张孟达1 刘小忠1 岳玫君２
（1.中国电子科技集团公司第三十八研究所，安徽 合肥 230088；2.中国人民解放军电子工程学院，安徽 合肥 230037）
【摘要】在相控阵雷达中常采用自适应波束形成算法来有效对消天线旁瓣干扰。但是，阵元级算法运算量巨大，在工程中必须采用降维算法。其中，波束空间降维算法A-ADBF应用较为广泛，该算法性能稳健，有效抑制干扰的同时又降低了运算量。本文针对该算法在工程中采用DSP运算速度较慢的缺点，提出了一种FPGA+DSP的工程实现方案，有效降低了运算时间。
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关键词 自适应波束形成；FPGA；DSP
0 引言
当相控阵雷达处于强有源干扰环境时，即使干扰信号从天线的旁瓣进入，也远大于从主瓣进入的目标信号，使得雷达无法正常工作[1]。采用自适应波束形成技术可以实现空域滤波[2]，在干扰方向形成零陷，有效对消干扰。数字阵列雷达接收和发射均采用数字波束形成技术[3]，具有很大的自由度，使得自适应波束形成技术能够方便应用于工程中。目前，常用的自适应波束形成算法有：自适应旁瓣对消(ASLC)和自适应-自适应波束形成（A-ADBF）。自适应旁瓣对消工程实现较容易，但其引入辅助通道增益必须和天线副瓣增益相当，当天线阵面较大时，选取一个天线阵元做为辅助通道则增益不足，而且这种算法自适应方向图在除干扰外其它方向旁瓣较高，不满足低旁瓣要求。自适应-自适应波束形成是一种性能稳健的算法，其性能接近理想滤波器，因而得到广泛使用。
文献[4]讨论了自适应数字波束形成在工程中的关键技术，提出主要需要解决运算资源与算法性能之间的矛盾。运算量小的算法稳健性较差，稳健性好的算法运算量又较大。文献[5]和文献[6]提出了利用FPGA+DSP的处理架构实现常规波束形成和自适应旁瓣对消。对于自适应-自适应波束形成，运算量更大，实现也更加困难。本文对FPGA+DSP处理架构进行了优化，使之能够实现自适应-自适应波束形成算法。DSP用于干扰协方差矩阵估计、矩阵求逆等运算，保证了运算精度， FPGA用于实现FIR滤波器结构，提高了实时性。将这种架构用于雷达信号处理机中，实测的运算速度能够满足系统指标要求。
1 自适应-自适应波束形成原理
自适应-自适应方法是一种波束空间自适应方法，其原理框图如图1所示，所有阵元加不同的权系数形成多个波束，自适应滤波可以看作阵元方向图为各波束方向图的自适应阵列。这种方法需要事先估计出干扰方向和干扰数目，形成指向干扰的若干个辅助波束，再形成指向期望方向主波束。干扰波束和主波束一起进行自适应滤波。
图1 波束空间自适应方法
假设阵列输出为X（t），在期望方向形成的主波束对应的加权矢量应为：
自适应-自适应方法有效实现了降维，而且其性能比较稳健，算法收敛所需的快拍数也比全阵面少，比较适合工程应用。
2 DSP实现方法
由自适应-自适应波束形成算法可以看出，自适应处理可以分为自适应权计算和滤波运算两部分。在用DSP实现的方法中，这两个步骤都有DSP完成。首先，当发射触发到来时，各个阵列通道的数字回波经过数字波束形成系统形成一个主波束和若干个干扰波束数据。多波束数据通过DSP链路口进入DSP内部存储器，整个重复周期数据收集完后，再选取该周期末尾数据做为采样快拍估计干扰协方差矩阵，计算自适应权，计算完成后再对整个重复周期的数据从头开始进行滤波运算（即加权求和）。这种方法的缺点是：当同时有多个主波束或者脉冲重复周期较长时，DSP内部存储器资源有限，必须采用外部存储器，这时，DSP读写速度变慢，且多个主波束带来运算量成倍增加，该处理方法无法满足实时性要求。
3 FPGA+DSP实现方法
在工程中一般采用FPGA+DSP硬件处理平台完成DBF，该平台具备高数据传输速率，高并行运算能力等特点。DSP有浮点运算动态范围大的优点，用以完成干扰协方差矩阵求逆等复杂运算，计算自适应权值。FPGA适合完成大量并行乘累加算法，用以完成滤波运算。若采用该平台实现自适应-自适应波束形成，则能大大提高实时性，同时也可以和DBF一体化设计节省硬件成本。
具体工作流程如下，接收DBF在发射触发到来之前的休止期形成指向期望方向和干扰方向波束，FPGA产生中断信号通知DSP，DSP通过链路口以DMA方式从FPGA读取各个波束数据，做为采样快拍计算自适应权。同时FPGA中的波束数据缓存一段时间（此缓存可以利用FPGA外部存储器实现以节省内部存储空间），直至DSP计算自适应权完成。DSP计算完成的自适应权转换成定点数后通过DSP总线写入FPGA，在FPGA用FIR滤波器结构即可实现滤波运算。总的运算结果有效数据仅剩下主波束，且只是相对输入数据有一段延迟，因此该方法实时性很好。
4 测试结果
测试方法如下，假设天线阵列由64×64个矩形排列的阵元组成，阵元水平间距和垂直间距均为0.51倍波长，有三个干扰源，方向分别为0°，-25°、0°，-18°、0°，-21°和，期望波束指向为0°，0°，三个干扰源输入干噪比均为30dB。如图2所示为FPGA实测的自适应方向图。
可以看出，FPGA运算能够在干扰方向形成零点，有效抑制干扰，工程应用中能够满足实际需求。
5 结论
自适应-自适应波束形成算法（A-ADBF）性能稳健，能够有效抑制干扰。针对其运算量相对较大，工程实现困难的特点，本文提出一种有效的工程实现方法，该方法基于FPGA+DSP的硬件处理平台，发挥了DSP运算精度高和FPGA运算速度快的优点，易于实现且实时性好。在硬件平台上的实测结果表明，该方法能够有效抑制干扰，同时能够满足雷达系统对实时性的要求。
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参考文献
［1］张光义．相控阵雷达系统[M]．北京:国防工业出版社，1994．
［2］吴曼青．数字阵列雷达及其进展[J]．中国电子科学研究院学报，2006，1(1):11－16．
［3］王永良，丁前军，李荣锋．自适应阵列处理[M]．北京:清华大学出版社，2009．
［4］徐伟．自适应波束形成算法工程应用中的关键技术研究[J]．火控雷达技术，2012，41(1):39－42．
［5］ 刘志英，万卫华．基于FPGA+DSP的数字波束形成的实现[J]．甘肃科技，2007，23(10):27－29．
［6］李波．自适应旁瓣对消在数字阵列雷达中的工程实现[J]．电子科技，2012，25(4):96－99．
［责任编辑：薛俊歌］