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巍泰技术数字波束成形相控阵雷达技术在民用雷达领域的应用

2021-02-16 阅读 2856

    测速雷达依据多普勒效应对运动的车辆进行速度测量,发射端发出微波/毫米波的连续波,该连续波遇到目标会产生反射,反射信号的频率与目标的速度和方向都有固定的关系,依据这一关系,通过检测反射信号的频率就可以测出目标的运动速度和方向。


       

    频率的检测通过数字信号处理来实现,就是对接收到的信号进行数字化,数字化后进行离散傅里叶变换就可以得到信号的频率值。


    目前的民用测速雷达产品基本上采用单天线连续波雷达技术,要么只能对单一车道进行测速,要么对多车道测速时不能精确区分测出的速度究竟是哪个车道的车辆的。


    相控阵技术是广泛用于军用雷达的一种先进技术,数字波束成形技术也是近年来军用相控阵雷达方面研究较多的一种先进技术。它采用大规模天线阵列和高强度的数字信号处理技术来满足军用雷达的各种苛刻要求,具有提高低径向速度目标探测能力、提高雷达的空域覆盖性能、在复杂地形环境下的目标探测性能好等一系列优点。但由于该技术复杂度高、成本也高,目前在民用雷达产品中实际应用极少。


    数字波束成形(Digital Beam Forming—DBF)技术也是伴随着相控阵天线技术发展而发展起来的技术,由于早期军用天线单元数目多,需要处理的数字信号数量非常庞大,因而计算起来需要的成本很高。近期随着数字处理技术 DSP、FPGA 的快速发展,运算能力有了飞速的提高,再加之通信系统中智能天线的快速发展,天线单元数也变得不再像军用雷达有那么多,使 DBF 也快速发展起来,得到了越来越多的应用。


    本公司将平板相控阵天线技术和数字波束成形(Digital Beam Forming—DBF)技术等先进技术有机的结合在一起,优化成低成本高可靠性的名用产品,实现了民用雷达产品的升级换代。


    利用数个平板天线对目标反射的雷达信号进行接收,在数字域通过对不同天线接收的信号进行幅度和相位加权然后进行合成,形成多个波束,每个波束对应一个车道,对每个波束的信号进行处理就可以得到每个波束对应车道的目标信息。


    多个信号的波束成形采用数字波束成形(Digital Beam Forming—DBF)技术,就是将每个天线接收的信号混频后进行数字采样,滤波后进行相位偏移和幅度加权,然后分别进行合成,就可以针对每个车道分别合成一个信号,这个信号就相当于是对应一个车道的波束信号。其具体原理是:


    假设接收天线为N阵元均匀直线阵,目标的来波方向为θ,第k个波束指向为θk,相邻阵元间距为 d,信号波长为 λ,且各阵元都是各向同性的,对 k 阵元的加权分别为 w1k,w2k...wnk,信号是窄带信号。xi 表示第 i 单元的接收信号经过 A/D 变换和正交解调后的复数字信号。加权系数 wik=aiexp(-jΔΦk),其中,ΔΦk=(2π/λd)* sin(θk)表示相位偏移值,ai 表示幅度加权值,进行相位偏移和幅度加权后并对各阵列的输出信号相加,即可得:



    对上式求幅度,就可以得到第 k 个波束的天线方向图函数,采用不同的加权系数 wik 序列,就可以得到多个方向图函数,每个方向图函数是对应一定方位的单波束图形,并行处理算法可以保证这些波束是同时工作的。简单地讲,数字波束成形器就是一个乘加器,其结构框图如下:



    最后达到的效果如下图所示:



    从上图中可以看出,利用很少数目的天线就可以形成三个或更多的波束,每个波束对准一个车道就可以同时对多个车道进行目标信息测量,也就是用较少的天线和接收通道达到多个天线和接收通道的作用,充分利用了每个天线通道收到的信息。