行处理的基本原理是:将一个任务分成N个独立的子任务而这些子任务能在N个并行工作的处理器上完成则计算速度最大可提高N倍。在雷达数字信号处理领域中.许多场合都需要对连续数据进行高速、实时的计算而有些计算往往不但是数据相关的并且是高度结构化的这为利用并行处理技术展示了广阔的前景。Systolicwavefront阵列并行处理器特别适合这种情况本系统就是采用该结构。为特定任务设计和优化的典型SystolicWavefront阵列处理器能够实行吞吐率极高的运算在雷达信号的实时处理中得到广泛应用。在有些情况下可能同时需要对多个目标进行搜索、跟踪时。特别是在现代的情况下雷达的工作环境发生了极大的变化.同时目标的抗雷达性能得到了显著提高这就对雷达性能提出了新的高要求也就需要雷达系统具有多波束形成的能力可以同时形成多个不同方向的窄波束.同时对多个目标进行搜索和跟踪甚至覆盖整个空域。在相控阵雷达系统中可以利用同一天线孔径形成多个独立的发射波束和接收波束。具有多波柬形成能力具育极大的意义:收垃争自适啦竹列址挫武验系统:j以采Hj有效的捌角方法.充分利用波束能量:可以提高雷达的搜索数捌率和跟踪数据率:口j以史现取/多基地雷达系统。在硬件实现方面设讣手段和设计工具系统的硬件芯片、模块都一毅得了极大的提高。传统的数字电路设计方法已发生了报大的变化.特别是随着超太规模集成电路(vLsl)的发展可编程逻辑器件的广泛使用已经成为必然它为数字系统的设计带来极大的灵活性太大减少了系统芯片的数量缩小了系统的体积提高了系统的可靠性。随着软硬IP芯核产业的迅猛发展嵌入式通用与标准FPGA/CPLD器件的出现.片上系统(SystemOnChip)已近在咫尺。特别是DSP芯片的推广应用使得数字信号处理理论的获得了广泛应用。虽然数字信号处理理论的发展迅速但是直到世纪年代柬年代初世界上第一块单片可编程DSP芯片的诞生才将数字信号处理理论的研究结果广泛应用到低成本的实际系统中并且推动了新的理论和应用领域的发展。可以毫不夸张地说I)SP芯片的诞生及发展对近年来雷达、通信、计算机、控制等领域的技术发展起到了十分重要的作用。本论文为“收发全自适应阵列处理实验系统”主要论述了多波束形成算法、自适应干扰置零算法、wavefrontSystolic并行处理结构、系统硬件结构以及室内实验结果和所外场实验数据结果。该实验系统由多位同学在导师龚耀寰老师的指导下完成本人作为系统研究小组的成员工作重点在于多波束形成算法的研究和硬件实验系统为了保持系统的完整性在论文中对自适应干扰置零算法作了简单的介绍。收发全自适应阵列处理实验系统第二章多波束形成算法在雷达系统中当空中同时有多个目标出现时雷达系统可以同时形成多个波束根据目标的位置的不同同时实现对多个目标的搜索、跟踪。在特殊情况下甚至可以覆盖整个空域。在相控阵雷达系统中可咀利用同一天线孔径形成多个独立的发射波束和接收波束。本章中将根据作者的研究情况对多波束形成的方法作一论述重点在于FFT的数字多波束形成方法。本章后的一些仿真波形均是利用FFT数字多波束形成方法进行多波束研究的结果。.多波束形成的意义在现代情况下雷达的工作环境发生了极大的变化同时目标的抗雷达性能取得了显著的提高这一切部对雷达的性能提出了新的技术要求而这些的实现也同时要求雷达必须具有多波束形成能力。是否有多波束形成能力具有以下的意义:()采用有效的测角方法充分利用波束能量为了进行目标的角度测量需要形成多个波束。在多波束形成中对于角度的测量可以采用幅度比较方法测角也就是通过相邻的接收波束接收目标回波信号的幅度差异.来精确测定目标所在的角位置。()提高雷达的搜索数据率和跟踪数据率为了提高雷达的测角分辨率、测角精度和抗干扰能力.就要求雷达天线的波瓣宽度尽可能的窄。在这种情况下利用窄波束对目标搜索和跟踪的性能将大大下降。在搜索状态下如果依然采用单波束去搜索整个空域则搜索时间会增加相邻两次搜索同一个空域的时间间隔也会增加则意味着搜索数据率(即每秒的数据采样率数据采样率的倒数即为数据采样时间间隔)要下降。另外.对于需同时观察多个目标的情况除了用于搜索的时间外还要求在时间分割的基础上化大量的时间对多个目标进行同时跟踪这将导致搜索率的进一步降低。在跟踪状态下为了获得高的跟踪成功率以利于解决多目标之间混批现象和进行航迹相关处理需要有高的跟踪采样率或高的跟踪数据率。那么在这种情况下对于雷达目标的搜索和跟踪问题的解决.则依赖于多波束形成能力。()实现双/多基地雷达系统实现双/多基地雷达系统的一个重要条件就是系统应该具备形成多波束的能力.多波束形成分类多波束形成可以根据权值的不同选取而分为数据独立波束形成和统计最佳波束形成而收髓辛白迅成竹刈址理宴验系统自适J衄波束形成可以归类为统计最佳波束形成中。在数据独立波束形成中权值并不依帧于阵列输出数据而是在所有信号和干扰情况下呈现特定的响应。在统计最佳波束形成中根掘阵列数据的统讨特性形成最优阵列响应通常在干扰源的方向置零.以往波束形成器输出信日的信噪比最大。当然这两种方法并不是相互独立的。实际上数据独立波束形成的设计技术经常被使用在统计最佳波束形成的设计中。阵列数据的统计性通常是不知道的.而且往往随着时间而变化因此需要通过自适应算法来决定权值。下面将就数据独立波束形成和统计最佳波束形成作~论述。.数据独立波束形成在数据独立波束形成器中权值的设计应该使波束形成器的响应近似等于期望响应而与阵列数据或统计数据无关。设计目的达到近似的期望响应这与传统的FIR滤波器设计是一致的。这小节讨论的方法可以应用于设计形成近似任意期望响应的波束形成器在几个不同的应用中具有极大意义。例如我们可能希望接收某一方向区域的任何信号在这种情况下整个区域中的期望响应应该是一致的。又比如.我们可能预先已经知道某一确定方向区域存在强干扰源在这种情况下我们可以形成在该区域的期望为零的响应。这两个例子实际上是同带通FIR滤波器和带阻FIR滤波器相类似的。通过选择权值.以使波束形成器的实际响应y(Oco)即:y(OrO)=W“X妒)(.I)近似等于期望响应儿(fO)。Adhoc技术可以被用于权值矿的选取该技术类似于FIR滤波器设计所用的技术。这里只考虑通过权值的选择使得期望响应和实际响应之差的加权p阶范数最小。加权p阶范数近似被用于几种FIR滤波器设计技术中最常使用的范数是无穷阶范数和阶范数.具体的几种技术包括:()理想滤波器的单位脉冲响应加窗(整个连续CO的晟小阶范数)()频域响应采样和线性加权最小二乘(整个离散国的最小阶范数)()Remez互换算法的无穷设计(整个离散的最小无穷阶范数)(无穷复数和幅度响应设计(整个离散的最小无穷阶范数)a由于频率响应是FIR滤波器权值序列的离散傅立叶变换因此FIR滤波器的设计对应于多项式近似问题。上面所提及的几种方法均采用了这种多项式结构a除了波束形成器设计能被缩减成等间距线性阵结构的情况下波束形成器的设计并不是一个多项式近似问题。通常而言阵列输出响应y(口)是一个变化到非整数幂的指数加权和而上面的第和第种无穷阶方法由于是基于多项式近似的改变理论.因而是不适【}j的。第种收发全自适应阵州处理实验系统加窗法是基于离散时间傅立叶变换的也是不适用的。而第种方法即使川线性加权最小二乘阶范数过程则是可适用的。为了通过阶最佳范数解释数据独立波束形成器的设计需要考虑P点((只口.)lip)的实际响应和期望响应的均方误差最小。立果P>N(N为天线阵元数)我们可以获得由多种因素决定的最小二乘问题:minp”一Y。|(.)其中:X=bpm.z慨:lx。ⅢY。=【y。p.m。X儿慨国:l儿p妒假定j讲是可逆的(即Ⅳ是满秩)则(.)式的结果是:W=ⅣYi(.)其中:x=(奴叶Ⅳ(.)是X的伪逆。波束形成器的白噪声增益定义为当阵元上有单位方差白噪声时阵列的输出功率。因而权矢量的范数均方即矿”表示白噪声增益。由于波束形成器因白噪声的分布而有一个很差的信噪比(s豫)所以如果白噪声增益比较大那么根据权值矿而算出的实际响应近似等于期望响应的精确性是一个值得讨论的地方。如果矩阵A是病态的那么权值的范数非常太并且实际响应近似等于期望响应。当空间采样点x(只国.)(f<p)的维数小于阵元数N矩阵A是病态的。例如如果仅对一个信号源方向进行采样那么矩阵A的秩近似由该方向的TBWP(观测时间与带宽的乘积)给出。当秩小于阵元数N时矩阵A及其伪转置矩阵的秩近似相等。这就保证了权值w的范数非常大。通过采样点(..)和(或)每点误差的不等加权公式(.)中就可以增强特定方向和频率的响应。..统计最佳波束形成在统计晟佳波束形成方法中权值的选取足基j二阵列接收数据的统计特性。不严格的说该法的目的是优化波束彤成器的输出响应使得由非期望信弓方向到选的噪声和信弓.在阵列收发争El适应竹列处删宴驰系统输出‘十最小化。一r匝々表总结了几种分别遵循不同准则以选取统计最佳波束形成方法的权值。l自十在第三章中将彳卜绍本实验系统所采用的自适应波束形成方法即是属于统讣最佳波束形成方法故本小节不将详细介绍统计最佳波束形成方法。表I统计最佳波束形成法概括类多副瓣对消(Msc)参考信号最大信噪比(MSNR)线性约束最小方差型准则准则准则准则J。一辅通道数据x一阵列数据x=jn阵歹x一阵列数据y。一主通道数据儿一期望信号数据C一约束矩阵定r朋。=E仁。:}k=E}J信号厂一响应矢量义R。=E每.xff}月=E{xx”}n一噪声R=Ek”}Rs=EkH\输出:Y=W“x输出:Y=Y。一心屯输出:Y=w”x丑。=E{nn”}输出:Y=W“x准m。inEt.驴皑KIjmin£抄一Y。}^。=min{w”疋w虹则W“R.wCW=f峄而”W~^.最佳w。=R。W=Ro斯Rw=丑。ww=矗cc”Rcrl权值优简单可咀不知道期望信真正的最大信噪比灵活、通常的约束点号到达方向缺要确定权值.则不希望必须知道月和点辅通道包含期望信号必须产生参考信号月。必须解决权值权矢量的约束计算的广义特征值问题.多波束形成方法在雷达系统中不同的形成多波束的方法的复杂程度和获得的性能是不同的实际应用中应该根据具体的要求采用相应的方法。多波束形成方法有:Butler(巴特勒)矩阵法、高频形成多波束法(放大器之后形成多波束法和Blass多波束形成法)、中频形成多波束法、FFT数字多波束形成法等等。些茎苎皇垩壁堕型竺丝壅墼墨堑BuLler矩阵法、高频和中频多波束形成法.都是辟|硬件来实现的模拟方法。在这种方法下当多波束形成网络方案确定以后波束的形状、相邻波束的相交电平和波束指向等便固定了.不易改动.无法根据实际的需要动态的形成指向波束。且当要形成的波束数目很多时。硬件将变得很复杂难以调试和改动。而数字多波束形成法则克服了以上的不足。数字多波束形成是在中频形成多波束的发展实际上是在零中频形成多波束。.多波束图一I显示了一个扇区.该扇区由一个宽发射波束照射和覆盖在接收部分则由n个窄图一个宽发射波束和N个窄接收波束覆盖的扇区带固定接收波束覆盖。这种具有多波束类型的雷达系统与普通的单窄带接收和发射波束按时间序列依次指向n个不同的方向雷达系统相比虽然它的发射天线增益减小了但这两种情况下每一个目标所受到的照射功率是一样的(雷达扫描一个整圆)。当一个目标所接收到的单脉冲峰值功率为P时所对应的发射功率是P/n但是目标将被照射n次。在一个扇区中设置单发射波束和多接收波束这种结构可以带来许多相当重要的性能的提高。()可以实质性的提高数据更新率可以从全方位接收到所有目标数据信息所有目标都被发射脉冲所照射。与普通单波束雷达系统相比.在一个扫描周期内每个目标可以受到n次照射每次照射功率为P/n。()该系统可以被归到电子扫描系统但无须雷达高发射功率的电子相位控制多波束天线可以带给相干雷达和们I(动目标指示)系统一定的益处即通过扫描调制来完全消除损耗和频谱扩展。而普通电子扫描雷达系统则不具备这些优点。()系统所有副瓣的性能完全由接收阵列副瓣所决定副瓣电平由天线孔径激励函数的幅度和相位精度所决定而幅相精度对后期的接收信号处理有很大影响。这种多波束接收系统最简单的应用方法是利用一个反射器或透镜收集大量的反射信号。它也町以采.【}j一个多波束矩阵网络.如Buter矩阵或Blass矩阵。同肿它必须在每个输出端fj收J反争“适以砰处理实酸糸娩提供一个独立的接收机(如幽所示).每个输出的波束必须满足空域正交原p每个波束的天线增益将等于阵列在每个方向的增益(考虑到有效孔径的cosO的变化)。实际上该增益将由十多波束矩阵或透镜/反射器系统的损耗而减少。困固图接收多波束形成网络如果在天线单元后面引入带限RF放大器那么就可以在进行波束形成和处理之前定义系统的信噪比(SNR)增加了系统的灵活性和采用新的处理方案的可行性。增加的灵活性就是:多波束网络可能是有损的也可能由于在天线增益、副瓣电平或波束重叠而产生非正交波束。可以方便的改变天线单元输出信号的频率到中频(IF)信号在中频频段可以采用一些更为简单的电子元器件来进行多波束矩阵网络设计。值得注意的是.在接收信号放大以后幅度抽头的应用可以明显地同时减弱信号和接收噪声因而并不会严重地降低信噪比.降幅大概在l~dB左右。多波束网络提供了一种对接收信号角度分布的空域采样模型因而也可以被看作对阵列输出信号进行空域傅立叶变换。数字FFT被用于对雷达信号进行多普勒频谱分析.也可用于对声纳信号进行多普勒分析和方位分析。利用FFT进行处理能力的提高部分得益于专用计算机系统的发展它们目前已被应用到中分辨率雷达系统。对于cW雷达系统或低分辨率脉冲雷达系统来说FFT是多波束形成的最佳选择。目前数字FFT分析器已被应用到机载雷达和卫星台成孔径雷达中。丫『收发全白适应l雌州处理实验系统图经过FFT处理形成多接收波束结构图图所示的FFT处理部分的功能也可以通过一个多波束矩阵采用硬件模拟来实现如Butler矩阵多波束。.ButJer矩阵多波束图为Butler(巴特勒)矩阵多波束系统结构。在该系统结构中采用N个天线单元阵一共可以形成N个发射波束和N个接收波束每一路发射波束和接收波束均有自己的发射机和接收机。整个空域被相互重叠的多个波束覆盖故无须一般相控阵天线中所需要的控制波束扫描的移相器和波束控制器。对N元线性天线阵来说其幅度方向图公式为式.所示:F(O】=sin盟隆血ⅢI^Js恤隆血Ⅲl丑J其中:d天线阵元间距口入射信号与天线法线夹角J天线阵元间相位差(.)收艇午白适一硒副处理吐验最境图Butler矩阵多波束系统结构在Butler矩阵多波束中.对于第k个波束相邻天线阵元间相位差占为占i丝趔口(.)Jv代(.)式^(.)式可得Butler矩阵多波束波瓣方向图计算公式为:sill翌f孥ds'mO(k)。怫】=sin丛lf生XdsinO(型k)rcl‘)、‘N该Butler矩阵多波束形成方法与下一节所讲述的FFT数字多波束形成方法实际上是同一种波束形成法只不过一个是在高频部分用硬件实现的模拟方法一个是在零中频用软件实现的数字方法。它们两者具有相同的一些特性故对Butler矩阵多波束形成方法所具有的一些特性会在FFT数字多波束形成方法中介绍。.FFT数字多波束形成对于Butler矩阵多波束形成方法而言。当多波柬网络方案确定之后波束数目、波束形状、波束位筐以及相邻波束的相交电平便随之固定。当所要形成的波束数目非常多时硬件将变得非常复杂.难以测试和调整.要形成多个低副瓣的多个接收波束将变得更为困难。随着电子计算机、VLSI和数字信号处理技术的飞速发展用数字方法形成多个波束变为可能用数字方法形成多个接收波束实际上是在零中频形成多个波束。O收发全自适应阵列处理实验系统在窄带信号条件下日前已有实际应用的系统出现。比盘美困的At,/FPSll超视距(TD甫达接收阵采用多数字波束形成技术。该雷达的接收天线阵长m波束宽度.共肯部超外差接收机零中频输出两路正交信号经a/o变换后输入数字信号处理机进行距离门多普勒滤波和方位多波束形成处理.产生个接收波束。本部分所研究的FFT数字多波束形成的系统框图如图所示:图FFT数字多波束形成结构框图在整个系统实现框图中各个模块分别实现不同的功能功能如下:在幅度加权模块部分一一通过在幅度上加窗函数如Harming窗、Hamming窗或Blackman窗等毗实现低副瓣。当然.在加窗函数的情况下在降低副瓣的同时不可避免的会使主瓣宽度增加在应用中应根据实际情况来决定所加的窗函数类型。在宽度控制模块部分通过在相位上加平方函数V=似‘以线阵为X轴以阵中心为零点。其结构如图所示:性控辛白适应处理实验系墙t//l‘/I//=似。\\妒八I\t//,v/.』、KN)d(N)ddd/fN)d/阵元阵元阵元NPZ阵元N/I阵元N图通过加平方函数实现宽度控制结构图在实现中.通过调节系数a的值相应的使阵元之间的间距由原来的等间距d变化变为非等间距的非线性的变化.则使得天线阵的孔径发生了变化则会使得波柬的主瓣宽度发生变化。通过适当的选取a的值可以实现波束的宽度控制。方向控制模块部分通过瞄准角B以实现对空中目标的搜索。N点FFT波束形成模块通过FFT以实现多波束形成。整个FFT多波束形成系统总的思路是:通过幅度加权、宽度控制和方向角控制以形成一个宽的自适应波束蜘归)=’y矽。在该波束范围内探测到的多个目标信息送给FFT多波束形成模块该功能模块则分别对多个目标产生相应的窄波束以实现对空中多个目标的分别通信。下面将就FFT多波束形成系统的原理和仿真结果作~论述。..FFT数字多波束形成原理简单结构框图如图。图.F丌数字多波束形成结构框图收发全白适血阵州姓理实验系统其中敬第i个天线单元所接收的信号为z=xlem一’卸=JJQ,(i=.一N)()击:兰!dsin()为相邻天线单元间信号的相位差p为信号方向d为阵元间距五为信号波长、Q为第个信号的I、q两路正交分量为简化起见假定信号的幅度为l。以为数字波束处理机所提供的第k个波束阵内相位补偿值为九:车“。吼^其中:吼为第k个波束的指向。则如图所示的第k个波束的方向图公式为~N.yI(口)=‘e一’‘。。’“=P‘’’’P一’‘’“(.ii)JL忙l若九按波束序号k取离散值.则令其为:暾=七等(.)其中:Ⅳ=K为整数。把公式(.)和(.)代八公式(.)且把以以k来表示则公式(.L)的第k个波束的方向图公式可以改写为N~Y(t)=z.P卅呲州=(。Q{x卅岍州”()lIItl我们从公式(.)可以看出这即是对N个单元输入信号进行DFT来求多波束方向图的计算公式。这是因为天线口径电流分布与天线方向图之间的关系.如同信号时间波形与信号频谱之间存在的傅立叶变换关系一样也是一对傅立叶变换对关系。对公式(.)进行变换为:Ⅳy。(口)=口。cos((/):k/N)Q.s砒(卜)xk/N)(.)~【‘sin((/一)xk/N)Q,cos((/一I)Mc/N)收发争自遥盹阼刮赴硝实验系统y。p:{锚。J掣c等dsm日一警Ⅱc:.。。y。p)=ii}!ii::i爿e’!}【等““一等”j(:.s)S~ldSIn~一石lh例=咖坐(等“肌制L五ⅣsinjlI(五rCd"kNz)I五J(.).,幂k个玻秉最大僵位量由公式(.)可知当N较大时.等dsin口一百kz很小故ly。(茸)l可近似为s缸形(辛L』V捂函数)当x=O时辛格函数为l所以由譬(等拙口一等石=。可得出第k个波束最大值指向为:sin巩=篙汜即:”arcsin嘲..第k个波束的零点位置对辛格函数来说要求其晟小值只有当”“咒。可知sin工=p万且p=.(.)收靛垒白适应阼别处耻实验系绕所以有盟(等dsinANz珈助.z'’.眩zl五J一’由公式(.【)可知.第k十波束的第P个零点位置为:sin%南bt)(.)即:O,t,=arcsin去)眩z。..多波束之间的正交性由公式(.)和(.)我们可以得出如下两点结论:()所有的波束的零点都在某些公共角度上由公式(.)可推知当pk为常数时如Pk=。我们可以知道第个波束(k=)的第个零点(p=)正好与第个波束(k=)的第个零点(p=)重台且同时与第个波束(k=)的第个零点(p=)、第个波束(k=)的第个零点(p=)、第个波束(k=)的第个零点(p=)均重台。()任何一个波束的峰值正好与其它波束的零点位置重合对于公式(.)当表示第个波束的峰值时所对应的公式(.)中的pk=可推知:p=、k=l或p=、k=.即:第个波束的最大值与第个波束的第个零点、第个波束的第个零点重台。我们从以上两点可以看出FFT数字多波束满足波束间正交性。..多波束各个波瓣的相交位置由公式(.)可知.当第k和第k个波束的幅值相等时即:kp】=帆p】sin盟f丝“n一一k万sin虱(兄tdsinOⅣk石)!!墨盟』:sin型f望dsin一幽zI丑NJsi。!f堡dsi。一燮型石L^NJ设第k和第k个波束的相交角为馥t则由(.)可推出(.)(.)收发夸自适脚陋处圳j驶系统即相交角为sin耻意(t一封=ocs,o畚It一..波瓣相交电平将公式(.)代入(.)式中可得到两个波瓣的相交电平.)(.)。in型【塾d三ft一一一k。Ik卜磊翻焉()当N较大时有sm素』NL。所以对N进行归一化以后相交电平为昙取对数后为dB因此通g近视地称相交电平为一dB。..波瓣的半功率点宽度设第k个波束的半功率点宽度为:AOk。则将公式(.)中的sinO表示为sin=sin(O女A巩)可知:sin(BAOk)sin巩COS吼XA吼现代(.)和(.)式入(.)式中可推出第k个波束的波瓣方向图公式为虬p】z。infⅣ掣。。。B。吼j二L一sin(等oos以xA。J、”乩当N较大时公式(.)可近似为辛格函数的形式.即为其中:』=Ⅳ掣cos吼x吼。^np】zXZ对半功率点来说当x=.时kp】*万可求出半功率点宽度为巩:j翌乓(弧度)NadCOS曰.(.)(.)(.)(.)收发拿白适应胖州处理实验系统当阵兀间距为半波长时.半功率点宽度为:吼=意。麓OSc弧度)=嘉。舞OS()汜。。。N。、。NEiej’..覆盖的空域范围对Butler矩阵多波束所能够覆盖的整个空域范围可以按照以下的方法来计算:对于单元数为N=。的线性阵可以形成N个波束以天线阵正中为法线位置则法线两边各有N/个波束。利用式(.)可以求出最边上的波束即k=N/时的波束位置曰。.然后利用公式(.)或(.)求出最边上波束的半功率点宽度A.vX.即可求出N个波束所能够覆盖的整个空域范围为:印%“%J垤”.用FFT形成数字多波束模拟仿真结果下面将就采用不同的天线单元数所形成的多波束所仿真的结果作一介绍:..幅度不加权时的波束情况()采用单元线性天线阵条件:阵元阵元间距d=州形成波束数个波束图如图所示。图中各个波束指向角度分别为:图$八波束图收发辛臼适应酢列处删实验系统=.=。=.。=..y=。=一目。=.a=一.从图中我们司吼看出第个波束(y)的位置在天线阵的端射方向上(曰。=。)在实际应用中此波束无法使用。为了解决此问题.在设计时在天线阵的各个单元之间预先引入一个州N的相移量。则天线阵各单元的修正相位补偿值为:丸‘=I等一万/r=(k)吾()则可得到修正的相位补偿值丸所对应的修正的第k个波束的最大值指向角公式为:B’=arcsi“百(k)(.)如此而来各个波束的指向均有所移动见图所示。此时图中各波束指向角度为:瓯=一.以=.巳=钆=.=q=Io.以=一.钆=et|g广/”妒”/j/”..严一KA器蒜嚣一、/、~{~//越捻}仨、定划测iI』i弹乎上飞N扩V~VlllifI’I}}唧.蚰.加柏即^n口图加入相移量后的八波束图()采用阵元线性天线阵条件:阵元阵元间距d=州.形成波束数个锄舶加射加收发垒自适垭阼处理实验系统波束图如图所示。图中各个波束指向角度分别为口“=.=目。=’蕞囊矗/”:/’缯缀鞭.Z/r严ltt蠢af蕊厂瓜i了静葬螽擎鼯凰审链耀鲢缄~忡一rff卸卸棚。加劬图.十六波束图巳=.%=.乱=.Oy=.以lo=一口川=.矾。=吼=o吼】=.目=一目yt=目=.巳=.从图一中可以看出第九个波束(y)在天线阵的端射方向上无法利用。同样在天线阵的各个单元之间预先引入一个口/.v的相移量天线阵各单元的相位补偿值为公式(.)所示各个波束最大值指向角为公式(.)所示。则此时的波束图如图所示。图中各个波束指向角度分别为:Oyl=一.。日P=.q=.扫一=.口=.目。=.口=..口。lo=一.目“=一.。Oyld=一.。()利用阵元线性天线阵口y=.。扫P=.占=一.OyI=一.条件:阵元阵元间距d=州t形成波束数个吼=.。口n=一.。收艇牟一边卅计划址趔实验系统"Pt象茁卸..帕.加如口印lh图.加入相移量后的十六波束圈波束图如图所示选取其中两个波束放大如图所示图.三十二波束图在无线阵的各个单元之间预先引入一个州.Ⅳ的相移量后的波束图如图所示选取其收发全自适应阵列处理实验系统中两个波束如图所示图.三十二波束图中其中两个放大波束图.加^相移量后的三十二波束图一p一一收发争白适J、o叶列处删实验系统.I...畦囊越、:。。。一。~j|^I‘一代小。埘i。^。沁鼙.染.A.II‰nf‘r、‘l’了:\p.A诲扩IA以l\.自:懿.Hl/冉I’r上妒f|‘口Ⅱ加。图.加入相移量后三十二波束图中其中两个放大波束..幅度加窗情况下的波束图下面将就在阵元线性天线阵、阵元间距为半波长条件下讨论在加不同窗函数的情况下。波束圈的变化。对其它单元线性阵的讨论与阵元线性天线阵一致这里不再讨论。我们选用窗函数.目的是为了两点:使波束主瓣尽可能的窄降低旁瓣使能量尽量集中于主瓣然而在实际情况下这两点是不能同时满足的两者是矛盾的应用中往往是以增加主瓣宽度为代价以换取对旁瓣的抑制。窗函数的类型比较多.常用的有:矩形窗、三角窗、汉宁(Hanning)窗、海明(Hamming)窗、布拉克曼(Blackman)窗、凯泽(Kaiser)窗等等。下面.将就加Hanning窗、Hamming窗和Blaokman窗情况下的波束图作一讨论。为便于比较和分析.对多波束图只画出了其中的两个波束以比较不加窗和加不同窗函数条件下波束的变化情况。波束图是在加了州Ⅳ相移量后的波束图。()不加窗波束图见图.所示。主瓣宽应:旁瓣:.dB堕垄全鱼重些些型竺些壅些墨竺...可..盯.最寰舶Ij\、fp删酾i/,彤‰‰。/.W‘矿i.I艟了I叶一。口‘r‘!’\f.』】f.l’r‘口.如Ojn日图不加窗波束图()加Hanning窗图加Harming窗波束图性麓幸E}运雎阡州世理殳验系统波柬图见l鸳.所示。主瓣宽度:.副瓣电平:.I.dB目I加加被璇蕾瓜艇僻蝴尹雕啤够乡秘j{j|、\:jI‘蚶I.{frI.印.Anlhl图加Hamming窗波束图t囊哥哇pf\\}!二二澍蛹¥J降脚施撕静酗V}。r徽U咚Vl矿.邮加口即丑Anltle圈.加Blackman窗波束图收发全自适应阵列处理实验系统()加Hamming窗波束图见图所示主瓣宽度:副瓣电平:.dB“)加Blackman窗波束图见图.所示主瓣宽度:副瓣电平:..dB从上面加不同的窗函数后波束图的形状我们可以发现加窗函数比不加窗函数可以获得低副瓣.但同时主瓣宽度增加。加Harming窗、Hamming窗和Blackman窗均能获得一dB以上的低副瓣Black.man窗甚至能获得..IdB的超低副瓣但它的主瓣宽度为不加窗时的两倍。Hamming窗作为改进的Harming窗具有同Hanning窗一样的主瓣宽度但具有更低的副瓣电平.最低可以达NdB。不过随着阵元数的进一步增加.它的副瓣电平不会再降低而主瓣宽度可以进一步变窄。当然在实际系统环境中性能会太打折扣。..空中多目标时多波束的仿真实现根据.节图所示的FFT数字多波束形成结构框图可以这样理解:通过对天线阵各单元所接收的信号进行幅度加权、宽度控制和方向控制形成一个副瓣低、主瓣宽的和波束儿p)对空域进行照射。然后将在照射区域内的目标位置信息送给FFT多波束形成系统使各个波束分别同波束指向的目标进行一对一的通信。如图.所示假设N元均匀线阵阵元间距d=五/.为来波方向以第一阵元为参考阵元所收到的信号为置则操纵矢量矩阵为:x=b叩州..即““帖’r(.)其中:庐=.#dsin口阵元间相位差进行加窗函数九.以降低副瓣处理后得:Ⅳ:【】x:】xxe卅xle删”"r(.)根据.节的论述对于波束的宽度可以通过在相位上加平方函数吵=甜调整系数口的值到达调整波束宽度的目的。设第i个阵元的相位为:纠吣鲁dsinOa竿乎)。汜L、\‘/收艇争白遥胧陋班妊理劣啦系统则.为简便起见取第一阵元信号幅度为町得到加宽度控制以后的信号矩阿为爿。=p:一J吖设宽波束方向控制的矩阵为权值矩陴w方向为鼠则有卵=le一’等“””。l则得波束方向图为:Ⅳ“Yop)=矿’x”=e“】J争Ⅻ。PJ悟”册争)d/eJ(r)弘一(.)(.)(.)我们可以通过控制方向B来调整宽波束yo归)对某个空域的照射以获得该区域的目标信息。再以FFT数字多波束形成系统形成的多个窄波束对准目标.进行一对一的通信。下面的仿真图表示了在一定条件下仿真结果。()条件:单元线性阵:阵元间距d=州:宽度控制系数口=.宽波束指向空域鼠=j目标个数=个方向为和其中:宽波束dB角度分别为一和.图如图.所示.’.加翩.’.谴|越/一\\、出n陋\旷。矿V“曲唧枷加^n.}Rt囊|{、、厂、{f、、岔翩nmM血删螋Ⅳ州删Ⅳr肾“mⅢr.eO.|口/tngle图目标波束指向图收发全自适应阵列处理实验系统()条件:单元线性阵:阵元间距d=五/:宽度控制系数d=O.宽波束指向空域口.=一.目标个数=个方向为一、一和。其中:宽波束dB角度分别为.和一.图如图.l所示O.’m卸.舯.廿.柏卸霰|嚣//一\\/一.qVI厂、厂W卸..如帅I}计蕞电疆.印.加.印即Angle圈目标波束指向图o)条件:单元线性阵阵元间距d=x/:宽度控制系数口=o.宽波束指向空域=oo目标个数=个方向为、、一和一其中:宽波束dB角度分别为.和一.图如图所示从以上的几个仿真波形图可以看出天线阵可以根据目标信息对多个目标同时进行通信通过调整宽波束宽度控制系数a和宽波束指向角度只的值可以实现用某一宽度的波束对某一特定区域进行照射。而且可以以多个宽波束对整个空域实行覆盖这样可以提高搜索数据率。对多个目标可咀同时进行窄波束通信仿真所在的条件是采用了元线性天线阵当然为了提高目标的分辨率可以通过增加天线阵元数.以彤成更窄的波束甚至宽度为度。收篾争自适m阱々q处耻譬翰系统O’l口.’m目鼓囊翟l/~\j./、、伊c:hn:pF『即AngleFFTt囊麓蜘J柏ngI詈图.目标波束指向图.小结从以上的分析和仿真的结果可以知道我们可以根据实际的需要产生任意多个波束指向各个波束之间的间隔为非等间距。可以根据目标的位置动态的产生一个窄波束来对准目标同时与多目标通信。随着波束位置数k的加大波柬指向角巩也相应增大波束指向偏离天线阵法线方向则越远等效于无线孔径越小因而波束的半功率点宽度变宽。随着天线阵的单元数的增加等效天线孔径增大因而可以波束的半功率点宽度变窄。因而可以通过增加天线阵的单元数来得到任意窄的波束但是相应的会增加系统的复杂性。我们比较Butler矩阵多波束形成法中的公式(.)即相邻天线阵元间相位差占为占:(k)疗(.).Ⅳ与FFT数字多波束形成法中的公式(.).即天线阵各单元的修正相位补偿值为:丸‘=。万fr一号=()号()收发全自适应脚列处理实验系统我们可以发现此两个式子完全相等。困此FFT数字多波束形成法与Butler矩阵多波束形成法是完全一致的.可以这么说FFT数字多波束形成法是Butler矩阵多波束形成法的数字实现方案。在有关FFT数字多波束形成法中所论述的有关该法的一些性能亦同样是Butler矩阵多波束形成法的性能。本论文中的多波束形成的研究胡步验证了通过FFT来实现多波束。通过加窗可以显著的降低副瓣对于Hamming窗来说可以降.IJdB。当然同时会使主瓣宽度增加。副瓣的降低和主瓣的加宽是两个矛盾体相互对立的。在实际应用中应根据需要来加不同的窗函数在副瓣电平和主瓣宽度之间取舍。同时可以在相位上加平方函数咿=麟通过改变系数口的值来改变波束宽度。如调节系数a的值得到一个宽波束在某一特定区域.通过该宽波束照射该区域以获得该区域的多个目标信息.再对多个目标实行一对一的通信以实现最佳的通信效果。由于时间有限.在对多波束的研究中.只能说是在开始阶段还没有对在干扰、杂波等情况下的波束情况作一研究在工作的下一阶段会对这方面的情况作进一步和深入的研究。收发争自适应叶州处理窭验系统第三章自适应波束形成算法.接收自适应波束形成算法准则自适应天线的设计必须要满足在保持需要信号特性的情况下实时对外界未知的干扰环境作出反应因此对雷达DBF系统来说自适应算法的目的是在干扰方向产生波束零点并能在干扰环境变化或雷达波束瞄准方向变化时始终保持波束零点对准干扰。各种自适应算法的推导.往往都要先选定一种最佳准则在此基础上找到一个加权矢量作用于系统达到预定的最佳性能。常用的准则有:B.最小均方误差准则:指阵列实

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