通道均衡在宽带数字阵列雷达中的技术研究

论文摘要

宽带数字阵列雷达是采用宽带信号波形、发射和接收都使用数字技术和波束形成技术的阵列天线雷达。其相对于传统相控阵来说,具有巨大的优势:易于实现超低副瓣,大的动态范围,波束扫描速度快,可同时多波束等。然而宽带数字阵列雷达阵列通道中的模拟器件及其构成的电路特性的差异会使多个发射通道和接收通道产生随频率变化的幅度和相位特性的不一致,即通道失配。通道失配会严重影响宽带数字阵列雷达所具有的优越性能。本论文针对这一问题,分析了通道失配对雷达性能的影响,重点研究了宽带数字阵列雷达中的补偿通道失配的通道均衡技术。首先从理论上推导了通道失配对数字波束形成以及脉冲压缩的影响。给出了FIR扰动模型,并通过仿真实验表明,不论是通道幅度失配,相位失配或者幅度相位均失配,通道失配对低旁瓣波束形成影响都非常大。工程上,为了得到低旁瓣波束需要精确地控制雷达通道在整个波形带宽内的频率响应。然后研究了通道均衡的时域算法和频域算法。通道均衡的时域算法是基于维纳滤波理论和最小二乘理论,文中给出了时域均衡的基本算法,并基于给出的IIR零极点扰动模型进行了仿真。本论文重点讨论了通道均衡频域算法,并对基本算法作了适当的修正即采用加权的最小二乘拟合法,并且把参考通道幅度响应作为加权矩阵的对角元素,获得了更好的均衡性能。此外,还详细分析了通道频率响应的失配程度、校正信号信噪比、均衡器抽头数、带宽时间延迟积、FFT点数M等因素对均衡器性能的影响,为以后的工程实现提供了理论基础。为了满足工程应用上计算复杂性和性能之间的折中,我们考虑在一定的条件下,用传统的窄带校正的方法来替代均衡。通过仿真实验,可以看出在对带宽、通道失配程度、BT值有一定约束时,以校正来代替均衡能够在减小计算量的情况下取得良好的性能。最后,给出了通道均衡器在数字阵列雷达中的实现方案以及接收通道和发射通道的均衡器实现框图和流程。由于均衡器是复数的FIR滤波器。但是FPGA中只能实现实数FIR滤波器,因此在结构上,可以用四个FIR实数滤波器等效一个复数FIR滤波器。FIR滤波器的主要组成模块是乘/加单元(MAC),如果按照直观结构构造乘法器和系数寄存器来实现会占用大量的逻辑资源,显然不可取。因此考虑用分布式算法以利用FPGA高并行度的结构特点,同时利用整数最优表示法与离散化方法来对FIR滤波器的二进制系数作优化,在保证运算速度的前提下,进一步降低逻辑资源的消耗。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 宽带数字阵列雷达概述
• 1.1.1 相控阵列雷达数字化趋势
• 1.1.2 数字阵列雷达宽带化趋势
• 1.2 宽带数字阵列雷达均衡技术
• 1.2.1 数字阵列雷达误差分析
• 1.2.2 数字波束形成均衡技术
• 1.3 通道均衡技术研究现状
• 1.4 本论文的主要内容和结构安排
• 第二章 通道失配对宽带数字阵列雷达性能的影响
• 2.1 通道失配对宽带数字波束形成理论分析
• 2.1.1 宽带数字波束形成
• 2.1.2 通道失配对波束形成影响的理论分析
• 2.2 通道失配对脉冲压缩影响的理论分析
• 2.3 通道失配对宽带数字波束形成及脉冲压缩影响的仿真实验
• 2.3.1 FIR 滤波器权系数随机扰动模型
• 2.3.2 仿真试验
• 2.4 本章小结
• 第三章 通道均衡算法及仿真
• 3.1 通道均衡时域算法原理及仿真
• 3.1.1 基本通道均衡时域算法原理
• 3.1.2 时域均衡性能分析仿真实验
• 3.2 通道均衡频域算法原理
• 3.2.1 频域均衡基本算法
• 3.2.2 均衡性能评价准则
• 3.2.3 均衡带宽与采样频率关系对均衡性能的影响
• 3.2.4 基本算法的修正
• 3.3 通道均衡频域算法性能仿真分析
• 3.3.1 时间带宽积（BT）与均衡性能的关系
• 3.3.2 均衡器长度L 与均衡性能的关系
• 3.3.3 通道频率响应的失配程度与均衡性能的关系
• 3.3.4 校正信号的信噪比（SNR）与均衡性能的关系
• 3.3.5 FFT 点数M 与均衡性能的关系
• 3.3.6 参考通道的延时D 与均衡性能的关系
• 3.3.7 均衡器系数量化位数与均衡性能的关系
• 3.4 本章小结
• 第四章 宽带均衡与窄带校正比较
• 4.1 校正原理
• 4.2 校正与均衡方向图比较仿真试验
• 4.2.1 各频点校正与均衡方向图比较
• 4.2.2 不同失配值的情况下校正后方向图的比较
• 4.2.3 信号采样率与校正方向图的关系
• 4.3 本章小结
• 第五章 通道均衡器在数字阵列雷达中的实现方案
• 5.1 宽带数字T/R 组件结构图
• 5.2 通道均衡滤波器实现框图及流程
• 5.2.1 接收通道均衡滤波器实现框图及流程
• 5.2.2 发射通道均衡滤波器实现框图及流程
• 5.3 基于FPGA 的FIR 滤波器高效实现
• 5.3.1 基于FPGA 的分布式算法
• 5.3.2 整数最优表示法与离散化算法
• 5.3.3 复数FIR 滤波器实现结构
• 5.4 本章小结
• 第六章 全文总结
• 致谢
• 参考文献
• 在校期间研究成果