数字波束形成技术简介

对于传统的阵列，其波束是通过微波网络在微波频段形成的，而把微波频段变到中频，利用中频采样获得的幅、相数字信息形成波束 （DBF），这种方法是近年来数字处理技术与天线技术相结合的产物，它突破了在阵面上由射频能量直接形成波束的传统概念。阵面上各单元获取的射频信号经由各自的接收通道快速变换成数字信号，运用数字信号处理技术，可实现多波束、超低副瓣，还具有阵列方向图的优化及赋形、天线阵自校正及超分辨力等优势。将一个多元阵列的各阵元输出信号加权求和，使得阵列输出对于不同空间方向来的信号产生不同的响应，这就是传统的波束形成的基本概念，单脉冲雷达的和差波束形成技术是最简单、最典型的例子之一。直接将微波变成数字信号处理有技术上的困难。如果将各阵元输出信号经过适当频率转换，转换成数字信号，将加权、求和等处理技术移到数字处理上进行，使其输出对于不同空间方向来的信号产生不同的响应。这种技术将天线阵列获取的目标信息转换为数字化的信息，由于它保留了目标信号的频率、幅度、相位等信息，在对目标信号进行相关积累、参数检测的同时，还可以通过自适应数字加权技术构造出有利于测向的任意（形状和数量）波束，通过一定的测向算法处理便可对辐射源进行精确的测向。

从原理上讲，DBF 技术的硬件包括天线阵元、微波前端、A/D 采集器和数字波束形成器 （含高速计算机）等部分。DBF 的组成原理框图如图8.52 所示。由于现在的A/D 采集器工作频率还不能太高，A/D 采集对模拟信号的电平也有要求，因此，DBF 天线的硬件还包括射频信号放大及下变频部分，称为接收通路或接收前端。转换下来的信号经过A/D 转换器转换成数字信号，然后送到高速并行数字信号处理机进行数字波束合成，形成所需的多波束信号。为了保留接收信号的相位和幅度，必须得到两个正交的分量，即信号同相（I）和正交（Q）分量，这类似于从极坐标转换到具有实部I 和虚部Q 的笛卡儿坐标。将I 信号和Q 信号数字化后，信号的相位和幅度可按下式计算：

图8.52　DBF 结构框图

传统的正交解调基带数字转换流程：中频信号通过一对模拟的混频器和低通滤波器提取I 和Q 基带信号，使用两个A/D 转换器分别对正交的I 和Q 信号进行采样，从而对A/D 转换器的采样速率要求较低，但是要求两路模拟通道在相位和幅度上保持一致，解调精度低。当然，也可以采用数字化的方法得到I 和Q 分量。中频数字化及采用算法实现数字式正交解调时，直接中频采样后，将数字中频信号通过数字解调算法得到I、Q 两路基带信号，该方法解调出来的I、Q 通道间一致性和相位正交性远远优于传统正交解调方法。数字波束形成器能进行快速的并行数学运算，从而实现阵元接收的信号矢量和权矢量之间的内积，产生波束。波束运算器是数字波束形成器的核心部件，它主要由高速并行数字信号处理机构成，完成乘、加运算。而波束控制器主要根据各种约束条件产生最佳的复数权矢量。在波束形成技术中使用数字技术有下列优点。

（1）在不损失信噪比的情况下，可以产生多个独立的可控波束。在DBF天线阵中，阵元信号被数字化，信噪比主要由前端接收模块中的低噪声放大器决定。对接收信号进行数字处理便可同时形成多个密集波束，提供了同时检测和跟踪多个目标的能力。因为波束扫描控制是无惯性的，因此，对波束灵活性的约束最小。

（2）波束扫描控制系数是可变动的，因此，对通道间的增益和相位失配误差的校正可以组合在内。接收通道可以进行联机校准，校准程序可以比较容易地合并在DBF 阵中，因此，对接收通道中的绝对误差要求就可降低。

（3）天线方向图可以任意改变，因此，可以在工作时应用综合技术形成和差波束、多波束等任意形式的测向波束，并且可以方便地进行阵元方向图的互耦校准。(www.xing528.com)

（4）来自阵列的全部信号可用数字形式得到，因此，可以应用阵列信号处理技术。例如，方向图的自适应算法或采样矩阵求逆 （SMI）算法，并且接收到的数字信号还可以进行相干累积等其他信号处理方法。

利用幅、相接收机试验研究，由几个对数周期阵元组成一直线阵，分别采集几个单元收到的信号幅度和相位，经过适当的幅度和相位加权，可以同时得到任意多个波束。这样，阵的响应可在数字处理器中形成，通过对来自各单元的信号进行加权相加的办法来计算，某一特定的波束对于一组数字化的接收数据的响应为

式中　wk，φ（r）——加权函数的幅度和相位；

　　　Ak，Pk——从单元来的接收到的信号幅度和相位。

图8.53 给出的是形成波束的情况，它验证了数字波束形成系统的测向能力。借用比幅测向原理，任一方向的来波信号均可通过数字加权得到7个值，比较用数字波束形成的7个波束与这7个值，就可以得到信号的到达方向。同时，用数字方法得到的波束质量比较好，因此，能够达到较高的测向精度。

图8.53　DBF 形成的波束图

由于将各阵元输出信号经过适当转换，转换成数字信号，那么它所携带的频率、幅度、相位和到达时间等信息就全在采样量化后的数据中，充分利用接收到的这些信号，采用合理的算法，就可以推断出目标信号在宽角空域内的到达方向。根据同样的一组数据，经过不同的加权处理，就可以得到不同的天线方向图响应。实际上，相当于产生许多灵活多变的多波束，以搜索和确认规定空域内的多个目标源，并对其进行高精度测向。对于干扰源方面，可以形成自适应的调零或者某个角度范围的固定限带问题。通过采用宽带的射频组件、高速采样的A/D 转换器和快速波束算法，产生实时的宽带DBF。另外，在每个天线阵元后加入功率放大器，将数字波束形成的数据通过D/A 转换器转换成模拟波束。经过上变频至微波频段，由功率放大器通过天线辐射产生DBF 干扰波束，并且通过收、发控制切换开关和共用天线阵面，形成收、发一体化的DBF 系统。