潘 浩 刁晶晶 陳俊馬 陳金銳 王善松

(1. 中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所 合肥 230008; 2. 中國(guó)人民解放軍63629部隊(duì) 北京 102600)

0 引言

波束形成技術(shù)在多個(gè)領(lǐng)域具有重要意義，例如雷達(dá)、通信、聲波探測(cè)、電磁對(duì)抗等。在現(xiàn)代智能化技術(shù)不斷進(jìn)步的情況下，數(shù)字波束形成(Digital Beam Forming, DBF)技術(shù)更新?lián)Q代日益頻繁；特別是在雷達(dá)領(lǐng)域，智能化、信息化、數(shù)字化技術(shù)突飛猛進(jìn)，雷達(dá)系統(tǒng)對(duì)于平臺(tái)穩(wěn)定性、硬件指標(biāo)、軟件設(shè)計(jì)等方面具有更高的要求。

目前，DBF功能實(shí)現(xiàn)基于數(shù)字信號(hào)處理器(Digital Signal Processor，DSP)+現(xiàn)場(chǎng)可編輯邏輯門(mén)陣列(Field-Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA)平臺(tái)，且主要功能模塊在FPGA中構(gòu)建邏輯關(guān)系，實(shí)現(xiàn)數(shù)字計(jì)算，形成多波束輸出。該平臺(tái)具有較高的靈活性和擴(kuò)展性，F(xiàn)PGA模塊具有成熟的開(kāi)發(fā)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)過(guò)程簡(jiǎn)單、有效。但在工程應(yīng)用中，特別是對(duì)于目前亟需開(kāi)發(fā)的軟件化、參數(shù)化雷達(dá)系統(tǒng)，這種架構(gòu)存在一定的缺點(diǎn)，開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)，調(diào)試過(guò)程較為繁瑣。嵌入式開(kāi)發(fā)系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，軟硬件可裁剪，適用于應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴(yán)格要求的專(zhuān)用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)性(硬件實(shí)時(shí)和軟件實(shí)時(shí))、小尺寸、低功耗、高效率等特點(diǎn)，滿(mǎn)足了智能化雷達(dá)系統(tǒng)對(duì)指標(biāo)的嚴(yán)格要求。

相比于傳統(tǒng)模擬波束形成技術(shù)，DBF可實(shí)現(xiàn)單個(gè)或多個(gè)獨(dú)立可控的波束形成，且對(duì)每個(gè)通道獨(dú)立加權(quán)，獲得優(yōu)良的波束能力。在實(shí)現(xiàn)多陣元、多通道系統(tǒng)數(shù)字波束形成時(shí)，可以通過(guò)采用分級(jí)合成方法，減少合成數(shù)量，降低信號(hào)大小，實(shí)現(xiàn)子陣級(jí)—全陣級(jí)合成的轉(zhuǎn)變，提高數(shù)字波束合成效率。

本文基于某工程實(shí)例，在VxWorks+FPGA平臺(tái)中合理運(yùn)用多級(jí)波束合成技術(shù)，研究了雷達(dá)數(shù)字波束合成方法，并通過(guò)仿真驗(yàn)證和算例分析驗(yàn)證了多通道、多波束的雷達(dá)數(shù)字波束形成方法的可行性。

1 VxWorks+FPGA平臺(tái)構(gòu)建

數(shù)字波束形成算法核心內(nèi)容包括接收系數(shù)計(jì)算和全通道波束權(quán)重合成兩部分。根據(jù)目前雷達(dá)系統(tǒng)的要求，波束接受系數(shù)計(jì)算模塊對(duì)實(shí)時(shí)性的要求越來(lái)越苛刻，DBF系統(tǒng)需要依據(jù)當(dāng)前波束指向和校正補(bǔ)償，快速計(jì)算出不同通道的波束權(quán)系數(shù)，其更新頻率達(dá)到毫秒級(jí)。而對(duì)于全陣面波束權(quán)重合成技術(shù)，F(xiàn)PGA運(yùn)用乘法器模塊和時(shí)序控制模塊，將全通道數(shù)據(jù)拆分為多個(gè)子陣集合，通過(guò)一級(jí)一級(jí)合成、傳輸、累加，最終形成多波束輸出，大大提高了波束形成效率，增強(qiáng)了波束性能。VxWorks+FPGA平臺(tái)基本架構(gòu)如圖1所示。

圖1 VxWorks+FPGA平臺(tái)基本架構(gòu)

1.1 VxWorks平臺(tái)開(kāi)發(fā)

VxWorks是目前采用最多的，用于開(kāi)發(fā)實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)的實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)，是運(yùn)行在目標(biāo)機(jī)上的高性能、可裁剪的實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)，其主要思想是在系統(tǒng)中最大限度實(shí)現(xiàn)內(nèi)核的時(shí)間可預(yù)測(cè)性，根據(jù)用戶(hù)定義的任務(wù)優(yōu)先級(jí)對(duì)任務(wù)實(shí)現(xiàn)調(diào)度，因其良好的可靠性和卓越的實(shí)時(shí)性被廣泛應(yīng)用于通信、軍事、航空航天等高精尖技術(shù)領(lǐng)域中。VxWorks操作系統(tǒng)將多任務(wù)分為不同優(yōu)先級(jí)，具有強(qiáng)大的同時(shí)處理多任務(wù)能力，提高了DBF系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。

在雷達(dá)波束形成系統(tǒng)中，VxWorks平臺(tái)開(kāi)發(fā)的主要任務(wù)包括天線通道校正、通道幅相補(bǔ)償、波束系數(shù)計(jì)算、窗函數(shù)加權(quán)等功能模塊；同時(shí)根據(jù)波束調(diào)度和FPGA的時(shí)序指令，實(shí)時(shí)更新T/R組件控制參數(shù)，實(shí)現(xiàn)相控陣?yán)走_(dá)多波束合成。VxWorks平臺(tái)開(kāi)發(fā)接口主要包括波束調(diào)度接口、FPGA接口、時(shí)序接口，通過(guò)RapidIO建立不同平臺(tái)間的信息交互鏈路，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)、信號(hào)量等信息的實(shí)時(shí)傳輸，達(dá)到快捷、穩(wěn)定、可靠性高的要求。

VxWorks平臺(tái)開(kāi)發(fā)過(guò)程中，調(diào)用主函數(shù)功能，實(shí)現(xiàn)各個(gè)任務(wù)的實(shí)時(shí)處理，等待各外界信號(hào)的指令，觸發(fā)系統(tǒng)中的任務(wù)模塊，利用多核技術(shù)快速計(jì)算、獲取系統(tǒng)參數(shù)，放入緩存中等待處理；同時(shí)，根據(jù)不同類(lèi)型時(shí)序，響應(yīng)數(shù)據(jù)收發(fā)功能，將有效數(shù)據(jù)傳輸至下一級(jí)處理平臺(tái)中。平臺(tái)主要包含了門(mén)鈴響應(yīng)、時(shí)序中斷、波調(diào)任務(wù)、波束數(shù)據(jù)更新、控制信息傳輸、Bite自動(dòng)更新等。

1.2 FPGA平臺(tái)開(kāi)發(fā)

FPGA由邏輯單元、RAM、乘法器等硬件資源組成，通過(guò)將這些硬件資源合理組織，可實(shí)現(xiàn)乘法器、寄存器、地址發(fā)生器等硬件電路設(shè)計(jì)。硬件可重構(gòu)可重復(fù)編輯具有邏輯單元靈活、設(shè)計(jì)方法先進(jìn)、靈活可編程等優(yōu)點(diǎn)。FPGA在通信領(lǐng)域、數(shù)字信號(hào)處理、軍工領(lǐng)域、航空航天等多種領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用。FPGA主要特點(diǎn)有：一是具有較大的數(shù)據(jù)吞吐量，可以用來(lái)做高速信號(hào)處理；二是并行程度高，可以在每個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)完成多項(xiàng)并行任務(wù)，在數(shù)字信號(hào)處理的運(yùn)算能力上具有強(qiáng)大功能；三是接口高速設(shè)計(jì)可以輕松實(shí)現(xiàn)各種串行或并行的數(shù)據(jù)傳輸，適用于芯片間互連、背板互連及設(shè)備間互連；四是具有靈活的可編程邏輯，可對(duì)FPGA進(jìn)行反復(fù)編程、擦除、使用，用不同的可編程電路實(shí)現(xiàn)不同的功能。

在數(shù)字波束形成過(guò)程中，F(xiàn)PGA平臺(tái)開(kāi)發(fā)主要完成任務(wù)包括與時(shí)序控制間的接口設(shè)計(jì)、與T/R組件間接口設(shè)計(jì)、與VxWorks平臺(tái)間接口設(shè)計(jì)、與信號(hào)處理間的接口設(shè)計(jì)、多級(jí)DBF設(shè)計(jì)等。FPGA通過(guò)時(shí)序控制，根據(jù)不同類(lèi)型的時(shí)序觸發(fā)執(zhí)行相應(yīng)的操作，將不同類(lèi)型數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)齊、分析、處理；采集TR組件傳輸?shù)奶炀€波形信號(hào)，對(duì)于不同的TR組件上的數(shù)據(jù)要對(duì)數(shù)據(jù)格式嚴(yán)格對(duì)齊，放入不同的flash緩存中；同時(shí)，根據(jù)地址偏移取出VxWorks平臺(tái)傳輸?shù)牟ㄊ禂?shù)，對(duì)兩種數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)乘、累加，輸出波束信息。

2 雷達(dá)數(shù)字波束形成方法

數(shù)字波束形成是通過(guò)加權(quán)因子對(duì)不同陣元接收到的信號(hào)進(jìn)行加權(quán)、求和來(lái)實(shí)現(xiàn)波束合成功能的。天線陣面接收到空間回波，通過(guò)TR組件轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)(即I和Q值)，經(jīng)過(guò)TR組件和DBF間的通信通道，將信號(hào)數(shù)據(jù)傳輸至FPGA。FPGA將I/Q信號(hào)與波束形成系數(shù)相乘、累加，得到合成波束，至后端做進(jìn)一步處理。

雷達(dá)波束信號(hào)由天線搜集，且天線方向?yàn)橥环N設(shè)計(jì)，在進(jìn)行波束合成時(shí)無(wú)需考慮天線方向的影響，對(duì)陣面的通道數(shù)據(jù)進(jìn)行全陣合成，即可得到陣面波束信號(hào)。對(duì)于一個(gè)二維陣面，陣面坐標(biāo)為坐標(biāo)，則陣面波束計(jì)算公式為式(1)所示。

(1)

DBFC進(jìn)行陣元級(jí)波束系數(shù)計(jì)算，根據(jù)當(dāng)前波束指向和陣元坐標(biāo)，得到各個(gè)通道的波束加權(quán)值，傳輸至FPGA；FPGA采集TR組件下傳的波束I/Q值，先對(duì)每個(gè)TR組件中通道進(jìn)行波束合成，即波束I/Q值與加權(quán)系數(shù)進(jìn)行復(fù)數(shù)相乘，再進(jìn)行通道累加；初級(jí)合成后對(duì)不同TR組件的數(shù)據(jù)進(jìn)行求和，最后在某一片F(xiàn)PGA中合成得到不同類(lèi)型的波束。

3 算例系統(tǒng)與分析

3.1 算例系統(tǒng)

針對(duì)以上算法和設(shè)計(jì)理論，本文構(gòu)建了實(shí)際工程算例，對(duì)其進(jìn)行深入分析，以驗(yàn)證上文中提出方法的可行性。本文選取1000個(gè)通道的陣面進(jìn)行分析，每個(gè)TR組件包含10個(gè)通道，共計(jì)100個(gè)TR組件。對(duì)于雷達(dá)數(shù)字波束合成，F(xiàn)PGA采集每個(gè)通道的回波數(shù)據(jù)，根據(jù)VxWorks芯片計(jì)算出的波束合成系數(shù)(考慮TR組件通道誤差)，將兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行乘法、求和運(yùn)算，得到波束信息。

3.2 算例分析

1)雷達(dá)數(shù)字波束形成

雷達(dá)全陣面通道進(jìn)行波束合成，通過(guò)采集各個(gè)通道收到的信號(hào)(I/Q數(shù)據(jù))，計(jì)算機(jī)芯片進(jìn)行波束系數(shù)計(jì)算處理，求得各個(gè)通道補(bǔ)償后的指向系數(shù)，傳輸至FPGA；在FPGA中利用乘法器資源對(duì)原始回波數(shù)據(jù)和波束指向系數(shù)進(jìn)行乘累運(yùn)算，得到波束數(shù)據(jù)。

本系統(tǒng)產(chǎn)生波瓣掃描時(shí)序，方位/俯仰指向角由-60°掃描至60°，步進(jìn)0.05°，俯仰/方位指向角為0°，分別得到2400組波束數(shù)據(jù)，以掃描角度為橫坐標(biāo)，波束數(shù)據(jù)的幅度值為縱坐標(biāo)，得到方位波束掃描合成情況和俯仰波束掃描合成情況，如圖2和圖3所示，分別對(duì)和波束和差波束進(jìn)行對(duì)比，在中間0點(diǎn)位置和波束幅度最大，差波束最小，形成和差波束曲線。

圖2 方位波束掃描圖

圖3 俯仰波束掃描圖

4 結(jié)束語(yǔ)

本文基于VxWorks + FPGA平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了雷達(dá)數(shù)字波束形成，將通道信號(hào)進(jìn)行DBF計(jì)算，得到不同指向、目標(biāo)、極化水平的波束數(shù)據(jù)；利用VxWorks實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)優(yōu)化參數(shù)配置，實(shí)現(xiàn)DBF合成動(dòng)態(tài)調(diào)整，大大提高了數(shù)字波束合成的靈活性、可靠性，縮短系統(tǒng)延時(shí)，增加波束數(shù)據(jù)的精確性。