超宽带雷达自组网的数字波束扫描研究与实现

摘 要：概要介绍超宽带雷达自组网方式特点及布站方式，重点分析了超宽带信号时延控制形成波束扫描的实现方法，从而解决阵列延时带来的旁瓣以及低增益的问题。与传统相控阵雷达不同的是不再利用移相器，而是估计出各个阵列的时延并通过整数延迟线和FIR分数滤波器进行精确时延补偿，仿真结果表明,该方式波束方向指向性能好，没有旁瓣。

关键词：数字波束形成; 超宽带雷达; 扫描； 指向性

中图分类号：

TN957.5234

文献标识码：A

文章编号：1004373X(2012)05

0012

03

Implementation and research on digital beam scanning of

ad hoc network for ultra wideband radar

ZHANG Lin1, CHEN Feng2

(1.Nanjing University of Science & Technology, Nanjing 210014, China； 2.Nanjing 28th Institute, CETC, Nanjing 210014, China)

Abstract：

The simple principle and characteristics of ad hoc network for ultra wideband radar are introduced, the realization on digital beam forming scanning of ad hoc network for ultra wideband radar is analyzed, the side lobe and the low gain caused by the array time delay can be solved. Simulation results show that the method can gain a better performance of beam direction, and suppress side lobe well.

Keywords： DBF; UWB radar; scan; direction

收稿日期：20110831

基金项目：国家自然科学基金(61071145)；博士点基金(200802880014)资助项目

0 引 言

超宽带信号相对带宽与中心频率之比大于25%，而现代传统雷达的频带与中心频率之比通常不超过10%。由于超宽带雷达占据相对极宽的频率范围，其信号处于谐振区和瑞利区，具有较高的军事应用价值，因此成为国内外研究热点之一。

超宽带雷达自组网是利用超宽带信号进行地面探测，可以任意移动的，在任意时间都可工作的具有分布式架构的网络结构，对分布式结构,采用统一的时间基准,对各雷达上报的航迹数据在时间上进行对准。在雷达网的数据融合处理中,对分布式数据处理中的航迹进行关联,可采用统计假设检验方法、模糊航迹关联方法或多维分配方法。

在超宽带雷达自组网中对于近距离的探测，可以采用相对位置进行定位。由于没有中心处理站，不需要UWB信息传输处理，但是可以利用UWB信号作为载体，在接收时，可以解调出UWB波形。对于直达波可以很好地抑制。基于UWB信号的接收阵列,通过控制时延及其分数时延补偿，对单信号或是多信号形成波束并在期望方向上进行扫描，实现对目标的检测与定位。

1 UWB雷达自组网接收阵列的数字波束形成扫描技术研究及实现

1.1 UWB雷达自组网的均匀阵列信号处理技术

基于时延控制的UWB阵列天线基本框架如图1所示。以一维N个等距为d排列的接收阵列天线为例，假设各个脉冲辐射天线单元是全向性天线辐射，所以对于远场区域，辐射信号源近似平行波，与法线成θ夹角方向。每个阵元接收信号后， 由于都存在一定的时延，对各通道的接收信号再进行时延补偿，便可以在期望方向上形成波束进行扫描。

图1 可调延时线的接收阵列结构

1.2 UWB雷达接收阵列的数字波束形成设计方案

UWB雷达接收阵列的数字波束形成是对接收信号进行数字化采样而形成波束的，信号先经过MF(Match Filter)抑制噪声，RF(Restoration Filter)脉冲整形，利用斜坡处理器(Slope Processor)可估计出入射方向θ，此时延迟调整器(Delay Adjust Computer)接收到一个电压信号，更根据θ产生一个新的电压信号，估计出各个阵元需要补偿的时延误差，并可以实时调整。经过A/D转化高速采样后，由于在时域上产生的时延误差，对于这种可变时延电路的精确补偿可以分为整数时延和分数时延补偿，使各个接收阵列的输出先经过数字延时线，实现整数倍采样间隔的时延补偿，然后再利用具有线性相位的FIR滤波器来补偿分散的小数时延。输出信号则会在期望方向上形成波束。

图2中,选第0个阵列为参考信号,阵列中相邻阵列接收到信号的时间差：

Δτ(θ)=dsin θc

(1)

式中：d为阵列距离;c为真空光速；θ为入射角；Δτ是相邻间的时延；DL为数字延迟线；FD为分数延迟线；则第i个阵列(相对于参考信号)的时延为:

接收到的信号，经过A/D转换，高速数字化采样处理，采样周期为T。

再经过每个通道的数字延迟线和FIR延迟补偿滤波器对采样后的信号

x(i)= x(t-Δτi(θ))施加一个时延补偿Δτi～，当Δτi～的选择与θ0方向有如下关系，便在方向θ0形成波束：

当在方向θ0形成波束时，即对每个通道上对来自θ0方向上的信号实现了完全的时延补偿，同时阵列获得了最大的输出功率。阵列的输出相应为各个通道的输出相加之和。故输出信号相加：

y(t,θ)=∑Ni=0x(t－Δτi(θ)+Δτ～i)

＝∑Ni=0xt+idc(sin θ0－sin θ)

(5)

当θ＝θ0时，便可形成波束指向，进而实现时域波束扫描。

2 仿真结果

采用高斯脉冲信号作为超宽带雷达自组网的信号源，其脉冲信号的输入形式、自相关函数及能量谱密度如图3所示。

图3 超宽带雷达自组网脉冲信号的

输入形式、自相关函数及能量谱密度

将高斯脉冲信号产生的时延控制阵列波束形和传统的相控阵列中正弦信号产生波束形成做比较，由仿真结果比较可以得到，在天线间距d=0.3 cm,阵元数M=11，期望方向为0°时，图4中上图没有旁瓣而且波束方向很好，图4中下图有旁瓣且波束展宽较宽。

图4 高斯脉冲信号时延控制阵列波束形和

相控阵列正弦信号波束形成的比较

图5为在d=cΔT/2,cΔT,3cΔT/2,2cΔT不同情况下的高斯脉冲信号作为信号源的峰值幅度方向图。由仿真结果可以看出，其方向性仍很好且没有旁瓣，所以超宽带信号的阵列距离不受限制，这比传统相控阵的阵列距离在d≤cΔT/2情况下将不出现栅瓣有很大的改进。

(高斯脉冲信号作为信号源)

3 结 论

DBF技术在军用雷达和无线通信领域已得到了广泛的应用。随着雷达和通信领域超宽带技术的发展，利用相控阵雷达相位控制技术实现波束形成已无法满足UWB雷达的带宽需求。利用精确的时延补偿技术，可以克服不同时延带来的一系列问题，获得更好的波束方向和更佳的抑制旁瓣能力。

参 考 文 献

［1］王敏,吴顺君,杨淑媛.UWB脉冲信号的时域波束形成方法［J］.电波科学学报,2006,21(2):238243.

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作者简介：

张 琳 女，1986年出生，江西景德镇人，硕士研究生。主要研究方向为UWB波束形成。

陈 峰 男，1983年出生，江苏徐州人，硕士研究生，工程师。主要研究方向为系统工程。

(上接第11页)

故前面的结论同样适用于以平均费用最低为目标的最佳维修间隔期计算，即:

3 结 语

维修策略的制定实际上是建立在系统可靠性工程基础之上。在制定反舰导弹发射装置维修策略时，必须充分利用该装备的可靠性论证、设计及试验所得到的结果。在设备或部件维修方式选择时，需要利用其设计规范和该装备的FMEA分析结果，这是制定最佳维修策略的基础。

最佳维修时间的确定依赖于对设备或部件故障模型的了解。在已知设备或部件可靠性分布的基础上，才可能确定最佳维修时间。但实际上，反舰导弹发射装置的维修策略需要在其装备部队时制定，此时，设备或部件的可靠性信息较少，甚至没有。为了解决上述矛盾，可广泛收集设备或部件的有关使用信息和专家经验信息，利用这些信息制定关键设备或部件的维修时间，作为反舰导弹发射装置初期使用的维修策略。随着设备或部件的使用信息积累，可进一步对其维修方式和维修时间进行确定，以获得最佳维修策略。

参 考 文 献

［1］张钧声．维修性工程理论与应用［M］．北京：昆仑出版社，1988.

［2］王宏济．维修性设计指导［M］．北京：昆仑出版社，1988.

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作者简介：

张彦忠 男，1965年出生，吉林白城人，高级工程师。从事导弹发控专业试验与研究。