穆文爭(zhēng)+朱子平+劉志英

摘 要： 將DBF技術(shù)應(yīng)用于天氣雷達(dá)，可以同時(shí)獲取不同高度層的氣象數(shù)據(jù)，使得對(duì)天氣的觀測(cè)更加精細(xì)，為后續(xù)氣象產(chǎn)品反演提供更好的技術(shù)手段。首先介紹DBF的基本原理，然后闡述在天氣雷達(dá)研制過(guò)程中設(shè)計(jì)DBF時(shí)需要注意的問(wèn)題，最后給出對(duì)實(shí)際氣象目標(biāo)的探測(cè)效果。

關(guān)鍵詞： 數(shù)字波束形成； 雷達(dá)； 天氣探測(cè)； 陣列天線校正

中圖分類(lèi)號(hào)： TN957?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2014）03?0069?04

Application of DBF in digital array weather radar

MU Wen?zheng， ZHU Zi?ping， LIU Zhi?ying

（The 38th Research Institute， China Electronic Technology Group Corporation， Hefei 230088， China）

Abstract： The application of DBF technology in weather radar can obtain meteorological datas in different height layer at the same time， which makes the weather observations more precise， and provide better technical means for subsequent meteorological products retrieval. The principle of DBF is introduced firstly， then the notices in the DBF design of weather radar development are expounded， finally the detection effect of actual meteorological target is given.

Keywords： DBF； radar； weather detection； antenna array calibration

0 引 言

天氣無(wú)時(shí)無(wú)刻不在影響著人們的生產(chǎn)和生活，對(duì)天氣的準(zhǔn)確探測(cè)一直是人們的追求，雷達(dá)作為天氣探測(cè)的重要傳感器，在天氣探測(cè)和預(yù)報(bào)方面發(fā)揮著重要作用。軍用雷達(dá)發(fā)展迅速，將先進(jìn)的軍用雷達(dá)技術(shù)運(yùn)用到天氣探測(cè)，是人們發(fā)展天氣雷達(dá)的自然思路，數(shù)字陣列雷達(dá)即是其中一例。

數(shù)字陣列雷達(dá)是相控陣?yán)走_(dá)的先進(jìn)形式，在波束形成上與傳統(tǒng)相控陣?yán)走_(dá)有很大不同。傳統(tǒng)相控陣?yán)走_(dá)在形成接收波束時(shí)，通過(guò)控制射頻或中頻的幅度和相位，形成所需要的波束，系統(tǒng)多采用模擬器件，不僅幅相控制精度差，系統(tǒng)可靠性低，而且不夠靈活；數(shù)字陣列雷達(dá)在形成接收波束時(shí)處理的是數(shù)字I/Q信號(hào)，通過(guò)復(fù)數(shù)乘法累加實(shí)現(xiàn)，因此形成的波束也稱(chēng)計(jì)算波束。在形成發(fā)射波束時(shí)，數(shù)字陣列雷達(dá)將計(jì)算的發(fā)射相位送給陣面，通過(guò)控制陣面組件中的DDS控制輻射電磁波的初始相位，從而在空間合成功率，形成特定方向的發(fā)射波束。與傳統(tǒng)相控陣?yán)走_(dá)相比，數(shù)字陣列雷達(dá)不僅幅相控制精度高、陣面誤差可實(shí)時(shí)修正，而且在不損失功率的前提下形成多個(gè)接收波束，是一種先進(jìn)的雷達(dá)體制。

將數(shù)字陣列雷達(dá)用于天氣探測(cè)，是天氣雷達(dá)發(fā)展的趨勢(shì)。本文研究的是數(shù)字陣列天氣雷達(dá)的關(guān)鍵技術(shù)之一：數(shù)字波束形成（DBF）。在介紹DBF基本原理的基礎(chǔ)上，闡述它在天氣雷達(dá)研制過(guò)程中需要解決的問(wèn)題，并給出了該體制雷達(dá)對(duì)實(shí)際氣象目標(biāo)的探測(cè)效果。

1 DBF基本原理

數(shù)字陣列雷達(dá)的設(shè)備組成和信號(hào)處理流程[1?4]如圖1所示。

圖1 數(shù)字陣列雷達(dá)設(shè)備組成和信號(hào)處理流程

DBF是采用數(shù)字信號(hào)處理的方法，對(duì)某一方向的入射信號(hào)，補(bǔ)償由于傳感器在空間位置不同而引起傳播路程差所帶來(lái)的相位差，實(shí)現(xiàn)該方向回波的同相疊加，從而實(shí)現(xiàn)該方向回波最大能量接收。完成某一方向的波束形成，也就完成了該方向的空間濾波。由于DBF通過(guò)計(jì)算實(shí)現(xiàn)，因此所形成的波束也稱(chēng)計(jì)算波束。

在工程上，數(shù)字波束形成的原理表達(dá)式為：

[B（k）=n=0N-1X（n）*C（n）*W（n）*Sk（n）]

其中，[n=0，1，2，…，N-1]為陣元序列；[k=0，1，2，…，K-1]為需要形成的波束序列。式中各乘積因子的含義：[X（n）]為陣元接收到的復(fù)信號(hào)；[C（n）]為通道校正因子；[W（n）]為加窗系數(shù)；[Sk（n）]為第[k]個(gè)波束的理想指向系數(shù)?？梢?jiàn)，數(shù)字波束形成就是完成復(fù)數(shù)乘法累加運(yùn)算，為積分的數(shù)字化形式，改變一組系數(shù)[Sk，]相當(dāng)于改變一次天線陣面的形狀，從而也就改變波束指向[5?9]。圖2為一維均勻線陣數(shù)字波束形成仿真結(jié)果，設(shè)置陣元數(shù)目為128個(gè)，同時(shí)形成14個(gè)接收波束，加-40 dB切比雪夫權(quán)。

圖2 一維均勻線陣數(shù)字波束形成仿真結(jié)果

2 工程設(shè)計(jì)

在工程設(shè)計(jì)DBF時(shí)，主要考慮以下問(wèn)題：系統(tǒng)組成、陣面發(fā)射校正和接收校正、發(fā)射相位碼計(jì)算、接收權(quán)系數(shù)計(jì)算、FPGA和DSP的任務(wù)分配等，下面對(duì)這幾個(gè)問(wèn)題進(jìn)行闡述。

2.1 系統(tǒng)組成

數(shù)字波束形成采用數(shù)字信號(hào)處理的方法形成波束，因此在系統(tǒng)上劃歸為信號(hào)處理，完成數(shù)字波束形成任務(wù)的插件位于信號(hào)處理分機(jī)中。數(shù)字陣列天氣雷達(dá)信號(hào)處理分機(jī)插件布局示意圖如圖3所示，工作原理為：

（1） DBF插件通過(guò)光纖傳輸控制字給陣面DAM，同時(shí)接收DAM下傳的數(shù)字I/Q信號(hào)；

（2） DBF插件通過(guò)乘法累加運(yùn)算完成接收數(shù)字波束形成，通過(guò)上傳發(fā)射相位碼給DAM，通過(guò)DAM中的DDS控制輻射電磁波的初始相位，完成發(fā)射數(shù)字波束形成；

（3） DBF插件將形成的接收數(shù)字波束通過(guò)數(shù)據(jù)交換插件傳給DSP插件，由DSP插件完成脈沖壓縮、濾波和參數(shù)估計(jì)等任務(wù)；

（4） 定時(shí)接口插件產(chǎn)生雷達(dá)系統(tǒng)所需要的時(shí)序，同時(shí)生成控制字送給數(shù)據(jù)交換插件，數(shù)據(jù)交換插件根據(jù)控制字實(shí)時(shí)重構(gòu)各插件之間的高速數(shù)據(jù)通路，實(shí)現(xiàn)插件間指令流和數(shù)據(jù)流的傳輸；

（5） 零槽計(jì)算機(jī)為系統(tǒng)計(jì)算機(jī)，完成對(duì)插件管理、與監(jiān)控和終端之間進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信等；

（6） 分機(jī)有兩塊電源，互為備份，構(gòu)成熱冗余，提高分機(jī)的可靠性。

圖3 信號(hào)處理分機(jī)插件布局示意圖

2.2 陣列天線校正

數(shù)字陣列雷達(dá)屬于有源相控陣?yán)走_(dá)，有源器件的使用，會(huì)給通道引入誤差，該誤差在每次開(kāi)機(jī)時(shí)均不同，但在工作期間其值隨時(shí)間變化很??；天線加工過(guò)程中也會(huì)引入誤差。這些誤差會(huì)導(dǎo)致通道間的幅相不一致，通道間幅相不一致會(huì)使形成的波束指向與加權(quán)系數(shù)和發(fā)射相位不匹配，引起波束副瓣電平抬高，降低雷達(dá)的測(cè)量精度甚至測(cè)量錯(cuò)誤，因此在數(shù)字波束形成前要對(duì)雷達(dá)進(jìn)行通道校正。

通道校正分為接收校正和發(fā)射校正，二者都是為了修正信號(hào)傳輸通路中幅相不一致的影響，使相同信號(hào)經(jīng)過(guò)所有的傳輸通道后具有相同的輸出。不管接收校正還是發(fā)射校正，工程上均可以通過(guò)內(nèi)校和外校來(lái)實(shí)現(xiàn)，所謂內(nèi)校是修正通道的有源部分，外校是修正通道的無(wú)源部分。由于無(wú)源部分的誤差是恒定的，不隨時(shí)間變化，因此只需要通過(guò)一次外校和一次內(nèi)校將其計(jì)算得到，保存下來(lái)即可。以后每次開(kāi)機(jī)進(jìn)行全通道校正時(shí)，在內(nèi)校的基礎(chǔ)上加上保存的無(wú)源部分的誤差，就可以將校正網(wǎng)絡(luò)和實(shí)際回波路徑之間的差異修正掉，得到正常通道的校正值。

為了保持發(fā)射幅度的一致性，雷達(dá)發(fā)射時(shí)往往對(duì)每個(gè)單元進(jìn)行滿(mǎn)幅度激勵(lì)，因此發(fā)射校正只需要考慮校正相位，不需要考慮校正幅度。計(jì)算發(fā)射校正相位時(shí)，可以選擇某一單元的相位作為參考，也可以選擇一個(gè)固定值作為參考，例如選0。當(dāng)選擇0值作參考時(shí)，將采集到的每個(gè)單元的發(fā)射校正數(shù)據(jù)的相位取反即可。

對(duì)于接收校正，和發(fā)射校正類(lèi)似，也是既可以選擇某一個(gè)單元的值作為參考，也可以選擇一個(gè)固定值作為參考，選擇固定值作為參考的好處是可以避免參考單元壞掉的情況。如果選擇某一單元作參考，當(dāng)接收到的測(cè)試信號(hào)為：

[xi=aiejθi=Ii+jQi]

式中：[i=0，1，2，…，N-1]為陣元編號(hào)。假如選擇[x0]作參考單元，則接收校正系數(shù)為：

[Ci=x0xi=x0x*ixix*i=x0x*ixi2]

當(dāng)選擇一個(gè)固定值作參考時(shí)，公式推導(dǎo)類(lèi)似。

2.3 數(shù)字波束形成

數(shù)字波束形成的硬件平臺(tái)為基于CPCI的通用DBF插件，考慮到陣面規(guī)模（128個(gè)單元）不是很大，一塊DBF板就可以完成任務(wù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)高速采樣數(shù)據(jù)的多接收波束形成。通用DBF插件為FPGA+DSP架構(gòu)，F(xiàn)PGA完成定點(diǎn)乘法累加計(jì)算、與陣面和數(shù)據(jù)交換插件進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，另外兼顧和系統(tǒng)計(jì)算機(jī)之間進(jìn)行CPCI總線通信；DSP為板卡的輔處理器，主要完成收發(fā)校正系數(shù)計(jì)算、根據(jù)控制指令更新DBF加權(quán)系數(shù)、產(chǎn)生測(cè)試數(shù)據(jù)等[10]。圖4為DBF插件原理框圖，圖5為數(shù)字波束形成邏輯結(jié)構(gòu)圖，需要注意的是，由于FPGA乘法器的運(yùn)行速度比數(shù)據(jù)采樣速率高很多，為了節(jié)省資源，可以對(duì)乘法器進(jìn)行時(shí)分復(fù)用，即一套乘法器形成多個(gè)接收波束，通過(guò)循環(huán)乘法累加的方式得到結(jié)果。

圖4 通用DBF插件原理框圖

2.4 調(diào)試過(guò)程

DBF雖然算法原理簡(jiǎn)單，但調(diào)試時(shí)有很多困難，原因主要有以下幾個(gè)方面：

（1） 需要處理的是高速數(shù)據(jù)，而且實(shí)時(shí)性較強(qiáng)。對(duì)于陣面送下來(lái)的數(shù)字I/Q，需要在每個(gè)距離單元上形成多個(gè)接收波束，也就是說(shuō)要對(duì)同一距離單元所有陣元的采樣數(shù)據(jù)做多組乘法累加運(yùn)算，運(yùn)算量大。這對(duì)乘法器數(shù)量有限的FPGA來(lái)說(shuō)，需要時(shí)分復(fù)用乘法器，增加了設(shè)計(jì)難度。

圖5 數(shù)字波束形成邏輯結(jié)構(gòu)圖

（2） 數(shù)字波束形成一般通過(guò)FPGA實(shí)現(xiàn)，原因是FPGA做乘法有較高的并行度，但FPGA設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮時(shí)序，因此設(shè)計(jì)時(shí)軟件bug隱藏比較深，不易查找，另外還存在仿真難度大、工程編譯時(shí)間長(zhǎng)等困難。

（3） DBF插件在整個(gè)雷達(dá)中起承上啟下的作用，對(duì)上要控制陣面、接收陣面回波，對(duì)下要向信號(hào)處理輸出合成后的波束數(shù)據(jù)，這就要求DBF插件在形成波束的同時(shí)，還要承擔(dān)大量的接口任務(wù)。一旦出現(xiàn)問(wèn)題，不管是計(jì)算錯(cuò)誤、傳輸錯(cuò)誤還是控制錯(cuò)誤，都要從DBF節(jié)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，因此導(dǎo)致參與聯(lián)試時(shí)間長(zhǎng)。

為了減小上述問(wèn)題的影響，在設(shè)計(jì)DBF時(shí)，就要全面考慮、做好模塊測(cè)試工作和板卡BITE，盡量多留觀察節(jié)點(diǎn)，并將節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)送至監(jiān)控界面顯示，這樣便于快速定位問(wèn)題。一旦出現(xiàn)問(wèn)題可以運(yùn)行測(cè)試數(shù)據(jù)，逐一將節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)和Matlab結(jié)果比對(duì)，順序排查。

圖6是數(shù)字波束形成自檢畫(huà)面。

圖6 DBF自檢

圖7是單波束觀測(cè)氣象目標(biāo)結(jié)果（速度場(chǎng)）。

圖8是同時(shí)觀測(cè)14個(gè)波束的結(jié)果（仰角分層）。

圖7 單波束觀測(cè)氣象目標(biāo)結(jié)果（速度場(chǎng)）

圖8 14個(gè)波束觀測(cè)氣象目標(biāo)結(jié)果（仰角分層）

3 結(jié) 語(yǔ)

數(shù)字陣列雷達(dá)是先進(jìn)的雷達(dá)技術(shù)體制，將其應(yīng)用于天氣探測(cè)，可以同時(shí)獲取不同高度層的氣象數(shù)據(jù)，使得對(duì)天氣的觀測(cè)更加精細(xì)，為后續(xù)氣象產(chǎn)品反演提供更好的技術(shù)手段。本文在給出數(shù)字波束形成基本原理的基礎(chǔ)上，對(duì)工程設(shè)計(jì)問(wèn)題進(jìn)行了闡述，并給出了對(duì)實(shí)際氣象目標(biāo)的探測(cè)效果。

參考文獻(xiàn)

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[10] 劉書(shū)明，羅勇江.ADSP TS20XS系列DSP原理與應(yīng)用設(shè)計(jì)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2007.

（1） DBF插件通過(guò)光纖傳輸控制字給陣面DAM，同時(shí)接收DAM下傳的數(shù)字I/Q信號(hào)；

（2） DBF插件通過(guò)乘法累加運(yùn)算完成接收數(shù)字波束形成，通過(guò)上傳發(fā)射相位碼給DAM，通過(guò)DAM中的DDS控制輻射電磁波的初始相位，完成發(fā)射數(shù)字波束形成；

（3） DBF插件將形成的接收數(shù)字波束通過(guò)數(shù)據(jù)交換插件傳給DSP插件，由DSP插件完成脈沖壓縮、濾波和參數(shù)估計(jì)等任務(wù)；

（4） 定時(shí)接口插件產(chǎn)生雷達(dá)系統(tǒng)所需要的時(shí)序，同時(shí)生成控制字送給數(shù)據(jù)交換插件，數(shù)據(jù)交換插件根據(jù)控制字實(shí)時(shí)重構(gòu)各插件之間的高速數(shù)據(jù)通路，實(shí)現(xiàn)插件間指令流和數(shù)據(jù)流的傳輸；

（5） 零槽計(jì)算機(jī)為系統(tǒng)計(jì)算機(jī)，完成對(duì)插件管理、與監(jiān)控和終端之間進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信等；

（6） 分機(jī)有兩塊電源，互為備份，構(gòu)成熱冗余，提高分機(jī)的可靠性。

圖3 信號(hào)處理分機(jī)插件布局示意圖

2.2 陣列天線校正

數(shù)字陣列雷達(dá)屬于有源相控陣?yán)走_(dá)，有源器件的使用，會(huì)給通道引入誤差，該誤差在每次開(kāi)機(jī)時(shí)均不同，但在工作期間其值隨時(shí)間變化很??；天線加工過(guò)程中也會(huì)引入誤差。這些誤差會(huì)導(dǎo)致通道間的幅相不一致，通道間幅相不一致會(huì)使形成的波束指向與加權(quán)系數(shù)和發(fā)射相位不匹配，引起波束副瓣電平抬高，降低雷達(dá)的測(cè)量精度甚至測(cè)量錯(cuò)誤，因此在數(shù)字波束形成前要對(duì)雷達(dá)進(jìn)行通道校正。

通道校正分為接收校正和發(fā)射校正，二者都是為了修正信號(hào)傳輸通路中幅相不一致的影響，使相同信號(hào)經(jīng)過(guò)所有的傳輸通道后具有相同的輸出。不管接收校正還是發(fā)射校正，工程上均可以通過(guò)內(nèi)校和外校來(lái)實(shí)現(xiàn)，所謂內(nèi)校是修正通道的有源部分，外校是修正通道的無(wú)源部分。由于無(wú)源部分的誤差是恒定的，不隨時(shí)間變化，因此只需要通過(guò)一次外校和一次內(nèi)校將其計(jì)算得到，保存下來(lái)即可。以后每次開(kāi)機(jī)進(jìn)行全通道校正時(shí)，在內(nèi)校的基礎(chǔ)上加上保存的無(wú)源部分的誤差，就可以將校正網(wǎng)絡(luò)和實(shí)際回波路徑之間的差異修正掉，得到正常通道的校正值。

為了保持發(fā)射幅度的一致性，雷達(dá)發(fā)射時(shí)往往對(duì)每個(gè)單元進(jìn)行滿(mǎn)幅度激勵(lì)，因此發(fā)射校正只需要考慮校正相位，不需要考慮校正幅度。計(jì)算發(fā)射校正相位時(shí)，可以選擇某一單元的相位作為參考，也可以選擇一個(gè)固定值作為參考，例如選0。當(dāng)選擇0值作參考時(shí)，將采集到的每個(gè)單元的發(fā)射校正數(shù)據(jù)的相位取反即可。

對(duì)于接收校正，和發(fā)射校正類(lèi)似，也是既可以選擇某一個(gè)單元的值作為參考，也可以選擇一個(gè)固定值作為參考，選擇固定值作為參考的好處是可以避免參考單元壞掉的情況。如果選擇某一單元作參考，當(dāng)接收到的測(cè)試信號(hào)為：

[xi=aiejθi=Ii+jQi]

式中：[i=0，1，2，…，N-1]為陣元編號(hào)。假如選擇[x0]作參考單元，則接收校正系數(shù)為：

[Ci=x0xi=x0x*ixix*i=x0x*ixi2]

當(dāng)選擇一個(gè)固定值作參考時(shí)，公式推導(dǎo)類(lèi)似。

2.3 數(shù)字波束形成

數(shù)字波束形成的硬件平臺(tái)為基于CPCI的通用DBF插件，考慮到陣面規(guī)模（128個(gè)單元）不是很大，一塊DBF板就可以完成任務(wù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)高速采樣數(shù)據(jù)的多接收波束形成。通用DBF插件為FPGA+DSP架構(gòu)，F(xiàn)PGA完成定點(diǎn)乘法累加計(jì)算、與陣面和數(shù)據(jù)交換插件進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，另外兼顧和系統(tǒng)計(jì)算機(jī)之間進(jìn)行CPCI總線通信；DSP為板卡的輔處理器，主要完成收發(fā)校正系數(shù)計(jì)算、根據(jù)控制指令更新DBF加權(quán)系數(shù)、產(chǎn)生測(cè)試數(shù)據(jù)等[10]。圖4為DBF插件原理框圖，圖5為數(shù)字波束形成邏輯結(jié)構(gòu)圖，需要注意的是，由于FPGA乘法器的運(yùn)行速度比數(shù)據(jù)采樣速率高很多，為了節(jié)省資源，可以對(duì)乘法器進(jìn)行時(shí)分復(fù)用，即一套乘法器形成多個(gè)接收波束，通過(guò)循環(huán)乘法累加的方式得到結(jié)果。

圖4 通用DBF插件原理框圖

2.4 調(diào)試過(guò)程

DBF雖然算法原理簡(jiǎn)單，但調(diào)試時(shí)有很多困難，原因主要有以下幾個(gè)方面：

（1） 需要處理的是高速數(shù)據(jù)，而且實(shí)時(shí)性較強(qiáng)。對(duì)于陣面送下來(lái)的數(shù)字I/Q，需要在每個(gè)距離單元上形成多個(gè)接收波束，也就是說(shuō)要對(duì)同一距離單元所有陣元的采樣數(shù)據(jù)做多組乘法累加運(yùn)算，運(yùn)算量大。這對(duì)乘法器數(shù)量有限的FPGA來(lái)說(shuō)，需要時(shí)分復(fù)用乘法器，增加了設(shè)計(jì)難度。

圖5 數(shù)字波束形成邏輯結(jié)構(gòu)圖

（2） 數(shù)字波束形成一般通過(guò)FPGA實(shí)現(xiàn)，原因是FPGA做乘法有較高的并行度，但FPGA設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮時(shí)序，因此設(shè)計(jì)時(shí)軟件bug隱藏比較深，不易查找，另外還存在仿真難度大、工程編譯時(shí)間長(zhǎng)等困難。

（3） DBF插件在整個(gè)雷達(dá)中起承上啟下的作用，對(duì)上要控制陣面、接收陣面回波，對(duì)下要向信號(hào)處理輸出合成后的波束數(shù)據(jù)，這就要求DBF插件在形成波束的同時(shí)，還要承擔(dān)大量的接口任務(wù)。一旦出現(xiàn)問(wèn)題，不管是計(jì)算錯(cuò)誤、傳輸錯(cuò)誤還是控制錯(cuò)誤，都要從DBF節(jié)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，因此導(dǎo)致參與聯(lián)試時(shí)間長(zhǎng)。

為了減小上述問(wèn)題的影響，在設(shè)計(jì)DBF時(shí)，就要全面考慮、做好模塊測(cè)試工作和板卡BITE，盡量多留觀察節(jié)點(diǎn)，并將節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)送至監(jiān)控界面顯示，這樣便于快速定位問(wèn)題。一旦出現(xiàn)問(wèn)題可以運(yùn)行測(cè)試數(shù)據(jù)，逐一將節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)和Matlab結(jié)果比對(duì)，順序排查。

圖6是數(shù)字波束形成自檢畫(huà)面。

圖6 DBF自檢

圖7是單波束觀測(cè)氣象目標(biāo)結(jié)果（速度場(chǎng)）。

圖8是同時(shí)觀測(cè)14個(gè)波束的結(jié)果（仰角分層）。

圖7 單波束觀測(cè)氣象目標(biāo)結(jié)果（速度場(chǎng)）

圖8 14個(gè)波束觀測(cè)氣象目標(biāo)結(jié)果（仰角分層）

3 結(jié) 語(yǔ)

數(shù)字陣列雷達(dá)是先進(jìn)的雷達(dá)技術(shù)體制，將其應(yīng)用于天氣探測(cè)，可以同時(shí)獲取不同高度層的氣象數(shù)據(jù)，使得對(duì)天氣的觀測(cè)更加精細(xì)，為后續(xù)氣象產(chǎn)品反演提供更好的技術(shù)手段。本文在給出數(shù)字波束形成基本原理的基礎(chǔ)上，對(duì)工程設(shè)計(jì)問(wèn)題進(jìn)行了闡述，并給出了對(duì)實(shí)際氣象目標(biāo)的探測(cè)效果。

參考文獻(xiàn)

[1] 朱子平.天氣雷達(dá)信號(hào)處理系統(tǒng)應(yīng)用研究[D].成都：電子科技大學(xué)，2007.

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[10] 劉書(shū)明，羅勇江.ADSP TS20XS系列DSP原理與應(yīng)用設(shè)計(jì)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2007.

（1） DBF插件通過(guò)光纖傳輸控制字給陣面DAM，同時(shí)接收DAM下傳的數(shù)字I/Q信號(hào)；

（2） DBF插件通過(guò)乘法累加運(yùn)算完成接收數(shù)字波束形成，通過(guò)上傳發(fā)射相位碼給DAM，通過(guò)DAM中的DDS控制輻射電磁波的初始相位，完成發(fā)射數(shù)字波束形成；

（3） DBF插件將形成的接收數(shù)字波束通過(guò)數(shù)據(jù)交換插件傳給DSP插件，由DSP插件完成脈沖壓縮、濾波和參數(shù)估計(jì)等任務(wù)；

（4） 定時(shí)接口插件產(chǎn)生雷達(dá)系統(tǒng)所需要的時(shí)序，同時(shí)生成控制字送給數(shù)據(jù)交換插件，數(shù)據(jù)交換插件根據(jù)控制字實(shí)時(shí)重構(gòu)各插件之間的高速數(shù)據(jù)通路，實(shí)現(xiàn)插件間指令流和數(shù)據(jù)流的傳輸；

（5） 零槽計(jì)算機(jī)為系統(tǒng)計(jì)算機(jī)，完成對(duì)插件管理、與監(jiān)控和終端之間進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信等；

（6） 分機(jī)有兩塊電源，互為備份，構(gòu)成熱冗余，提高分機(jī)的可靠性。

圖3 信號(hào)處理分機(jī)插件布局示意圖

2.2 陣列天線校正

數(shù)字陣列雷達(dá)屬于有源相控陣?yán)走_(dá)，有源器件的使用，會(huì)給通道引入誤差，該誤差在每次開(kāi)機(jī)時(shí)均不同，但在工作期間其值隨時(shí)間變化很??；天線加工過(guò)程中也會(huì)引入誤差。這些誤差會(huì)導(dǎo)致通道間的幅相不一致，通道間幅相不一致會(huì)使形成的波束指向與加權(quán)系數(shù)和發(fā)射相位不匹配，引起波束副瓣電平抬高，降低雷達(dá)的測(cè)量精度甚至測(cè)量錯(cuò)誤，因此在數(shù)字波束形成前要對(duì)雷達(dá)進(jìn)行通道校正。

通道校正分為接收校正和發(fā)射校正，二者都是為了修正信號(hào)傳輸通路中幅相不一致的影響，使相同信號(hào)經(jīng)過(guò)所有的傳輸通道后具有相同的輸出。不管接收校正還是發(fā)射校正，工程上均可以通過(guò)內(nèi)校和外校來(lái)實(shí)現(xiàn)，所謂內(nèi)校是修正通道的有源部分，外校是修正通道的無(wú)源部分。由于無(wú)源部分的誤差是恒定的，不隨時(shí)間變化，因此只需要通過(guò)一次外校和一次內(nèi)校將其計(jì)算得到，保存下來(lái)即可。以后每次開(kāi)機(jī)進(jìn)行全通道校正時(shí)，在內(nèi)校的基礎(chǔ)上加上保存的無(wú)源部分的誤差，就可以將校正網(wǎng)絡(luò)和實(shí)際回波路徑之間的差異修正掉，得到正常通道的校正值。

為了保持發(fā)射幅度的一致性，雷達(dá)發(fā)射時(shí)往往對(duì)每個(gè)單元進(jìn)行滿(mǎn)幅度激勵(lì)，因此發(fā)射校正只需要考慮校正相位，不需要考慮校正幅度。計(jì)算發(fā)射校正相位時(shí)，可以選擇某一單元的相位作為參考，也可以選擇一個(gè)固定值作為參考，例如選0。當(dāng)選擇0值作參考時(shí)，將采集到的每個(gè)單元的發(fā)射校正數(shù)據(jù)的相位取反即可。

對(duì)于接收校正，和發(fā)射校正類(lèi)似，也是既可以選擇某一個(gè)單元的值作為參考，也可以選擇一個(gè)固定值作為參考，選擇固定值作為參考的好處是可以避免參考單元壞掉的情況。如果選擇某一單元作參考，當(dāng)接收到的測(cè)試信號(hào)為：

[xi=aiejθi=Ii+jQi]

式中：[i=0，1，2，…，N-1]為陣元編號(hào)。假如選擇[x0]作參考單元，則接收校正系數(shù)為：

[Ci=x0xi=x0x*ixix*i=x0x*ixi2]

當(dāng)選擇一個(gè)固定值作參考時(shí)，公式推導(dǎo)類(lèi)似。

2.3 數(shù)字波束形成

數(shù)字波束形成的硬件平臺(tái)為基于CPCI的通用DBF插件，考慮到陣面規(guī)模（128個(gè)單元）不是很大，一塊DBF板就可以完成任務(wù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)高速采樣數(shù)據(jù)的多接收波束形成。通用DBF插件為FPGA+DSP架構(gòu)，F(xiàn)PGA完成定點(diǎn)乘法累加計(jì)算、與陣面和數(shù)據(jù)交換插件進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，另外兼顧和系統(tǒng)計(jì)算機(jī)之間進(jìn)行CPCI總線通信；DSP為板卡的輔處理器，主要完成收發(fā)校正系數(shù)計(jì)算、根據(jù)控制指令更新DBF加權(quán)系數(shù)、產(chǎn)生測(cè)試數(shù)據(jù)等[10]。圖4為DBF插件原理框圖，圖5為數(shù)字波束形成邏輯結(jié)構(gòu)圖，需要注意的是，由于FPGA乘法器的運(yùn)行速度比數(shù)據(jù)采樣速率高很多，為了節(jié)省資源，可以對(duì)乘法器進(jìn)行時(shí)分復(fù)用，即一套乘法器形成多個(gè)接收波束，通過(guò)循環(huán)乘法累加的方式得到結(jié)果。

圖4 通用DBF插件原理框圖

2.4 調(diào)試過(guò)程

DBF雖然算法原理簡(jiǎn)單，但調(diào)試時(shí)有很多困難，原因主要有以下幾個(gè)方面：

（1） 需要處理的是高速數(shù)據(jù)，而且實(shí)時(shí)性較強(qiáng)。對(duì)于陣面送下來(lái)的數(shù)字I/Q，需要在每個(gè)距離單元上形成多個(gè)接收波束，也就是說(shuō)要對(duì)同一距離單元所有陣元的采樣數(shù)據(jù)做多組乘法累加運(yùn)算，運(yùn)算量大。這對(duì)乘法器數(shù)量有限的FPGA來(lái)說(shuō)，需要時(shí)分復(fù)用乘法器，增加了設(shè)計(jì)難度。

圖5 數(shù)字波束形成邏輯結(jié)構(gòu)圖

（2） 數(shù)字波束形成一般通過(guò)FPGA實(shí)現(xiàn)，原因是FPGA做乘法有較高的并行度，但FPGA設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮時(shí)序，因此設(shè)計(jì)時(shí)軟件bug隱藏比較深，不易查找，另外還存在仿真難度大、工程編譯時(shí)間長(zhǎng)等困難。

（3） DBF插件在整個(gè)雷達(dá)中起承上啟下的作用，對(duì)上要控制陣面、接收陣面回波，對(duì)下要向信號(hào)處理輸出合成后的波束數(shù)據(jù)，這就要求DBF插件在形成波束的同時(shí)，還要承擔(dān)大量的接口任務(wù)。一旦出現(xiàn)問(wèn)題，不管是計(jì)算錯(cuò)誤、傳輸錯(cuò)誤還是控制錯(cuò)誤，都要從DBF節(jié)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，因此導(dǎo)致參與聯(lián)試時(shí)間長(zhǎng)。

為了減小上述問(wèn)題的影響，在設(shè)計(jì)DBF時(shí)，就要全面考慮、做好模塊測(cè)試工作和板卡BITE，盡量多留觀察節(jié)點(diǎn)，并將節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)送至監(jiān)控界面顯示，這樣便于快速定位問(wèn)題。一旦出現(xiàn)問(wèn)題可以運(yùn)行測(cè)試數(shù)據(jù)，逐一將節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)和Matlab結(jié)果比對(duì)，順序排查。

圖6是數(shù)字波束形成自檢畫(huà)面。

圖6 DBF自檢

圖7是單波束觀測(cè)氣象目標(biāo)結(jié)果（速度場(chǎng)）。

圖8是同時(shí)觀測(cè)14個(gè)波束的結(jié)果（仰角分層）。

圖7 單波束觀測(cè)氣象目標(biāo)結(jié)果（速度場(chǎng)）

圖8 14個(gè)波束觀測(cè)氣象目標(biāo)結(jié)果（仰角分層）

3 結(jié) 語(yǔ)

數(shù)字陣列雷達(dá)是先進(jìn)的雷達(dá)技術(shù)體制，將其應(yīng)用于天氣探測(cè)，可以同時(shí)獲取不同高度層的氣象數(shù)據(jù)，使得對(duì)天氣的觀測(cè)更加精細(xì)，為后續(xù)氣象產(chǎn)品反演提供更好的技術(shù)手段。本文在給出數(shù)字波束形成基本原理的基礎(chǔ)上，對(duì)工程設(shè)計(jì)問(wèn)題進(jìn)行了闡述，并給出了對(duì)實(shí)際氣象目標(biāo)的探測(cè)效果。

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