基于VxWorks和FPGA的雷達數字波束形成技術

潘 浩 刁晶晶 陳俊馬 陳金銳 王善松

(1. 中國電子科技集團公司第三十八研究所 合肥 230008; 2. 中國人民解放軍63629部隊 北京 102600)

0 引言

波束形成技術在多個領域具有重要意義，例如雷達、通信、聲波探測、電磁對抗等。在現代智能化技術不斷進步的情況下，數字波束形成(Digital Beam Forming, DBF)技術更新換代日益頻繁；特別是在雷達領域，智能化、信息化、數字化技術突飛猛進，雷達系統對于平臺穩定性、硬件指標、軟件設計等方面具有更高的要求。

目前，DBF功能實現基于數字信號處理器(Digital Signal Processor，DSP)+現場可編輯邏輯門陣列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)平臺，且主要功能模塊在FPGA中構建邏輯關系，實現數字計算，形成多波束輸出。該平臺具有較高的靈活性和擴展性，FPGA模塊具有成熟的開發技術，實現過程簡單、有效。但在工程應用中，特別是對于目前亟需開發的軟件化、參數化雷達系統，這種架構存在一定的缺點，開發周期長，調試過程較為繁瑣。嵌入式開發系統是以應用為中心，以計算機技術為基礎，軟硬件可裁剪，適用于應用系統對功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴格要求的專用計算機系統。嵌入式系統具有實時性(硬件實時和軟件實時)、小尺寸、低功耗、高效率等特點，滿足了智能化雷達系統對指標的嚴格要求。

相比于傳統模擬波束形成技術，DBF可實現單個或多個獨立可控的波束形成，且對每個通道獨立加權，獲得優良的波束能力。在實現多陣元、多通道系統數字波束形成時，可以通過采用分級合成方法，減少合成數量，降低信號大小，實現子陣級—全陣級合成的轉變，提高數字波束合成效率。

本文基于某工程實例，在VxWorks+FPGA平臺中合理運用多級波束合成技術，研究了雷達數字波束合成方法，并通過仿真驗證和算例分析驗證了多通道、多波束的雷達數字波束形成方法的可行性。

1 VxWorks+FPGA平臺構建

數字波束形成算法核心內容包括接收系數計算和全通道波束權重合成兩部分。根據目前雷達系統的要求，波束接受系數計算模塊對實時性的要求越來越苛刻，DBF系統需要依據當前波束指向和校正補償，快速計算出不同通道的波束權系數，其更新頻率達到毫秒級。而對于全陣面波束權重合成技術，FPGA運用乘法器模塊和時序控制模塊，將全通道數據拆分為多個子陣集合，通過一級一級合成、傳輸、累加，最終形成多波束輸出，大大提高了波束形成效率，增強了波束性能。VxWorks+FPGA平臺基本架構如圖1所示。

圖1 VxWorks+FPGA平臺基本架構

1.1 VxWorks平臺開發

VxWorks是目前采用最多的，用于開發實時嵌入式系統的實時嵌入式操作系統，是運行在目標機上的高性能、可裁剪的實時多任務操作系統，其主要思想是在系統中最大限度實現內核的時間可預測性，根據用戶定義的任務優先級對任務實現調度，因其良好的可靠性和卓越的實時性被廣泛應用于通信、軍事、航空航天等高精尖技術領域中。VxWorks操作系統將多任務分為不同優先級，具有強大的同時處理多任務能力，提高了DBF系統的實時性。

在雷達波束形成系統中，VxWorks平臺開發的主要任務包括天線通道校正、通道幅相補償、波束系數計算、窗函數加權等功能模塊；同時根據波束調度和FPGA的時序指令，實時更新T/R組件控制參數，實現相控陣雷達多波束合成。VxWorks平臺開發接口主要包括波束調度接口、FPGA接口、時序接口，通過RapidIO建立不同平臺間的信息交互鏈路，實現數據、信號量等信息的實時傳輸，達到快捷、穩定、可靠性高的要求。

VxWorks平臺開發過程中，調用主函數功能，實現各個任務的實時處理，等待各外界信號的指令，觸發系統中的任務模塊，利用多核技術快速計算、獲取系統參數，放入緩存中等待處理；同時，根據不同類型時序，響應數據收發功能，將有效數據傳輸至下一級處理平臺中。平臺主要包含了門鈴響應、時序中斷、波調任務、波束數據更新、控制信息傳輸、Bite自動更新等。

1.2 FPGA平臺開發

FPGA由邏輯單元、RAM、乘法器等硬件資源組成，通過將這些硬件資源合理組織，可實現乘法器、寄存器、地址發生器等硬件電路設計。硬件可重構可重復編輯具有邏輯單元靈活、設計方法先進、靈活可編程等優點。FPGA在通信領域、數字信號處理、軍工領域、航空航天等多種領域具有廣泛應用。FPGA主要特點有：一是具有較大的數據吞吐量，可以用來做高速信號處理；二是并行程度高，可以在每個時鐘周期內完成多項并行任務，在數字信號處理的運算能力上具有強大功能；三是接口高速設計可以輕松實現各種串行或并行的數據傳輸，適用于芯片間互連、背板互連及設備間互連；四是具有靈活的可編程邏輯，可對FPGA進行反復編程、擦除、使用，用不同的可編程電路實現不同的功能。

在數字波束形成過程中，FPGA平臺開發主要完成任務包括與時序控制間的接口設計、與T/R組件間接口設計、與VxWorks平臺間接口設計、與信號處理間的接口設計、多級DBF設計等。FPGA通過時序控制，根據不同類型的時序觸發執行相應的操作，將不同類型數據進行對齊、分析、處理；采集TR組件傳輸的天線波形信號，對于不同的TR組件上的數據要對數據格式嚴格對齊，放入不同的flash緩存中；同時，根據地址偏移取出VxWorks平臺傳輸的波束系數，對兩種數據進行復乘、累加，輸出波束信息。

2 雷達數字波束形成方法

數字波束形成是通過加權因子對不同陣元接收到的信號進行加權、求和來實現波束合成功能的。天線陣面接收到空間回波，通過TR組件轉換為數字信號(即I和Q值)，經過TR組件和DBF間的通信通道，將信號數據傳輸至FPGA。FPGA將I/Q信號與波束形成系數相乘、累加，得到合成波束，至后端做進一步處理。

雷達波束信號由天線搜集，且天線方向為同一種設計，在進行波束合成時無需考慮天線方向的影響，對陣面的通道數據進行全陣合成，即可得到陣面波束信號。對于一個二維陣面，陣面坐標為坐標，則陣面波束計算公式為式(1)所示。

(1)

DBFC進行陣元級波束系數計算，根據當前波束指向和陣元坐標，得到各個通道的波束加權值，傳輸至FPGA；FPGA采集TR組件下傳的波束I/Q值，先對每個TR組件中通道進行波束合成，即波束I/Q值與加權系數進行復數相乘，再進行通道累加；初級合成后對不同TR組件的數據進行求和，最后在某一片FPGA中合成得到不同類型的波束。

3 算例系統與分析

3.1 算例系統

針對以上算法和設計理論，本文構建了實際工程算例，對其進行深入分析，以驗證上文中提出方法的可行性。本文選取1000個通道的陣面進行分析，每個TR組件包含10個通道，共計100個TR組件。對于雷達數字波束合成，FPGA采集每個通道的回波數據，根據VxWorks芯片計算出的波束合成系數(考慮TR組件通道誤差)，將兩組數據進行乘法、求和運算，得到波束信息。

3.2 算例分析

1)雷達數字波束形成

雷達全陣面通道進行波束合成，通過采集各個通道收到的信號(I/Q數據)，計算機芯片進行波束系數計算處理，求得各個通道補償后的指向系數，傳輸至FPGA；在FPGA中利用乘法器資源對原始回波數據和波束指向系數進行乘累運算，得到波束數據。

本系統產生波瓣掃描時序，方位/俯仰指向角由-60°掃描至60°，步進0.05°，俯仰/方位指向角為0°，分別得到2400組波束數據，以掃描角度為橫坐標，波束數據的幅度值為縱坐標，得到方位波束掃描合成情況和俯仰波束掃描合成情況，如圖2和圖3所示，分別對和波束和差波束進行對比，在中間0點位置和波束幅度最大，差波束最小，形成和差波束曲線。

圖2 方位波束掃描圖

圖3 俯仰波束掃描圖

4 結束語

本文基于VxWorks + FPGA平臺實現了雷達數字波束形成，將通道信號進行DBF計算，得到不同指向、目標、極化水平的波束數據；利用VxWorks實時操作系統優化參數配置，實現DBF合成動態調整，大大提高了數字波束合成的靈活性、可靠性，縮短系統延時，增加波束數據的精確性。