精品宽带宽角雷达数字波束分化

精品宽带宽角雷达数字波束分化 宽带宽角雷达数字波束合成 ,,,,,,,,, ,,,,,,,,,,姓名:张贵 ,,,,,,,,,,学号:02083042 ,,,,,,,,,,班级:020831 ,,,,,,,,,,院系:电子工程学院 ,,,,,,,,, 摘 要 合成孔径雷达(Synthetic,Aperture,Radar，简称SAR)是是一种运用最广的雷达成像技术。而雷达成像技术是上个世纪50,年代发展起来的，它是雷达发展的一个重要里程碑。从此，雷达不仅仅是将所观测的对象视为“点”目标，来测定它的位置与运动参数，而是能获得目标和场景的图像。同时，由于雷达具有全天候、全天时、远距离和宽广观测带，以及易于从固定背景中区分运动目标的能力，雷达成像技术受到广泛重视。 利用SAR成像，最主要的就是要利用SAR的高分辨力。SAR,的高分辨，在径向距离上依靠宽带带信号，几百兆赫的频带可将距离分辨单元缩小到亚米级。 本文主要是针对雷达发射宽带信号的数字波束合成做仿真。通过认真学习了LFM信号的PC(脉压)处理，以及(DBF)数字波束合成技术。本文采用了多种对LFM信号作DBF。第一种应用了模拟延时单元，第二种方法是利用子阵并结合DDS进行宽带信号的DBF，第三种方法是对于第二种方法的改进，主要运用了加权宽带的DBF，第四种方法利用了数字延时线，第五种方法是仅有数字延时和移相器的宽带信号DBF。从第一种到第五种方法是逐步优化的过程。到第五种方法，已经可以对任意发射的宽带波形进行DBF处理。 声,,,,明 本文的主要参考文献是《宽带宽角数字阵列雷达发射波束形成》，作者:曹运合，刘峥，张守宏。文中所有的方法都来自于该论文。本文的形成主要是对于该论文技术的研究以及自己的实际MATLAB仿真。从大的SAR成像的信号形式上入手，最终想到了本文的研究主题。由于能力有限，所以只能作初步的学习和仿真。MATLAB程序是自己独立完成，并且是完全根据自己对参考文献的理解写成，难免有思路上的误解。 一、应用模拟延时单元的子阵发射波束形成 与接收阵列一样,,发射阵列同样采用划分子阵来降低阵列的复杂度和成本。假设考虑一个等距离线阵,,阵元间距为d,,阵元数为N,,,把阵列均匀分为M个子阵,,每个子阵含有L,个单元,,即N=,ML,。各子阵配置一个时间延迟单元(,TDU,),,,子阵内各单元均有一个移相器。天线阵列工作时,,对于发射波束,,发射机功放后将信号分成M,路,,经M,个TDU,不同延时后,,再送给位于T,/,R,组件的各单元的移相器进行移相,,从而形成某一方向的波束,,将信号馈送给阵列各天线单元,,向空间辐射出去。这样就可以节省很多昂贵的模拟延时单元。应用模拟延时单元的子阵发射波束形成方法实现框图如图1,所示。 图1,中S(,nT,s,),为数字化的宽带信号基带波形,,需要上变频后发射出去,,即可完成宽带发射波束形成。时延和相移的实际值不可能精确达到前面公式的计算值,,均存在着量化误差,,而量化误差会引起阵列增益降低及信号分辨率下降。模拟延时单元价格昂贵、体积较大、温度稳定性较差,,高的温度稳定性的模拟时延单元会增加了成本、体 积和重量。所以有必要研究数字方法来实现宽带相控阵波束形成。 二、每个子阵应用DDS的宽带发射波束合成技术 随着高速大规模集成电路技术的发展,,近年来出现了DDS,技术。作为新一代数字频率合成技术,发展迅速,,并体现出很大的优越性,,已经在军事和民用领域得到了广泛应用,,例如在雷达领域的捷变频雷达、有源相控阵雷达及低截获概率雷达等方面。DDS,采用了不同于传统频率合成方法的全数字结构,,通过控制电路对DDS,输出波形的频率、幅度和相位进行精确的控制,,因而具有许多先进的优点,例如极高的频 率分辨率、极短的频率变化时间、高的稳定性,,还可灵活产生多种信号等。用DDS,技术产生线性调频信号及其他复杂波形信号的技术日益受到重视,,并得到了广泛的应用。每个子阵上含有一个波形产生器(,例如DDS)来完成宽带发射波束形成较为简单,,DDS,产生线性调频信号,,并且可以数字控制它的起始频率、初始相位、开始时间和调频斜率等,,来达到阵列导向要求的信号波形。下面介绍第m,个DDS是如何实现延时的。标准的线性调频信号可以写为 式中,,rect,(,?,),为矩形窗,,可表示为为使阵列导向,0,方向,,在第m,个子阵发射出去的线性调频信号为 对把产生的信号数字延时，数字延时线只能把产生的信号波形延时证个采样周期，令(k为整数)，。考虑到数字信号源应该产生在基带上，经数字延时后的信号为: 第二步对延时后的信号作频率和相位补偿，比较式(5)和(6)可以得出，需要补偿的相位，频率 。此时 经上变频后，上式为: 注意到，所以非常接近，可以很好的实现宽带发射波束导向方向。实现框图如图2所示，是的第m个子阵 ，初始相位，开始波形的起始时刻为 频率为即可。 三、加权宽带发射波束合成技术 如果，基本上可以忽略(5)式中的矩形窗延时，则公式改写为: 令第m个子阵的时变权为: 即可完成数字宽带发射数字形成，见下图3所示: 四、应用数字延时线的宽带发射波束形成 ,,,,若(9)式比较大，或者尽可能的不损失阵列发射增益，此 时可以采用数字延时线来完成波束形成。见下框图: 其中， 五、仅用数字延时线和移相器的宽带发射数字波束形成 如果信号带宽很大，采样率很高，的前两项基本可以忽略，只需考虑高频载波相位即可，可以把移相和子阵内的移相合并成为，此时，该方法就可以对任意宽带波形进行发射DBF，而不必局限于LFM信号了。 六、,,,,,,仿真现象阐述与程序 0no noise with noise -10 -20 -30 -40 -50 -60 0.80.911.11.21.31.41.51.6 4x 10 上图是对于上述图,的模拟仿真。程序中，用均匀噪声模拟了模 拟延时线的量化噪声。可以看出在加上噪声之后对与波束合成产生了 很严重的影响。造成波束延迟，且出现分散的现象。 0 -20 -40 -60 -80 -100 -120 4500500055006000650070007500 上图是对与图,和图,的仿真，可以看出两种情况非常接近。 0 -10 -20 -30 -40 -50 -60 -70 -80 5000520054005600580060006200640066006800 上图是对于最后的图4和图5的仿真。通过仿真可以看到两者的效果 基本相当。 程序代码如下: 1、程序一:图1的仿真，课改变噪声幅值，从而控制模拟延时线的量化误差。 %%,宽带宽角数字阵列雷达发射波束形成技术 %,本程序包括两个仿真，分别是: %,1、TDU量化误差影响并与数字方法比较 %,2、两种不同的数字宽带波束合成的方法比较 %%,仿真一 %,基本波形信息 clear,all; clc; close,all; , M,=,5; L,=,6; T,=,1e-6; B,=,100e6; f0,=,6000e6; u,=,B/T; c,=,3e8;lamta,=,c/f0; d,=,0.5*lamta; , %上变频后的线性调频信号 fs,=,2*f0;ts,=,1/fs; t,=,ts:ts:T; %,t,=,0:step:Tp,-,step; S0_Phase,=,1i*2*pi*(t.*f0,+,0.5*u*t.^2); S0,=,exp(S0_Phase); theta0,=,pi/3; %模拟延时单元向量的产生 m,=,1:M; tao,=,m*L*d*sin(theta0)/c; , n,=,1e-7/2*(rand(1,M)-0.5);%uniform(rectangle),distribution,noise %,n,=,1e-6/2; taon,=,tao,+,n; taoAn,=,repmat(reshape(repmat(taon,L,1),M*L,1),1,length(t)); taoA,=,repmat(reshape(repmat(tao,L,1),M*L,1),1,length(t)); %移相器移相的产生 l,=,1:L; fa,=,-1i*2*pi*f0*l*d*sin(theta0)/c;sfa,=,exp(repmat(reshape(repmat(fa,M,1),M*L,1),1,length(t))); , %经过TDU和移相器的输出信号 tt,=,repmat(t,M*L,1); t1,=,tt,+,taoA; t1n,=,tt,+,taoAn; , S1_Phasen,=,1i*2*pi*(t1n.*f0,+,0.5*u*t1n.^2); S1_Phase,=,1i*2*pi*(t1.*f0,+,0.5*u*t1.^2); S1,=,exp(S1_Phase).*sfa;%the,final,sending,signal; S1n,=,exp(S1_Phasen).*sfa;%the,final,sending,signal,plus,noise; %%,add,right,and,make,the,PC,with,the,match,filterhmatch,=,conj(fliplr(S0)); n,=,1:M*L; Wopt,=,exp(1i*2*pi*n*d/lamta*sin(theta0));%generate,the,right; , sp,=,Wopt*S1; spn,=,Wopt*S1n; s_PC,=,conv(sp,hmatch); sn_PC,=,conv(spn,hmatch); s_PC_NORM,=,abs(s_PC)/max(abs(s_PC)); sn_PC_NORM,=,abs(sn_PC)/max(abs(sn_PC)); s_DB,=,20*log10(s_PC_NORM); sn_DB,=,20*log10(sn_PC_NORM); plot(s_DB,'linestyle','-','color','g');hold,on; plot(sn_DB,'linestyle',':','color','k'); legend('no,noise','with,noise');legend,boxoff; 2、程序2:图2的仿真，从基带产生带有初始频率和延迟的信号。 clear,all;clc;close,all; T,=,1e-6; B,=,50e6; f0,=,600e6; u,=,B/T; M,=,5;%number,of,subarray; L,=,10;%number,of,array,unit; c,=,3e8; lamta,=,c/f0;d,=,0.5*lamta; fs,=,10*f0;ts,=,1/fs; beamAngle,=,0; , m,=,1:M; taom,=,m*L*d*sin(beamAngle*pi/180)/c; k_taom,=,round(taom/ts); delta_taom,=,taom,-,k_taom*ts; , t,=,ts:ts:T; s01,=,exp(j*2*pi*(f0.*t+0.5*u*t.^2)); s02,=,exp(-j*pi*u*taom'*t); s03,=,repmat(s01,M,1).*s02; for,m,=,1:M ,,,,s0((m-1)*L+(1:L),:),=,repmat(s03(m,:),L,1); end , l,=,1:L; fal,=,-2*pi*f0*l*d*sin(beamAngle*pi/180)/c; s10,=,exp(1i*fal); s1,=,repmat(s10',M,length(t)); , ss,=,s0.*s1; hmatch,=,conj(fliplr(s01)); , n,=,1:M*L; Wopt,=,exp(j*2*pi*n*d/lamta*sin(beamAngle*pi/180)); , sbeam,=,Wopt*ss; s_pc,=,abs(conv(sbeam,hmatch))/max(abs(conv(sbeam,hmatch))); s_pc_db,=,20*log10(s_pc); plot(s_pc_db);hold,on; 3、程序3:图3的仿真，加权方法。 %,clear,all;clc;close,all; T,=,1e-6; B,=,50e6; f0,=,600e6; u,=,B/T; M,=,10;%number,of,subarray; L,=,10;%number,of,array,unit; c,=,3e8; lamta,=,c/f0;d,=,0.5*lamta; fs,=,10*f0;ts,=,1/fs; beamAngle,=,0; , m,=,1:M; taom,=,m*L*d*sin(beamAngle*pi/180)/c; %,k_taom,=,round(taom/ts); %,delta_taom,=,taom,-,k_taom*ts; , t,=,ts:ts:T; slfm,=,exp(j*2*pi*(f0.*t+0.5*u*t.^2)); hright,=,exp(1i*2*pi*(-u*taom'*t-repmat(f0*taom',1,length(t))+rep mat(0.5*u*(taom').^2,1,length(t)))); s01,=,(repmat(slfm,M,1)).*hright; , for,m,=,1:M ,,,,s0((m-1)*L+(1:L),:),=,repmat(s01(m,:),L,1); end , l,=,1:L; fal,=,-2*pi*f0*l*d*sin(beamAngle*pi/180)/c; s10,=,exp(1i*fal); s1,=,repmat(s10',M,length(t)); , ss,=,s0.*s1; hmatch,=,conj(fliplr(slfm)); , n,=,1:M*L; Wopt,=,exp(j*2*pi*n*d/lamta*sin(beamAngle*pi/180)); , sbeam,=,Wopt*ss; s_pc,=,abs(conv(sbeam,hmatch))/max(abs(conv(sbeam,hmatch))); s_pc_db,=,20*log10(s_pc); plot(s_pc_db,'Color',[1,0,0],'LineStyle',':');hold,on; 4、程序4:图4、5的仿真，数字延迟线以及最后的加权移相结构。 %%,Wideband,DBF,with,Digital,Delay,Line %,basic,information,of,signals,and,array clear,all;clc;close,all; T,=,1e-6;%pulse,period B,=,50e6;%band,width f0,=,600e6;%LFM,signal,carrier,frequency u,=,B/T;%slope,rate,of,LFM,signal M,=,5;%number,of,subarray; L,=,6;%number,of,array,unit; c,=,3e8;%light,speed lamta,=,c/f0;d,=,0.5*lamta;%wave,length,and,array,unit,distance fs,=,10*f0;ts,=,1/fs;%sampling,frequency,and,minimum,time,interval beamAngle,=,0;%the,direction,angle,of,coming,signal,or,the,beam , %%,generate,the,delay,between,subarrays,tao m,=,1:M; taom,=,m*L*d*sin(beamAngle*pi/180)/c; k_taom,=,round(taom/ts)*ts;%k_taom,is,the,ts,multiplied,with,integer,k delta_taom,=,taom,-,k_taom; , %%,generate,the,base,frequency,LFM,signal,with,a,time,delay,k_tao m t,=,ts:ts:T; td,=,repmat(t,M,1),+,repmat(k_taom',1,length(t)); slfm,=,exp(1i*2*pi*(0.5*u*td.^2)); , %%,add,right,and,upconverse,frequency hright,=,exp(1i*2*pi*(-u*delta_taom'*t-repmat(f0*taom',1,length(t ))+repmat(0.5*u*(delta_taom').^2,1,length(t)))); sWithRight,=,slfm.*hright; sWithRightUp,=,repmat(exp(1i*2*pi*f0*t),M,1).*sWithRight; %%,extend,signal,to,(M*L,length(t)) for,m,=,1:M ,,,,sWithRightUpEx((m-1)*L+(1:L),:),=,repmat(sWithRightUp(m,:),L, 1); end , %%,generate,phase,shift,quantity l,=,1:L; fa,=,-1i*2*pi*f0*l*d*sin(beamAngle*pi/180)/c; sShiftRight,=,repmat(exp(fa)',M,length(t)); , %%,the,final,sending,out,signal sSend,=,sWithRightUpEx.*sShiftRight; %%,Matched,filter,coefficient hmatch,=,conj(fliplr(exp(j*2*pi*(f0.*t+0.5*u*t.^2)))); %%,generate,direction,vector,of,the,array n,=,1:M*L; Wopt,=,exp(1i*2*pi*n*d/lamta*sin(beamAngle*pi/180)); , %%,the,final,sending,beam sbeam,=,Wopt*sSend; sPcWay1,=,conv(sbeam,hmatch); sPcNormWay1,=,abs(sPcWay1)/max(abs(sPcWay1)); sPcDBWay1,=,20*log10(sPcNormWay1); hfig,=,figure; plot(sPcDBWay1,'k');hold,on; , %%,the,second,way:DBF,ONLY,WITH,DIGITAL,DELAY,LINE,AND,PHASE,SHIF TING %this,way,is,suitable,to,every,kind,of,signal,not,limited,to,LFM, mode %signal.Also,it,is,applicable,to,wide,band,signal.%generate,the,new,phase,shift,quantity,based,on,the,value,before sShiftRightWay2,=,sShiftRight.*repmat(reshape(repmat(exp(-1i*2*pi *f0*taom),L,1),M*L,1),1,length(t)); sNoRightUp,=,repmat(exp(1i*2*pi*f0*t),M,1).*slfm;%Up,converse,the,base,signal,to,carrier,f0 , %%,extend,signal,to,(M*L,length(t)) for,m,=,1:M ,,,,sNoRightUpEx((m-1)*L+(1:L),:),=,repmat(sNoRightUp(m,:),L,1); end , %%,sending,DBF sSendWay2,=,sNoRightUpEx.*sShiftRightWay2; sBeamWay2,=,Wopt*sSendWay2; sPcWay2,=,conv(sBeamWay2,hmatch); sPcWay2Norm,=,abs(sPcWay2)/max(abs(sPcWay1)); sPcDBWay2,=,20*log10(sPcWay2Norm); plot(sPcDBWay2,'-.');