一种基于FPGA宽带频域数字波束形成方法和装置与流程

本发明涉及宽带数字波束形成，尤其涉及一种基于fpga宽带频域数字波束形成方法和装置。

背景技术：

1、雷达探测为了提高距离分辨率和高精度成像，天线采用发射大带宽的信号，超宽带的瞬时带宽给非合作信号侦察带来了巨大的挑战。为了增加对低截获信号获取的灵敏度和侦察更远距离的辐射目标，采用数字空域滤波的方法对指定的方向提高增益，抑制其他方向的噪声能量。对于宽带数字接收机，阵列相同的延时会引起不同频率响应，窄带波束合成方法并不适用，所以宽带波束合成方法的研究非常迫切和必要。

2、目前，基于farrow多项式插值结构的滤波器方法，重新加载延迟量简单，但是对于超宽带接收机多相数据处理，计算资源规模太大，而且工程实现难度大；微波光子技术依靠光纤为载体，实现光子物理延时，但是受温度和湿度环境影响较大；fir滤波器分数时延方法通过补偿信号到达各个天线阵元的时间，使其阵元间相位对齐幅度加权，完成期望方向的能量叠加，数字移相器补偿载波引起的相位差，数字延时器利用移位寄存器补偿整数倍采样周期延时，分数延时滤波器补偿小数倍采样周期延时，通过调整上述三个补偿器实现阵元延时的补偿和相位对齐，射频直采接收机采样率很高，由于fpga主频和时序的约束，采样数据为多相结构，fir滤波器乘法资源按照相数线性增加，资源使用过多。

3、因此，现有的宽带波束合成方法硬件运算资源使用过多，并且波束指向动态配置不灵活。

技术实现思路

1、鉴于上述的分析，本发明实施例旨在提供一种基于fpga宽带频域数字波束形成方法和装置，用以解决现有宽带波束合成方法硬件运算资源使用过多，并且波束指向动态配置不灵活的问题。

2、一方面，本发明实施例提供了一种基于fpga宽带频域数字波束形成方法，包括以下步骤：

3、对天线接收的射频数据进行多通道采集，并将各通道采集的射频数据转换为多相时域数据；

4、将各通道的多相时域数据进行整数倍采样延时补偿，之后进行并行傅里叶变换，得到各通道的多相频域数据；

5、基于各通道的频域波束合成权重和多相频域数据，进行多通道频域合成，得到频域多通道宽带波束合成数据；

6、将所述频域多通道宽带波束合成数据进行并行逆傅里叶变换，得到时域波束合成数据，实现指定方向波束的合成。

7、进一步地，所述多相时域数据表示为l行m列的矩阵；将补偿后的多相时域数据进行并行傅里叶变换，得到多相频域数据，具体为：

8、将多相时域数据按行进行m点傅里叶变换，得到l行m点傅里叶变换数据；

9、将各行所述m点傅里叶变换数据与相应的n阶旋转因子进行复数点乘，得到l行m列的并行数据；其中，n为l*m；

10、将所述并行数据按列进行l点傅里叶变换，得到m列l点傅里叶变换数据，进而构成l行m列的多相频域数据。

11、进一步地，所述多相频域数据中第p行第q列的元素x(p,q)表示为：

12、

13、式中，l、m分别表示多相时域数据的行数和列数，n表示射频数据的采样总点数，x(l,m)表示多相时域数据中第l行第m列的元素，wa表示a阶旋转因子，其中，a为n、m或l。

14、进一步地，所述频域波束合成权重包括多相频域数据中每一列对应的列权重；所述基于各通道的频域波束合成权重和多相频域数据，进行多通道频域合成，得到频域多通道宽带波束合成数据，具体为：

15、将各通道所述多相频域数据的每一列数据与相应的频域波束合成权重中的列权重相乘，得到各通道频域波束合成数据；

16、将所述各通道频域波束合成数据相加得到频域多通道宽带波束合成数据。

17、进一步地，通过以下方式得到各通道的频域波束合成权重：

18、管控软件dsp根据多通道矫正梳状谱数据得到各通道的小数倍到达波延时、载波相位差和设定的所有频点的波束指向相位加权；

19、将各通道的所述小数倍到达波延时、载波相位差映射到频域上，得到补偿相位，与设定的所有频点的波束指向相位加权相加得到多相频域数据中每一列的列权重，构成频域波束合成权重。

20、进一步地，所述将频域多通道宽带波束合成数据进行并行逆傅里叶变换，得到时域波束合成数据，具体为：

21、将频域多通道宽带波束合成数据按列进行l点逆傅里叶变换，得到m行l点逆傅里叶变换数据；

22、将各列所述l点逆傅里叶变换数据与相应的n阶共轭旋转因子进行复数点乘，之后按行进行m点逆傅里叶变换，得到l行m点傅里叶变换数据，进而构成l行m列的时域波束合成数据。

23、进一步地，所述傅里叶变换采用基2-突发结构蝶形算法实现。

24、进一步地，通过数字延时器补偿多相时域数据的整数倍采样延时。

25、另一方面，本发明还提供了一种基于fpga宽带频域数字波束形成装置，包括数据采集转换模块、数据补偿和频域转换模块、频域多通道波束合成模块和指定方向波束合成模块；

26、所述数据采集转换模块，用于对天线接收的射频数据进行多通道采集，并将各通道采集的射频数据转换为多相时域数据；

27、所述数据补偿和频域转换模块，用于将各通道的多相时域数据进行整数倍采样延时补偿，之后进行并行傅里叶变换，得到各通道的多相频域数据；

28、所述频域多通道波束合成模块，用于基于各通道的频域波束合成权重和多相频域数据，进行多通道频域合成，得到频域多通道宽带波束合成数据；

29、所述指定方向波束合成模块，用于将所述频域多通道宽带波束合成数据进行并行逆傅里叶变换，得到时域波束合成数据，实现指定方向波束的合成。

30、进一步地，所述数据补偿和频域转换模块中所述多相时域数据表示为l行m列的矩阵；其中，将补偿后的多相时域数据进行并行傅里叶变换，得到多相频域数据，具体为：

31、将多相时域数据按行进行m点傅里叶变换，得到l行m点傅里叶变换数据；

32、将各行所述m点傅里叶变换数据与相应的n阶旋转因子进行复数点乘，得到l行m列的并行数据；其中，n为l*m；

33、将所述并行数据按列进行l点傅里叶变换，得到m列l点傅里叶变换数据，进而构成l行m列的多相频域数据。

34、与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：

35、本发明提供的一种基于fpga宽带频域数字波束形成方法和装置，通过对天线接收的射频数据进行多通道采集，并将各通道采集的射频数据转换为多相时域数据，再将各通道的多相时域数据进行整数倍采样延时补偿，之后进行并行傅里叶变换，得到各通道的多相频域数据，然后基于各通道的频域波束合成权重和多相频域数据，进行多通道频域合成，得到频域多通道宽带波束合成数据，最后将所述频域多通道宽带波束合成数据进行并行逆傅里叶变换，得到时域波束合成数据，实现指定方向波束的合成，将宽带信号分解为窄带信号，多通道数据按照频点进行对齐，频域完成多通道特定指向波束的相位与幅度加权，解决了天线阵超宽带瞬时带宽天线孔径效应，模拟波束合成指向偏差的问题，增强了期望波束方向的增益，抑制其余方向的干扰和噪声；并且基于并行傅里叶变换实现的宽带频域数字波束形成方法，具有运算量低、硬件资源消耗少和实时性高的优点，同时可以动态配置多波束指向，能够针对多方向和多目标开展测向和定位，提高对低截获信号的侦察和处理能力，在电子对抗和相控阵天线领域具有重要的应用价值。

36、本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。