宽带宽角雷达数字波束合成.docx
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宽带宽角雷达数字波束合成
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(SyntheticApertureRadar,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。
本文采用了多种方案对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。
1、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(nTs)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。
2、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书个采样周期,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个子阵波形的起始时刻为
,初始相位
,开始频率为
即可。
3、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:
4、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,
5、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。
6、MATLAB仿真现象阐述与程序
上图是对于上述图1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。
上图是对与图2和图3的仿真,可以看出两种情况非常接近。
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
clearall;
clc;
closeall;
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)distributionnoise
%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;%thefinalsendingsignal;
S1n=exp(S1_Phasen).*sfa;%thefinalsendingsignalplusnoise;
%%addrightandmakethePCwiththematchfilter
hmatch=conj(fliplr(S0));
n=1:
M*L;
Wopt=exp(1i*2*pi*n*d/lamta*sin(theta0));%generatetheright;
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');holdon;
plot(sn_DB,'linestyle',':
','color','k');
legend('nonoise','withnoise');legendboxoff;
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。
clearall;clc;closeall;
T=1e-6;
B=50e6;
f0=600e6;
u=B/T;
M=5;%numberofsubarray;
L=10;%numberofarrayunit;
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;
form=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);holdon;
3、程序3:
图3的仿真,加权方法。
%clearall;clc;closeall;
T=1e-6;
B=50e6;
f0=600e6;
u=B/T;
M=10;%numberofsubarray;
L=10;%numberofarrayunit;
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))+repmat(0.5*u*(taom').^2,1,length(t))));
s01=(repmat(slfm,M,1)).*hright;
form=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',[100],'LineStyle',':
');holdon;
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。
%%WidebandDBFwithDigitalDelayLine
%basicinformationofsignalsandarray
clearall;clc;closeall;
T=1e-6;%pulseperiod
B=50e6;%bandwidth
f0=600e6;%LFMsignalcarrierfrequency
u=B/T;%sloperateofLFMsignal
M=5;%numberofsubarray;
L=6;%numberofarrayunit;
c=3e8;%lightspeed
lamta=c/f0;d=0.5*lamta;%wavelengthandarrayunitdistance
fs=10*f0;ts=1/fs;%samplingfrequencyandminimumtimeinterval
beamAngle=0;%thedirectionangleofcomingsignalorthebeam
%%generatethedelaybetweensubarraystao
m=1:
M;
taom=m*L*d*sin(beamAngle*pi/180)/c;
k_taom=round(taom/ts)*ts;%k_taomisthetsmultipliedwithintegerk
delta_taom=taom-k_taom;
%%generatethebasefrequencyLFMsignalwithatimedelayk_taom
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));
%%addrightandupconversefrequency
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;
%%extendsignalto(M*L,length(t))
form=1:
M
sWithRightUpEx((m-1)*L+(1:
L),:
)=repmat(sWithRightUp(m,:
),L,1);
end
%%generatephaseshiftquantity
l=1:
L;
fa=-1i*2*pi*f0*l*d*sin(beamAngle*pi/180)/c;
sShiftRight=repmat(exp(fa)',M,length(t));
%%thefinalsendingoutsignal
sSend=sWithRightUpEx.*sShiftRight;
%%Matchedfiltercoefficient
hmatch=conj(fliplr(exp(j*2*pi*(f0.*t+0.5*u*t.^2))));
%%generatedirectionvectorofthearray
n=1:
M*L;
Wopt=exp(1i*2*pi*n*d/lamta*sin(beamAngle*pi/180));
%%thefinalsendingbeam
sbeam=Wopt*sSend;
sPcWay1=conv(sbeam,hmatch);
sPcNormWay1=abs(sPcWay1)/max(abs(sPcWay1));
sPcDBWay1=20*log10(sPcNormWay1);
hfig=figure;
plot(sPcDBWay1,'k');holdon;
%%thesecondway:
DBFONLYWITHDIGITALDELAYLINEANDPHASESHIFTING
%thiswayissuitabletoeverykindofsignalnotlimitedtoLFMmode
%signal.Alsoitisapplicabletowidebandsignal.
%generatethenewphaseshiftquantitybasedonthevaluebefore
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;%Upconversethebasesignaltocarrierf0
%%extendsignalto(M*L,length(t))
form=1:
M
sNoRightUpEx((m-1)*L+(1:
L),:
)=repmat(sNoRightUp(m,:
),L,1);
end
%%sendingDBF
sSendWay2=sNoRightUpEx.*sShiftRightWay2;
sBeamWay2=Wopt*sSendWay2;
sPcWay2=conv(sBeamWay2,hmatch);
sPcWay2Norm=abs(sPcWay2)/max(abs(sPcWay1));
sPcDBWay2=20*log10(sPcWay2Norm);
plot(sPcDBWay2,'-.');