多目標(biāo)測(cè)控中基于波達(dá)方向估計(jì)的自適應(yīng)數(shù)字波束合成研究.pdf

1、經(jīng)過(guò)50多年發(fā)展，我國(guó)航空航天測(cè)控系統(tǒng)已經(jīng)處于測(cè)控系統(tǒng)發(fā)展的第二個(gè)階段，即統(tǒng)一載波測(cè)控體制，具有了由“地基”、“?；睖y(cè)控設(shè)備構(gòu)成的完整的測(cè)控網(wǎng)絡(luò)。在這樣的體制中，一套測(cè)控設(shè)備每次只能對(duì)一個(gè)目標(biāo)進(jìn)行測(cè)控，而且只能在本國(guó)和附近地區(qū)進(jìn)行。隨著航空航天科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和國(guó)防建設(shè)需要，多目標(biāo)同時(shí)測(cè)控的需求日益增強(qiáng)，其具體運(yùn)用領(lǐng)域也日益廣泛。比如，由跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星組成的“天基”測(cè)控系統(tǒng)。為了在全球范圍全程跟蹤飛行器，“天基”測(cè)控把測(cè)控站放到太空

2、中，由中繼衛(wèi)星完成。而一顆中繼衛(wèi)星不可能只監(jiān)測(cè)一個(gè)飛行器，而必須同時(shí)多目標(biāo)測(cè)控。多目標(biāo)測(cè)控另一個(gè)典型應(yīng)用是對(duì)小衛(wèi)星測(cè)控。小衛(wèi)星的出現(xiàn)，大大降低了衛(wèi)星成本，這意味著空中衛(wèi)星數(shù)量的增加，甚至出現(xiàn)了小衛(wèi)星群。為了降低對(duì)小衛(wèi)星的測(cè)控成本，多目標(biāo)測(cè)控是主要解決手段。即使是在傳統(tǒng)測(cè)控網(wǎng)絡(luò)中，實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)測(cè)控，也是對(duì)原有設(shè)備進(jìn)行改造和升級(jí)的重要方向。 多目標(biāo)測(cè)控實(shí)現(xiàn)是通過(guò)自適應(yīng)數(shù)字波束合成（Digital Beamforming，DBF）技術(shù)。

3、自適應(yīng)DBF技術(shù)利用信號(hào)的不同來(lái)向，從空間域進(jìn)行濾波，把主瓣對(duì)準(zhǔn)期望信號(hào)而零陷對(duì)準(zhǔn)干擾信號(hào)。通過(guò)軟件形成不同的權(quán)值，在相同的硬件設(shè)備上形成多個(gè)通道，完成多目標(biāo)測(cè)控。自適應(yīng)DBF涉及了無(wú)線通信的各個(gè)部分，而關(guān)鍵在于基帶信號(hào)處理。作者在全面理解DBF理論基礎(chǔ)上，針對(duì)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)過(guò)程中涉及的多個(gè)系統(tǒng)性能問(wèn)題進(jìn)行了理論分析，同時(shí)對(duì)波束空間自適應(yīng)算法和波達(dá)方向估計(jì)算法進(jìn)行了改進(jìn)，并完成了中頻和基帶的硬件設(shè)計(jì)和制作，為系統(tǒng)的產(chǎn)品化奠定了基礎(chǔ)。

4、論文主要內(nèi)容包括： （1）首先以均勻線陣為研究模型，介紹了波束合成系統(tǒng)的幾個(gè)重要參數(shù)意義和求解方法。推導(dǎo)在不同準(zhǔn)則下的系統(tǒng)最優(yōu)權(quán)矢量解，并對(duì)它們進(jìn)行比較和分析，指出統(tǒng)一為維納解。而通過(guò)對(duì)MV準(zhǔn)則下波束合成器的仿真，可以觀察空間濾波對(duì)系統(tǒng)性能的改善。 （2）針對(duì)工程實(shí)現(xiàn)，分析了系統(tǒng)性能同量化比特?cái)?shù)，采樣快拍數(shù)，陣列失配的關(guān)系。對(duì)于量化比特?cái)?shù)的分析，其意義在于確定ADC器件分辨率和數(shù)據(jù)精度。分析表明，系統(tǒng)量化比特?cái)?shù)的增加對(duì)系

5、統(tǒng)增益提高是有益的，但當(dāng)量化比特?cái)?shù)增加到一定值，這種改善就不明顯了。快拍數(shù)大小，決定了協(xié)方差矩陣估計(jì)誤差大小，從而影響系統(tǒng)性能?？炫臄?shù)越多，誤差當(dāng)然越小，但系統(tǒng)復(fù)雜度自然也隨之增加。通過(guò)分析快拍數(shù)同陣列增益的關(guān)系，就可以在理論上按照一定的技術(shù)指標(biāo)確定自適應(yīng)DBF算法使用的快拍數(shù)的多少。陣列失配是陣列校正的原因，線性約束和二次約束是兩種基本校正方法。 （3）介紹了各種基本自適應(yīng)算法及其性能，針對(duì)波束空間算法引入對(duì)角負(fù)載技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)，

6、在降低運(yùn)算量同時(shí)提高穩(wěn)健性。自適應(yīng)DBF算法由于是對(duì)陣列信號(hào)進(jìn)行處理，而且本身算法也較為復(fù)雜，如何減少系統(tǒng)計(jì)算復(fù)雜度一直是人們研究的方向。同時(shí)，目前的各種自適應(yīng)算法，對(duì)陣列失配非常敏感，通常都需要進(jìn)行陣列的校正，提高系統(tǒng)穩(wěn)健性。把波束空間自適應(yīng)DBF算法同二次約束中的對(duì)角負(fù)載技術(shù)相結(jié)合，一方面可以通過(guò)降低維數(shù)來(lái)減少運(yùn)算復(fù)雜度，另一方面，也可以提高系統(tǒng)穩(wěn)健性。通過(guò)對(duì)陣元空間對(duì)角負(fù)載實(shí)現(xiàn)方法的分析，給出了波束空間對(duì)角負(fù)載方法實(shí)現(xiàn)過(guò)程，并確定

7、了對(duì)角負(fù)載值。 （4）分析比較各種DOA估計(jì)算法，對(duì)均勻圓陣的二維MUSIC法譜峰搜索引入FFT，從而降低運(yùn)算量。自適應(yīng)DBF算法中的非盲自適應(yīng)算法需要一個(gè)參考信號(hào)，這個(gè)參考信號(hào)可以是時(shí)間信號(hào)，也可以是空間信號(hào)?？臻g參考信號(hào)的獲得，實(shí)際就是期望信號(hào)的DOA的估計(jì)問(wèn)題。MUSIC法是DOA估計(jì)的經(jīng)典超分辨方法，適應(yīng)范圍廣，是工程實(shí)現(xiàn)中常采用的方法。對(duì)于均勻分布的圓陣，由于陣元位置的特殊性，MUSIC法空間譜的譜峰搜索計(jì)算可以通過(guò)簡(jiǎn)單

8、位置變換等效為圓周卷積，從而可以利用FFT，使譜峰搜索計(jì)算量減少一半左右。 （5）為了驗(yàn)證理論的可行性，為多目標(biāo)測(cè)控設(shè)備的工程應(yīng)用奠定基礎(chǔ)，必須完成相應(yīng)的各種硬件設(shè)計(jì)、制作和調(diào)試。根據(jù)課題需要，作者首先用FPGA制作了一個(gè)BPSK的直接序列擴(kuò)頻調(diào)制信號(hào)源。該信源載波為35MHz，基帶偽隨機(jī)碼速率為3.5Mbit/s。設(shè)計(jì)完成了針對(duì)9陣元均勻圓陣的中頻信號(hào)處理單元，即把35MHz載波的BSPK調(diào)制信號(hào)進(jìn)行9路正交模擬解調(diào)，并用Cos

9、tas環(huán)提取本地相干載波。自適應(yīng)DBF的基帶處理部分則是由FPGA+DSP器件完成。FPGA具有高速特點(diǎn)，可以用于陣列加權(quán)求和，而DSP進(jìn)行運(yùn)算方便，則用于DOA估計(jì)和權(quán)值求解。FPGA把模數(shù)轉(zhuǎn)換器得到數(shù)據(jù)傳給DSP，DSP把處理得到的權(quán)傳回FPGA，二者配合實(shí)現(xiàn)DBF。 總之，多目標(biāo)測(cè)控是一個(gè)龐大系統(tǒng)，自適應(yīng)DBF理論也涉及多個(gè)方面，具有很多分支，如寬帶處理，有色噪聲，稀疏陣列，去耦校正，盲源分離等等。自適應(yīng)DBF也不僅僅用于