宽带数字阵列雷达误差校正及波束形成关键技术研究

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数字阵列雷达具有大动态范围、强干扰抑制性能、易于同时实现多种功能等诸多优势,是当前雷达发展的重要方向,受到了广泛的重视。本文在国家863项目和“十二五”预研项目的支持下,紧密围绕XX双频段主被动一体化数字阵列雷达研制任务,针对阵列误差校正、数字波束形成及数字接收机工程化实现等关键技术展开研究,为推动我国新一代数字化、软件化、智能化雷达的发展提供技术支撑。论文主要工作如下。1、针对窄带均匀线阵,提出了基于分时校正源的幅相误差与互耦误差联合校正算法。根据均匀线阵的特点,建立了一种简化的阵列误差模型,以减少未知参量个数;在此基础上,采用分时校正源,得到了阵列误差矩阵的最小二乘解。该算法无需已知校正源方位,且可获得较高的校正精度。仿真实验与实测数据处理结果验证了该算法的有效性。2、研究了宽带阵列误差校正技术。针对实际环境中宽带幅相误差校正问题,提出了一种基于短时傅里叶变换(Short time fourier transform,STFT)的校正方法,有效降低了空间干扰信号及噪声对校正效果的影响。针对宽带均匀线阵中存在互耦误差的情况,提出了一种基于辅助阵元的宽带到达角(Direction of arrival,DOA)估计算法,通过合理设置辅助阵元,可消除互耦误差的影响,从而取得了较高的DOA估计精度。该算法无需迭代,运算量小,且可避免由互耦效应引起的“盲角”。针对幅相误差和互耦误差同时存在的情况,提出了一种基于FIR滤波器的校正算法。首先通过窄带有源校正方法获取部分离散频点的误差校正矩阵,然后通过一组FIR滤波器拟合校正矩阵在通带内的频率特性,从而可实现对任意频点的误差校正。该算法适用于任意形状的阵列,校正精度较高,工作量小,易于工程实现。3、提出了一种基于数字Stretch处理的稳健自适应数字波束形成(Digital Beamforming,DBF)算法。针对发射信号为线性调频信号的宽带数字阵列雷达,通过对各阵元接收信号进行数字Stretch处理及相位补偿,将宽带信号转化为窄带信号形式,进而利用窄带方法进行波束形成。该算法可以有效克服波束指向误差的影响,且运算量小,易于实时实现,同时减小了数据率,降低了对后续信号处理、传输和存储的要求,有利于简化硬件设计。4、研究了宽带数字阵列雷达样机接收系统工程化实现技术。根据样机的建设需求,研制了数字接收组件与DBF处理板,前者主要完成射频直接采样、信号预处理及高速数据传输,后者主要完成宽、窄带DBF与数据缓存、转发。在此基础上,设计实现了基于FPGA的宽带阵列误差校正模块以及基于层次化架构的DBF处理模块。最后,开展外场探测试验,验证了样机功能。本文的研究成果已成功应用于XX双频段主被动一体化数字阵列雷达样机中,为推动我国数字阵列雷达的实用化进程提供了重要的技术储备。
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