DBF和差波束測向設計與實現

劉紅

（中國西南電子技術研究所四川成都610036）

DBF技術是一種以數字方法來實現波束合成的技術，是利用陣列天線同時接收多路信號，通過加權因子對空間不同天線的接收信號做加權求和而成。由于加權因子相當于濾波器系數，而輸入的信號為空間位置不同天線的接收信號，所以數字波束合成相當于一個空域濾波器。

應用于測向系統的DBF技術在擁有優越性能的同時也帶來了相應的設計難度。為了獲得要求較高的實時性，需要具有多天線陣元、多通道接收機、多通道數據采集處理、多路采集同步、大數據量高速傳輸、多路信息實時處理、結果上報等要求，其中多路采集同步對系統測向精度對信號同步采集要求較高。因此關于DBF測向的理論研究較多，具體工程實現較少，早期的DBF測向系統都是通過把多路無線信號采集并存儲后，進行事后離線處理，不能對信號進行實時處理并獲得信號的來波方向。

同時，采用DBF技術測量電磁波信號來波方向的手段有多種，常用的有和差幅度比較法和和差相位比較法。文中采用在接收天線陣中廣泛采用的和差幅度比較法，對硬件平臺采集、測量要求較低，易于實現。文中的測向處理系統基于先進的VPX平臺，具有高速數據采集、傳輸和處理的能力，采用大容量FPGA、多核DSP以及嵌入式操作系統，采用模塊化的設計思路，能對多個通道信號進行同步采集處理、波束覆蓋范圍廣、具有實時波束合成、實時測量信號來波方向的功能[1-4]。

1 DBF和差波束測向原理

1.1 DBF原理

圖1為N元均勻線陣波束合成原理圖。設x（it）（i=1，2，…，N）為t時刻第i號天線接收到的信號，w（it）（i=1，2，…，N）為對應天線幅度相位加權系數，則t時刻波束合成后陣列輸出信號為：

其中，W=[w1，w2，…，wN]為加權系數向量，X（t）=[x（1t），x（2t），…，x（Nt）]T為陣列接收信號矩陣。

通過改變權系數W的值可控制信號的移相量和信號幅度，進而控制波束指向。信號經過DBF后，可以顯著提高信噪比，對干擾信號進行抑制[5-7]。

圖1 N元均勻線陣波束合成原理圖

1.2 和差波束合成

在數字波束合成時，通過幅度加權得到和差波束。

如圖2所示，將N個天線接收信號經過幅相加權后，可得到合成后的和波束輸出YΣ：

把和波束分為左右相等的兩部分，由左邊一半和波束輸出信號與右邊一半和波束輸出信號相減，即可得到差波束輸出YΔ：

其中，WL=[w1，w2，…，wN/2]，WR=[wN/2+1，wN/2+2，…，wN]，XL（t）=[x1（t），x2（t），…，xN/2（t）]，XR（t）=[xN/2+1（t），xN/2+2（t），…，XN（t）]。

圖2 陣列天線幅度和差波束合成

1.3 利用和差波束測向

本方案采用了具有16個陣元的線性天線陣，天線間距d為0.14 m的均勻線陣，合成8個約3 dB波束寬度重合波束，同時覆蓋-45°到+45°的空域。采用的和、差幅度比較單脈沖法，利用天線和差波束之間的幅度差與偏離方位主軸的角度關系進行測向。這種幅度法測角所要求的設備量少，除對和差通道的增益均衡外，對兩路之間的相位關系要求不高，較容易實現，其原理框圖如圖2所示。

圖3 DBF波束覆蓋仿真示意圖

同時合成的8個瞬時帶寬10 MHz的波束覆蓋-45°到+45°的空域，波束合成后增益16 dB左右，如圖3所示。

圖4 和差波束方向圖的細化圖形

對于單個波束，通過對和差波束的幅度進行測量，計算出和波束與差波束對應頻點信號幅度比K，查找偏離角表（和差方向圖查找表）得到偏離角，確定信號在波束內的位置。如圖4所示，由于天線的波束是關于中心對稱，所以有兩個位置具有相同的和差比值，它們位于中心點的兩側。但是，通過提取和差波束內對應信號的相位，計算和差信號的相位關系，可以確定目標在和波束主軸方向的左側或右側。偏離角加上波束的瞄準角，即可算出目標的方位角。

對于合成的多波束，需先對覆蓋范圍內的多個和波束對應頻點的信號進行比幅，根據信號幅度的大小，確定信號來波方向在哪個波束中，然后再進行單波束測向[7-12]。

2 系統設計

2.1 關鍵技術及解決方法

1）多路信號采集及同步

根據前面的DBF測向原理，為了提高空域覆蓋范圍，保證測向精度，本系統對16路中頻信號進行同步采集，合成8個波束。為了盡可能地降低系統的復雜性，采用了兩個采集處理模塊對16路信號進行采集，單個采集處理模塊具有8路采集能力。

為了滿足系統對相位一致性的要求，提高測量精度，所有采集電路采用統一時鐘源設計，并且在模塊間設計了同步信號，確保。

2）大數據量高速傳輸

為了滿足系統對信號帶寬的要求，采集處理模塊采用250 MHz sps的采樣率，數據分辨率為14 bit。如果把采樣數據實時地傳輸，那么需要500 MByte/s的傳輸速率，8路AD數據轉換為串行信號傳輸至少需要32 Gbps的傳輸速率。這樣高的傳輸速率對模塊間的傳輸速率、緩存能力和處理要求都較高。

為了降低傳輸速率對系統硬件的要求，降低設計難度，在各個采集處理模塊上對信號進行了預處理和波束預合成運算，并把波束預合成結果通過SRIO高速數據傳輸網絡傳送到主控模塊上。同時，系統中模塊之間的數據傳輸采用4通道2.5 Gbps SRIO交換網絡，模塊間的數據傳輸速率可以達到10 Gbps的速率，這樣就在降低了數據傳輸負荷的同時并保證了數據傳輸的實時性，以實現實時測向的目的。

2.2 DBF和差波束測向系統設計

DBF測向系統組成如圖5所示，系統基本由3部分組成，第一部分由天線及天線開關網絡組成；第二部分由接收機模塊和標校時鐘源模塊組成；第三部分由采集處理模塊、交換模塊、控制及接口處理模塊和顯示控制計算機組成。

天線及天線開關完成對空間的電磁波信號進行接收、傳輸。接收機模塊含獨立時鐘源、頻綜、信道和監控電路，是一個可獨立工作的接收機，對射頻信號進行下變頻和濾波處理，系統通過CAN總線對其進行控制。各個接收模塊間通過時鐘級聯可以相參工作，適應測向的要求。標校時鐘源提供系統基準時鐘，同時可以為測向提供標校信號。系統中所有模塊均為標準VPX 6U尺寸插卡，采用高低頻混裝的連接器與背板進行連接。所有模塊可以根據需要進行組合，以滿足不同場合的應用。

如圖5所示，處理系統作為整個測向系統中的一個重要部分，采用軟件無線電設計思路，在通用硬件處理平臺上，通過加載測向軟件來實現系統功能。處理系統機箱中包含兩個采樣及預處理模塊、一個交換模塊、一個控制及接口處理模塊；交換模塊實現VPX機箱內各個模塊之間的高速串行RapidIO交換；控制及接口模塊完成系統各模塊的協同控制，同時與上位機交互數據，上位機則完成參數下發、監控、結果顯示等功能。

圖5 DBF測向系統組成

2.3 測向工作流程設計

DBF測向工作流程主要由測向數據庫準備、測向系統標校和測向3個過程組成。

測向數據庫準備，是在系統上電后，上位機把測向需要的權系數理論庫和測向庫下載到主控模塊中，以供測向時計算所用。

測向系統標校是指在系統進行測向之前需要對整個系統的接收信道、數據采集等在各個頻點進行計算并對理論權系數校正，以消除系統誤差。標校流程如圖6所示，上位機下發標校啟動命令，同時下發標校的頻率范圍等參數；主控模塊收到標校命令后，控制采集處理模塊進行同步采樣，并根據采集處理模塊的數據對權系數理論數據進行標校；主控模塊在完成對所有頻點標校后，向上位機上報標校結果。

DBF測向系統的測向工作流程如圖7所示，由上位機軟件控制測向系統工作。上位機通過以太網下發測向啟動命令的同時，下發目標信號的頻率、帶寬等參數，主控模塊接收到測向命令后，通過SRIO總線向各個采集處理模塊發送該頻點的權系數用于波束預合成，并通過LVDS接口對多個模塊發送同步采集脈沖啟動采集處理模塊進行采集；采集處理模塊在同步采集脈沖的控制下，進行采集并對數據進行處理和波束預合成，最后通過SRIO總線把波束預合成結果數據發送到主控模塊；主控模塊對收到的8路數據進行波束合成，并根據測向數據庫和波束合成結果在測向庫中進行查表比對，最后并把頻譜、信號頻點、信號方位等結果數據進行整理上傳到上位機；上位機接收到8個波束的頻譜數據和信號方位，通過文字和圖形的形式在用戶界面上顯示[13-16]。

圖6 DBF測向系統標校流程

圖7 DBF測向工作流程

為了驗證本系統的測向功能技術指標，在實驗室環境下，采用了一個1分16的功分器和一個16通道中頻移相器模擬16陣元天線及接收機的輸出信號。以移相器的第1路作為基準，控制第2至第16通道移相角度，對這16路中頻信號進行同步采集并處理。

3 結束語

本文根據DBF和差波束測向的原理和特點，設計了一種基于VPX平臺的測向處理系統。對系統組成、硬件架構、工作流程進行了詳細設計。與傳統的測向處理系統相比，本文提出的方案可行、實用，具有通用、小型化的特點。根據此方案研制出了實際的硬件設備對原理和流程進行了驗證，對225 MHz～3 GHz的信號進行了測向試驗，測向誤差小于1.5°，實驗表明系統運行可靠、接口穩定、性能指標達到了設計要求。

參考文獻:

[1]楊小牛，樓才義，徐建良.軟件無線電技術及應用[M].北京：北京理工大學出版社，2010.

[2]向宇.DBF中的數據轉換系統設計[D].成都：電子科技大學，2014.

[3]董國英.偵察陣列接收機數字波束形成和測向方法研究及其工程實現[M].西安：西安電子科技大學，2010.

[4]胡廣書.數字信號處理理論、算法與實現[M].北京：清華大學出版社，2003.

[5]馬銀玲，毛秀麗.基于DBF的比幅測向方法研究[J].艦船電子對抗，2014，33（2）:91-93.

[6]張忠傳，邰新軍.相控陣中頻數字和差波束形成技術 [J].數據采集與處理，2012，27（S1）:9-13.

[7]韋北余，朱岱寅，吳迪，等.一種基于和差波束的機載SAR定位算法[J].電子與信息學報，2013，35（6）:1464-1470.

[8]李鋼.基于和差波束形成的陣列信號處理平臺設計[D].西安：西安電子科技大學，2010.

[9]韓彥明，陳希信.自適應和差波束形成與單脈沖測角研究[J].現代雷達，2010，32（12）:44-47.

[10]楊欣然，吳瓊之，范秋香.多通道實時陣列信號處理系統的設計[J].電子設計工程，2015 23（12）:176-179.

[11]方棉佳，呂濤.單脈沖和差波束測角的精度研究[J].雷達科學與技術，2013 11（6）:645-649.

[12]許京偉，廖桂生，朱圣棋.基于幅相線性約束的自適應和差波束形成方法研究[J].電子學報，2013，41（9）:1724-1729.

[13]楊雪亞，劉張林.子陣級和差波束形成及測角方法研究[J].中國電子科學研究院學報，2015，10（1）:82-86.

[14]楊玲芳，孫國梁，李炬金.數字和差波束形成的實驗研究 [J].空軍預警學院學報，2016，30（5）:334-337.

[15]楊欣然，吳瓊之，范秋香.多通道實時陣列信號處理系統的設計 [J].電子設計工程，2015，23（12）:176-179.

[16]邱冬冬，金華松，孫永江.自適應波束形成算法的研究[J].電子設計工程，2013，21（1）:44-46.