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應(yīng)用資訊

巍泰技術(shù)數(shù)字波束成形相控陣?yán)走_(dá)技術(shù)在民用雷達(dá)領(lǐng)域的應(yīng)用

2021-02-16 閱讀 12010

    測(cè)速雷達(dá)依據(jù)多普勒效應(yīng)對(duì)運(yùn)動(dòng)的車輛進(jìn)行速度測(cè)量,發(fā)射端發(fā)出微波/毫米波的連續(xù)波,該連續(xù)波遇到目標(biāo)會(huì)產(chǎn)生反射,反射信號(hào)的頻率與目標(biāo)的速度和方向都有固定的關(guān)系,依據(jù)這一關(guān)系,通過(guò)檢測(cè)反射信號(hào)的頻率就可以測(cè)出目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)速度和方向。


       

    頻率的檢測(cè)通過(guò)數(shù)字信號(hào)處理來(lái)實(shí)現(xiàn),就是對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化,數(shù)字化后進(jìn)行離散傅里葉變換就可以得到信號(hào)的頻率值。


    目前的民用測(cè)速雷達(dá)產(chǎn)品基本上采用單天線連續(xù)波雷達(dá)技術(shù),要么只能對(duì)單一車道進(jìn)行測(cè)速,要么對(duì)多車道測(cè)速時(shí)不能精確區(qū)分測(cè)出的速度究竟是哪個(gè)車道的車輛的。


    相控陣技術(shù)是廣泛用于軍用雷達(dá)的一種先進(jìn)技術(shù),數(shù)字波束成形技術(shù)也是近年來(lái)軍用相控陣?yán)走_(dá)方面研究較多的一種先進(jìn)技術(shù)。它采用大規(guī)模天線陣列和高強(qiáng)度的數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)來(lái)滿足軍用雷達(dá)的各種苛刻要求,具有提高低徑向速度目標(biāo)探測(cè)能力、提高雷達(dá)的空域覆蓋性能、在復(fù)雜地形環(huán)境下的目標(biāo)探測(cè)性能好等一系列優(yōu)點(diǎn)。但由于該技術(shù)復(fù)雜度高、成本也高,目前在民用雷達(dá)產(chǎn)品中實(shí)際應(yīng)用極少。


    數(shù)字波束成形(Digital Beam Forming—DBF)技術(shù)也是伴隨著相控陣天線技術(shù)發(fā)展而發(fā)展起來(lái)的技術(shù),由于早期軍用天線單元數(shù)目多,需要處理的數(shù)字信號(hào)數(shù)量非常龐大,因而計(jì)算起來(lái)需要的成本很高。近期隨著數(shù)字處理技術(shù) DSP、FPGA 的快速發(fā)展,運(yùn)算能力有了飛速的提高,再加之通信系統(tǒng)中智能天線的快速發(fā)展,天線單元數(shù)也變得不再像軍用雷達(dá)有那么多,使 DBF 也快速發(fā)展起來(lái),得到了越來(lái)越多的應(yīng)用。


    本公司將平板相控陣天線技術(shù)和數(shù)字波束成形(Digital Beam Forming—DBF)技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)有機(jī)的結(jié)合在一起,優(yōu)化成低成本高可靠性的名用產(chǎn)品,實(shí)現(xiàn)了民用雷達(dá)產(chǎn)品的升級(jí)換代。


    利用數(shù)個(gè)平板天線對(duì)目標(biāo)反射的雷達(dá)信號(hào)進(jìn)行接收,在數(shù)字域通過(guò)對(duì)不同天線接收的信號(hào)進(jìn)行幅度和相位加權(quán)然后進(jìn)行合成,形成多個(gè)波束,每個(gè)波束對(duì)應(yīng)一個(gè)車道,對(duì)每個(gè)波束的信號(hào)進(jìn)行處理就可以得到每個(gè)波束對(duì)應(yīng)車道的目標(biāo)信息。


    多個(gè)信號(hào)的波束成形采用數(shù)字波束成形(Digital Beam Forming—DBF)技術(shù),就是將每個(gè)天線接收的信號(hào)混頻后進(jìn)行數(shù)字采樣,濾波后進(jìn)行相位偏移和幅度加權(quán),然后分別進(jìn)行合成,就可以針對(duì)每個(gè)車道分別合成一個(gè)信號(hào),這個(gè)信號(hào)就相當(dāng)于是對(duì)應(yīng)一個(gè)車道的波束信號(hào)。其具體原理是:


    假設(shè)接收天線為N陣元均勻直線陣,目標(biāo)的來(lái)波方向?yàn)棣?,第k個(gè)波束指向?yàn)棣萲,相鄰陣元間距為 d,信號(hào)波長(zhǎng)為 λ,且各陣元都是各向同性的,對(duì) k 陣元的加權(quán)分別為 w1k,w2k...wnk,信號(hào)是窄帶信號(hào)。xi 表示第 i 單元的接收信號(hào)經(jīng)過(guò) A/D 變換和正交解調(diào)后的復(fù)數(shù)字信號(hào)。加權(quán)系數(shù) wik=aiexp(-jΔΦk),其中,ΔΦk=(2π/λd)* sin(θk)表示相位偏移值,ai 表示幅度加權(quán)值,進(jìn)行相位偏移和幅度加權(quán)后并對(duì)各陣列的輸出信號(hào)相加,即可得:



    對(duì)上式求幅度,就可以得到第 k 個(gè)波束的天線方向圖函數(shù),采用不同的加權(quán)系數(shù) wik 序列,就可以得到多個(gè)方向圖函數(shù),每個(gè)方向圖函數(shù)是對(duì)應(yīng)一定方位的單波束圖形,并行處理算法可以保證這些波束是同時(shí)工作的。簡(jiǎn)單地講,數(shù)字波束成形器就是一個(gè)乘加器,其結(jié)構(gòu)框圖如下:



    最后達(dá)到的效果如下圖所示:



    從上圖中可以看出,利用很少數(shù)目的天線就可以形成三個(gè)或更多的波束,每個(gè)波束對(duì)準(zhǔn)一個(gè)車道就可以同時(shí)對(duì)多個(gè)車道進(jìn)行目標(biāo)信息測(cè)量,也就是用較少的天線和接收通道達(dá)到多個(gè)天線和接收通道的作用,充分利用了每個(gè)天線通道收到的信息。