基于DBF的比幅测向方法研究

马银玲，毛秀丽

（中国电子科技集团公司第51研究所，上海 201802）

0 引 言

波束形成是指对空间传感器的采样加权求和，以增强特定方向传播波信号，抑制其他方向的干扰／多径信号，或提取波场特征参数等为目的的空域滤波。数字波束形成［1-2］（DBF）是采用数字方法实现波束形成的技术，能提高信噪比和获得超分辨率，能分辨不同方向的同时多目标，能实现波束快速扫描和波束自适应控制等。正是由于DBF的诸多优点，使得该项技术在信号处理领域得到了越来越广泛的应用。

1 数字波束形成的原理

对于均匀间隔为d的天线阵，第n个阵元接收到的窄带模拟信号为：

式中：n＝1，2，…，N；A（t）为回波信号的幅度。

式中：λ为回波波长。

假定初始相位为零，它们具有相同的幅度A（t），不同的相位取决于阵元到同相波前的距离。在时间上取样，再乘以复加权向量W后求和得到：

式中：A（tm）为tm时刻的复信号包络；i＝1，2，…，N，为天线阵元的编号；Wi为以某个最佳判据为依据选取的复加权系数，通过改变复加权系数就可得到不同要求的波束。

波束个数的选择应当根据检测的角度范围和相邻交叉波束指向的角度间隔来确定。

图1是采用16个阵元、阵元间距为0.2m的均匀线阵、频率为600MHz、在0°方向形成的波束（没有加权）。

图1 数字波束形成MATLAB仿真图

2 比幅测向的原理

用多个独立的、波束主瓣相邻的天线覆盖一定方位，对同一个入射信号来说，总有一对相邻波束分别输出最强和次强信号。通过比较这对相邻波束输出信号包络幅度的相对大小来确定信号的方位。

2.1 基于DBF的比幅测向方法

基于DBF技术形成的波束图可用高斯函数近似［3-4］（尤其在-10dB以上），故其波束图为：

式中：θ为来波方向与波束指向的夹角；k与主波束形状有关，通常认为是一个固定的常数。

式中：θi为第i个波束的波束中心对应的方位；θi＋1为第i＋1个波束的波束中心对应的方位；φ为目标信号的方位；θ3dB为接收波束3dB的波束宽度。

图2为波束中心角及目标方位示意图。

实际关心的是目标偏离2个波束中心的角度，假设θi＋1＞θi，令：

图2 波束中心角及目标方位示意图

则用R表示幅度比并且转换成分贝，得到：

2.2 工程应用中相关参数的选取

因为在不同方位和不同的频段上形成的波束之间形状上有一些差异，所以不同方位以及不同频段上μ的取值不尽相同。可以通过MATLAB仿真对系数μ做出最优估计。

取16阵元的均匀线阵，测向覆盖范围［-45°，45°］，相邻波束指向间隔为6°，频率为400MHz时，计算出不同测向区间内的μ的取值如表1所示。

表1 MATLAB仿真估计得μ在不同测向区间的取值

实际应用中形成的波束由于受各种因素的影响，相邻波束交叉形成的等强度的交叉角也与理论情况有一些差别，这种情况需要通过对系统进行分析，并通过实测数据统计出系统误差来弥补由此造成的测向误差。

测向误差受系统中很多因素的影响［5］。本文仅给出某工程应用中基于数字波束形成的比幅法实测到的信号的方位值，如表2所示。

表2 工程中实测的几个频点的方位值

利用上表数据可计算出400MHz、450MHz和750MHz的 均 方 根 误 差 分 别 为 0.67°、0.65°和0.755°，均小于系统要求的0.8°的测向精度。

3 比幅法测向的软件实现流程

比幅测向主要考虑的是具有最大的信号强度的波束和次强信号强度的波束是相邻波束的情况，如果信号仅仅从一个波束进来，直接采用波束的中心指向作为该目标信号的方位。

图3是信号处理端软件实现的基于DBF的比幅测向的流程图。

4 结束语

比幅法测向的信号处理主要表现在相邻通道之间可以分辨不同方向的同时多信号。当然，如果信号很强，而且从旁边的通道同时过检测门限，当旁通道和主波束是相邻通道时_，可以采用上述方法消除，如果旁通道和主波束不是相邻通道，则会被认为是同时多信号，从而造成虚假判断，这种情况需要进一步考虑和处理。

图3 比幅测向方法软件实现的流程图

［1］ 龚耀寰.自适应滤波［M］.第2版.西安：西安电子科技大学出版社，2003.

［2］ 沈凤麟，常春起.自适应数字波束形成中波束形状的快速收敛［J］.电子学报，1996（7）：32-37.

［3］ 苏保伟.阵列数字波束形成技术研究［D］.长沙：国防科技大学，2006.

［4］ 陈四根.阵列信号处理相关技术研究［D］.哈尔滨：哈尔滨工业大学，2004.

［5］ 李鹏，武胜波.比幅法测向及其误差分析［J］.电子元器件应用，2009，11（10）：89-92._____________________