数字波束形成课件

现 代 雷 达 技 术第第4 4章章 相控阵雷达相控阵雷达现 代 雷 达 技 术第4章 相控阵雷达1第3章 连续波雷达本章介绍本章简介本章简介相控阵雷达简介相控阵雷达简介多波束形成技术多波束形成技术相扫基本原理相扫基本原理空域滤波及数字波束形成引论空域滤波及数字波束形成引论本章介绍本章简介第3章 连续波雷达相控阵雷达简介相控阵雷达简介相控阵雷达简介相位控制阵列：多个天线单元排成，各阵元馈电相位控制阵列：多个天线单元排成，各阵元馈电相位按一定程序灵活控制，完成特定的空间扫描相位按一定程序灵活控制，完成特定的空间扫描优点：优点：相扫，无机械惯性，快速波束捷变相扫，无机械惯性，快速波束捷变多目标、远距离、高数据率、高可靠性多目标、远距离、高数据率、高可靠性多功能、多波束、自适应抗干扰多功能、多波束、自适应抗干扰缺点：缺点：波束宽度随扫描方向变化波束宽度随扫描方向变化相控阵雷达简介相控阵雷达简介第3章 连续波雷达相控阵雷达简介相控阵雷达简介（续）相控阵雷达简介（续）移相器控制波束的发射与接收移相器控制波束的发射与接收无源阵：收发共用一个或几个发射机和接收机无源阵：收发共用一个或几个发射机和接收机有源阵：每个阵元都连有可提供所需辐射功率的有源阵：每个阵元都连有可提供所需辐射功率的收发（收发（/）固态组件，即都是有源的）固态组件，即都是有源的固态组件的功率源是低功率的固态组件的功率源是低功率的各阵元辐射功率在空间进行合成各阵元辐射功率在空间进行合成各阵元辐射信号间相位关系固定，即相参各阵元辐射信号间相位关系固定，即相参各阵元的相位和振幅分布可按要求控制各阵元的相位和振幅分布可按要求控制相控阵雷达简介相控阵雷达简介（续）第3章 连续波雷达相控阵雷达简介相控阵雷达简介（续）相控阵雷达简介（续）有源阵的优点有源阵的优点:功率源直接联在阵元后面，馈源和移相器的功率源直接联在阵元后面，馈源和移相器的损耗不影响雷达性能；接收机噪声系数由损耗不影响雷达性能；接收机噪声系数由T/R组件中的低噪声放大器决定组件中的低噪声放大器决定阵元馈源和移相器功率容量低，轻便廉价阵元馈源和移相器功率容量低，轻便廉价大量低功率固态源取代易损坏的高电压、大量低功率固态源取代易损坏的高电压、大大功率发射机，系统可靠性提高功率发射机，系统可靠性提高固态阵和数字波束形成及阵列信号处理技术固态阵和数字波束形成及阵列信号处理技术相结合，天线性能改善潜力大相结合，天线性能改善潜力大相控阵雷达简介相控阵雷达简介（续）第3章 连续波雷达相控阵雷达简介相控阵雷达简介（续）相控阵雷达简介（续）移相器：实现相扫的关键器件移相器：实现相扫的关键器件对移相器的要求：对移相器的要求：移相精确、性能稳定、频带和功率容量大、移相精确、性能稳定、频带和功率容量大、便于快速控制、激励功率和插入损耗小、体便于快速控制、激励功率和插入损耗小、体积小、重量轻等积小、重量轻等移相器的种类：移相器的种类：PIN二极管移相器、铁氧体移相器、数字式移二极管移相器、铁氧体移相器、数字式移相器等相器等相控阵雷达简介相控阵雷达简介（续）第3章 连续波雷达多波束形成技术多波束形成技术多波束形成技术收发都用多波束收发都用多波束接收多波束，发射宽波束，收发覆盖相同空域接收多波束，发射宽波束，收发覆盖相同空域接收多波束用得较多，因为：接收多波束用得较多，因为：功率弱，技术上易实现，控制和处理灵便功率弱，技术上易实现，控制和处理灵便多波束形成方法多波束形成方法射频延迟线、中频延迟线、移相法、脉内频射频延迟线、中频延迟线、移相法、脉内频扫、数字波束形成（扫、数字波束形成（DBF）多波束形成技术多波束形成技术第3章 连续波雷达多波束形成技术多波束形成技术（续）多波束形成技术（续）射频延迟线多射频延迟线多波束形成系统波束形成系统多波束形成技术多波束形成技术（续）射频延迟线多波束形成系统第3章 连续波雷达多波束形成技术多波束形成技术（续）多波束形成技术（续）中频延迟多波中频延迟多波束形成系统束形成系统多波束形成技术多波束形成技术（续）中频延迟多波束形成系统第3章 连续波雷达多波束形成技术多波束形成技术（续）多波束形成技术（续）中频延迟多波中频延迟多波束形成系统束形成系统多波束形成技术多波束形成技术（续）中频延迟多波束形成系统第3章 连续波雷达多波束形成技术多波束形成技术（续）多波束形成技术（续）移相法实移相法实现多波束现多波束多波束形成技术多波束形成技术（续）移相法实现多波束第3章 连续波雷达相扫基本原理相扫基本原理相扫基本原理通过移相器改变各阵元激励相位，实现扫描通过移相器改变各阵元激励相位，实现扫描N元直线相控阵天线元直线相控阵天线假定所有阵元假定所有阵元无方向性无方向性等幅同相馈等幅同相馈电电相邻阵元激相邻阵元激励电流相位励电流相位差为差为j j相扫基本原理相扫基本原理N元直线相控阵天线假定所有阵元第3章 连续波雷达相扫基本原理相扫基本原理（续）相扫基本原理（续）各阵元在各阵元在q q方向远区某点辐射场的场强矢量和为方向远区某点辐射场的场强矢量和为等幅馈电时，各阵元在该点辐射场的振辐为等幅馈电时，各阵元在该点辐射场的振辐为E。以以0号阵元为相位基准，则号阵元为相位基准，则式中式中 2p pdsinq q/l l 为波程差引起的相邻阵元辐射为波程差引起的相邻阵元辐射场相位差场相位差相扫基本原理相扫基本原理（续）第3章 连续波雷达相扫基本原理相扫基本原理（续）相扫基本原理（续）当当j j=y y 时，各分量同相相加，场强幅值最大时，各分量同相相加，场强幅值最大定义归一化方向性函数为定义归一化方向性函数为相扫基本原理相扫基本原理（续）第3章 连续波雷达相扫基本原理相扫基本原理（续）相扫基本原理（续）天线照射方向天线照射方向q q0由移相器的相移量由移相器的相移量j j 决定决定在在q q0方向，各阵元辐射场由波程差引起的相位差方向，各阵元辐射场由波程差引起的相位差正好抵消移相器引入的相位差，各分量同相相加正好抵消移相器引入的相位差，各分量同相相加获最大值，获最大值，F(q q0 0)=1改变改变j j 值，就可改变波束指向角值，就可改变波束指向角q q0，从而形成波，从而形成波束扫描束扫描方向图最大值方向同相波前垂直方向图最大值方向同相波前垂直由天线收发互易原理，接收天线，结论相同由天线收发互易原理，接收天线，结论相同相扫基本原理相扫基本原理（续）第3章 连续波雷达相扫基本原理相扫基本原理（续）相扫基本原理（续）栅瓣问题栅瓣问题在在-90o90o 内内线阵单值测角条件：线阵单值测角条件：d l l/2当当 d l l/2 时，在时，在-90o90o内将出现栅瓣内将出现栅瓣波束域（空域频谱）混迭现象波束域（空域频谱）混迭现象：栅瓣是主瓣：栅瓣是主瓣在其它方向上的再现，空间信号欠采样在其它方向上的再现，空间信号欠采样主瓣主瓣栅瓣栅瓣栅瓣栅瓣副瓣副瓣相扫基本原理相扫基本原理（续）主瓣栅瓣栅瓣副瓣第3章 连续波雷达相扫基本原理相扫基本原理（续）相扫基本原理（续）方向图函数方向图函数当当(p pNd/l l)(sinq q-sinq q0)=0,np p（n为为整数整数）时，分子为时，分子为0，若分母不为，若分母不为0，F(q q)=0当当(p p d/l l)(sinq q-sinq q0)=0,np p（n为为整数）时，分子分母同为整数）时，分子分母同为0，F(q q)=1，即，即F(q q)可能可能出现多瓣出现多瓣相扫基本原理相扫基本原理（续）第3章 连续波雷达相扫基本原理相扫基本原理（续）相扫基本原理（续）当当q q=q q0时为主瓣，其余为栅瓣。只取一个周时为主瓣，其余为栅瓣。只取一个周期期-p p +p p因因|sinq q-sinq q0|1+|sinq q0|，则，则无栅瓣条件无栅瓣条件相扫基本原理相扫基本原理（续）第3章 连续波雷达相扫基本原理相扫基本原理（续）相扫基本原理（续）波束宽度波束宽度波束指向法线方向，即波束指向法线方向，即q q0=0，方向性函数，方向性函数得波束半功率（得波束半功率（3dB）宽度）宽度相扫基本原理相扫基本原理（续）第3章 连续波雷达相扫基本原理相扫基本原理（续）相扫基本原理（续）当当d=l l/2时，若要时，若要q q0.5=1o，则需阵元，则需阵元 N=100当波束指向当波束指向 q q0 任意时任意时，在主瓣内，在主瓣内q q q q0，得，得相扫基本原理相扫基本原理（续）第3章 连续波雷达相扫基本原理相扫基本原理（续）相扫基本原理（续）因因 sinc()函数对参量函数对参量 sinq q0 的主瓣宽度处处一的主瓣宽度处处一致，即致，即D Dsinq q0=常数常数 q q0.5，由微分，由微分 D Dsinq q0=D Dq q0 cosq q0，得任意，得任意 q q0 时的波束半功率宽度时的波束半功率宽度 q q0 越大，波束越宽，例越大，波束越宽，例 q q0=60o，q q0.5s 2q q0.5相扫基本原理相扫基本原理（续）第3章 连续波雷达相扫基本原理相扫基本原理相扫基本原理（续）（续）波束总是指向同波束总是指向同相馈电阵列天线相馈电阵列天线的法线方向的法线方向同相波前同相波前 MM 的的有效天线孔径为有效天线孔径为Ndcosq q0扫描时的波束宽度扫描时的波束宽度相扫基本原理相扫基本原理（续）扫描时的波束宽度第3章 连续波雷达相扫基本原理相扫基本原理（续）相扫基本原理（续）发射能量一定，发射能量一定，q q0，波束，波束 ，天线增益，天线增益 波束扫到波束扫到q q0方向，天线有效口径是真实口径在等方向，天线有效口径是真实口径在等相位面上的投影，对一维线阵有相位面上的投影，对一维线阵有As=Acosq q0，尺，尺寸减小，此时寸减小，此时波束指向处的天线增益为波束指向处的天线增益为波束扫描角范围通常限制在波束扫描角范围通常限制在60o 或或 45o内。若内。若要覆盖整个要覆盖整个360o，一般要用三至四个天线阵，一般要用三至四个天线阵相扫基本原理相扫基本原理（续）第3章 连续波雷达相扫基本原理相扫基本原理（续）相扫基本原理（续）各阵元有指向性时，若所有阵元的阵元方向图各阵元有指向性时，若所有阵元的阵元方向图Fe(q q)一致，则一致，则总的阵列天线方向图等于阵方向总的阵列天线方向图等于阵方向图图F(q q)与阵元方向图与阵元方向图Fe(q q)之积之积，即，即FN(q q)=Fe(q q)F(q q)等间距和等幅馈电的阵列天线副瓣较大等间距和等幅馈电的阵列天线副瓣较大(第一副瓣第一副瓣电平为电平为-13dB)，常需，常需“加权加权”降低副瓣降低副瓣振幅加权振幅加权：中间阵元功率大，周围阵元功率小：中间阵元功率大，周围阵元功率小密度加权密度加权：中心阵元密度大，周围阵元密度小：中心阵元密度大，周围阵元密度小采用有方向性的阵元采用有方向性的阵元相扫基本原理相扫基本原理（续）第3章 连续波雷达相扫基本原理相扫基本原理（续）相扫基本原理（续）相扫天线的带宽相扫天线的带宽前面对相控阵的讨论只限于窄带信号，前面对相控阵的讨论只限于窄带信号，B=l l=d l l/2=F(q q)压缩，出现压缩，出现栅瓣栅瓣波束指向波束指向q q0 0 时时线阵孔径两端相位差线阵孔径两端相位差相扫基本原理相扫基本原理（续）第3章 连续波雷达相扫基本原理相扫基本原理（续）相扫基本原理（续）若若y y 不变，则频率变化不变，则频率变化 d df 引起的引起的波束指向变波束指向变化化 d dq q 为为代入百分比带宽代入百分比带宽 Ba(%)=2(d df/f)100，得，得代入波束宽度代入波束宽度q qB(s)=q qB/cosq q0，q qB为法线方为法线方向波束宽度向波束宽度相扫基本原理相扫基本原理（续）第3章 连续波雷达相扫基本原理相扫基本原理（续）相扫基本原理（续）由于由于d dq q q qB(s),q q0 增大增大,允许的带宽变小允许的带宽变小天线孔径天线孔径,波束宽度波束宽度q qB ,允许的允许的Ba(%)天线指向天线指向q q0时时,能量充填整个孔径能量充填整个孔径所需时间为所需时间为有效通过天线孔径的脉冲宽度有效通过天线孔径的脉冲宽度t t T T,得得其中其中相扫基本原理相扫基本原理（续）第3章 连续波雷达空域滤波及数字波束形成引论空域滤波及数字波束形成引论空域滤波及数字波束形成引论空域匹配滤波空域匹配滤波阵列空间响应，阵列信号流型阵列空间响应，阵列信号流型多个信号模型多个信号模型空域匹配滤波，同相相加空域匹配滤波，同相相加波束副瓣抑制波束副瓣抑制多波束形成多波束形成空域滤波及数字波束形成引论空域滤波及数字波束形成引论第3章 连续波雷达空域滤波及数字波束形成引论空域滤波及数字波束形成引论第3章 连续波雷达空域滤波及数字波束形成引论空域滤波及数字波束形成引论第3章 连续波雷达空域滤波及数字波束形成引论空域滤波及数字波束形成引论第3章 连续波雷达空域滤波及数字波束形成引论空域滤波及数字波束形成引论（续）空域滤波及数字波束形成引论（续）自适应干扰对消自适应干扰对消阵列信号模型阵列信号模型阵列协相关矩阵：酉对称、正定阵列协相关矩阵：酉对称、正定特征值与特征矢量及其物理含义特征值与特征矢量及其物理含义最小二乘法：输出最小，纯噪声输出，最小二乘法：输出最小，纯噪声输出，MSE干扰对消权矢量：最小特征矢量干扰对消权矢量：最小特征矢量空域滤波及数字波束形成引论空域滤波及数字波束形成引论（续）第3章 连续波雷达空域滤波及数字波束形成引论空域滤波及数字波束形成引论（续）空域滤波及数字波束形成引论（续）自适应波束形成自适应波束形成信号模型信号模型最优准则：信号方向增益恒定条件下输出最优准则：信号方向增益恒定条件下输出MSE最小，最小，最优解：最大似然解、最大输出最优解：最大似然解、最大输出SNRCapon法（法（LCMV）的特征空间解释）的特征空间解释自适应最优波束形成权矢量自适应最优波束形成权矢量广义旁瓣对消（广义旁瓣对消（GSC）：主通道与辅助通道）：主通道与辅助通道空域滤波及数字波束形成引论空域滤波及数字波束形成引论（续）第3章 连续波雷达空域滤波及数字波束形成引论空域滤波及数字波束形成引论（续）空域滤波及数字波束形成引论（续）自适应波束形成实现：自适应波束形成实现：SMI阵列数据协相关矩阵估计阵列数据协相关矩阵估计快拍统计性质与快拍数要求快拍统计性质与快拍数要求主瓣偏移与信号失配主瓣偏移与信号失配副瓣电平提高及对角加权方法副瓣电平提高及对角加权方法实际考虑：计算量、各种快速求逆算法实际考虑：计算量、各种快速求逆算法空域滤波及数字波束形成引论空域滤波及数字波束形成引论（续）第3章 连续波雷达空域滤波及数字波束形成引论空域滤波及数字波束形成引论（续）空域滤波及数字波束形成引论（续）高分辨率测角高分辨率测角波束形成的局限：需大孔径波束形成的局限：需大孔径多目标阵列数据模型多目标阵列数据模型数据协方差矩阵的特征分解及物理解释数据协方差矩阵的特征分解及物理解释信号子空间与噪声子空间信号子空间与噪声子空间最大似然法、最大似然法、MUSIC法法相关目标的高分辨率测角相关目标的高分辨率测角空域滤波及数字波束形成引论空域滤波及数字波束形成引论（续）第3章 连续波雷达空域滤波及数字波束形成引论空域滤波及数字波束形成引论（续）空域滤波及数字波束形成引论（续）多个相干源信号的空域滤波与测向多个相干源信号的空域滤波与测向宽带信号的空域滤波与测向宽带信号的空域滤波与测向空域滤波及数字波束形成引论空域滤波及数字波束形成引论（续）