摘 要： 将DBF技术应用于天气雷达，可以同时获取不同高度层的气象数据，使得对天气的观测更加精细，为后续气象产品反演提供更好的技术手段。首先介绍DBF的基本原理，然后阐述在天气雷达研制过程中设计DBF时需要注意的问题，最后给出对实际气象目标的探测效果。
关键词： 数字波束形成； 雷达； 天气探测； 阵列天线校正
中图分类号： TN957⁃34 文献标识码： A 文章编号： 1004⁃373X（2014）03⁃0069⁃04
Application of DBF in digital array weather radar
MU Wen⁃zheng， ZHU Zi⁃ping， LIU Zhi⁃ying
（The 38th Research Institute， China Electronic Technology Group Corporation， Hefei 230088， China）
Abstract： The application of DBF technology in weather radar can obtain meteorological datas in different height layer at the same time， which makes the weather observations more precise， and provide better technical means for subsequent meteorological products retrieval. The principle of DBF is introduced firstly， then the notices in the DBF design of weather radar development are expounded， finally the detection effect of actual meteorological target is given.
Keywords： DBF； radar； weather detection； antenna array calibration
0 引 言
天气无时无刻不在影响着人们的生产和生活，对天气的准确探测一直是人们的追求，雷达作为天气探测的重要传感器，在天气探测和预报方面发挥着重要作用。军用雷达发展迅速，将先进的军用雷达技术运用到天气探测，是人们发展天气雷达的自然思路，数字阵列雷达即是其中一例。
数字阵列雷达是相控阵雷达的先进形式，在波束形成上与传统相控阵雷达有很大不同。传统相控阵雷达在形成接收波束时，通过控制射频或中频的幅度和相位，形成所需要的波束，系统多采用模拟器件，不仅幅相控制精度差，系统可靠性低，而且不够灵活；数字阵列雷达在形成接收波束时处理的是数字I/Q信号，通过复数乘法累加实现，因此形成的波束也称计算波束。在形成发射波束时，数字阵列雷达将计算的发射相位送给阵面，通过控制阵面组件中的DDS控制辐射电磁波的初始相位，从而在空间合成功率，形成特定方向的发射波束。与传统相控阵雷达相比，数字阵列雷达不仅幅相控制精度高、阵面误差可实时修正，而且在不损失功率的前提下形成多个接收波束，是一种先进的雷达体制。
将数字阵列雷达用于天气探测，是天气雷达发展的趋势。本文研究的是数字阵列天气雷达的关键技术之一：数字波束形成（DBF）。在介绍DBF基本原理的基础上，阐述它在天气雷达研制过程中需要解决的问题，并给出了该体制雷达对实际气象目标的探测效果。
1 DBF基本原理
数字阵列雷达的设备组成和信号处理流程[1⁃4]如图1所示。
图1 数字阵列雷达设备组成和信号处理流程
DBF是采用数字信号处理的方法，对某一方向的入射信号，补偿由于传感器在空间位置不同而引起传播路程差所带来的相位差，实现该方向回波的同相叠加，从而实现该方向回波最大能量接收。完成某一方向的波束形成，也就完成了该方向的空间滤波。由于DBF通过计算实现，因此所形成的波束也称计算波束。
在工程上，数字波束形成的原理表达式为：
[B（k）=n=0N-1X（n）*C（n）*W（n）*Sk（n）]
其中，[n=0，1，2，…，N-1]为阵元序列；[k=0，1，2，…，K-1]为需要形成的波束序列。式中各乘积因子的含义：[X（n）]为阵元接收到的复信号；[C（n）]为通道校正因子；[W（n）]为加窗系数；[Sk（n）]为第[k]个波束的理想指向系数。可见，数字波束形成就是完成复数乘法累加运算，为积分的数字化形式，改变一组系数[Sk，]相当于改变一次天线阵面的形状，从而也就改变波束指向[5⁃9]。图2为一维均匀线阵数字波束形成仿真结果，设置阵元数目为128个，同时形成14个接收波束，加-40 dB切比雪夫权。
图2 一维均匀线阵数字波束形成仿真结果
2 工程设计
在工程设计DBF时，主要考虑以下问题：系统组成、阵面发射校正和接收校正、发射相位码计算、接收权系数计算、FPGA和DSP的任务分配等，下面对这几个问题进行阐述。
2.1 系统组成
数字波束形成采用数字信号处理的方法形成波束，因此在系统上划归为信号处理，完成数字波束形成任务的插件位于信号处理分机中。数字阵列天气雷达信号处理分机插件布局示意图如图3所示，工作原理为：
（1） DBF插件通过光纤传输控制字给阵面DAM，同时接收DAM下传的数字I/Q信号；
（2） DBF插件通过乘法累加运算完成接收数字波束形成，通过上传发射相位码给DAM，通过DAM中的DDS控制辐射电磁波的初始相位，完成发射数字波束形成；
（3） DBF插件将形成的接收数字波束通过数据交换插件传给DSP插件，由DSP插件完成脉冲压缩、滤波和参数估计等任务；
（4） 定时接口插件产生雷达系统所需要的时序，同时生成控制字送给数据交换插件，数据交换插件根据控制字实时重构各插件之间的高速数据通路，实现插件间指令流和数据流的传输；
（5） 零槽计算机为系统计算机，完成对插件管理、与监控和终端之间进行网络通信等；
（6） 分机有两块电源，互为备份，构成热冗余，提高分机的可靠性。
图3 信号处理分机插件布局示意图
2.2 阵列天线校正
数字阵列雷达属于有源相控阵雷达，有源器件的使用，会给通道引入误差，该误差在每次开机时均不同，但在工作期间其值随时间变化很小；天线加工过程中也会引入误差。这些误差会导致通道间的幅相不一致，通道间幅相不一致会使形成的波束指向与加权系数和发射相位不匹配，引起波束副瓣电平抬高，降低雷达的测量精度甚至测量错误，因此在数字波束形成前要对雷达进行通道校正。
通道校正分为接收校正和发射校正，二者都是为了修正信号传输通路中幅相不一致的影响，使相同信号经过所有的传输通道后具有相同的输出。不管接收校正还是发射校正，工程上均可以通过内校和外校来实现，所谓内校是修正通道的有源部分，外校是修正通道的无源部分。由于无源部分的误差是恒定的，不随时间变化，因此只需要通过一次外校和一次内校将其计算得到，保存下来即可。以后每次开机进行全通道校正时，在内校的基础上加上保存的无源部分的误差，就可以将校正网络和实际回波路径之间的差异修正掉，得到正常通道的校正值。
为了保持发射幅度的一致性，雷达发射时往往对每个单元进行满幅度激励，因此发射校正只需要考虑校正相位，不需要考虑校正幅度。计算发射校正相位时，可以选择某一单元的相位作为参考，也可以选择一个固定值作为参考，例如选0。当选择0值作参考时，将采集到的每个单元的发射校正数据的相位取反即可。
对于接收校正，和发射校正类似，也是既可以选择某一个单元的值作为参考，也可以选择一个固定值作为参考，选择固定值作为参考的好处是可以避免参考单元坏掉的情况。如果选择某一单元作参考，当接收到的测试信号为：
[xi=aiejθi=Ii+jQi]
式中：[i=0，1，2，…，N-1]为阵元编号。假如选择[x0]作参考单元，则接收校正系数为：
[Ci=x0xi=x0x*ixix*i=x0x*ixi2]
当选择一个固定值作参考时，公式推导类似。
2.3 数字波束形成
数字波束形成的硬件平台为基于CPCI的通用DBF插件，考虑到阵面规模（128个单元）不是很大，一块DBF板就可以完成任务，实现对高速采样数据的多接收波束形成。通用DBF插件为FPGA+DSP架构，FPGA完成定点乘法累加计算、与阵面和数据交换插件进行数据通信，另外兼顾和系统计算机之间进行CPCI总线通信；DSP为板卡的辅处理器，主要完成收发校正系数计算、根据控制指令更新DBF加权系数、产生测试数据等[10]。图4为DBF插件原理框图，图5为数字波束形成逻辑结构图，需要注意的是，由于FPGA乘法器的运行速度比数据采样速率高很多，为了节省资源，可以对乘法器进行时分复用，即一套乘法器形成多个接收波束，通过循环乘法累加的方式得到结果。
图4 通用DBF插件原理框图
2.4 调试过程
DBF虽然算法原理简单，但调试时有很多困难，原因主要有以下几个方面：
（1） 需要处理的是高速数据，而且实时性较强。对于阵面送下来的数字I/Q，需要在每个距离单元上形成多个接收波束，也就是说要对同一距离单元所有阵元的采样数据做多组乘法累加运算，运算量大。这对乘法器数量有限的FPGA来说，需要时分复用乘法器，增加了设计难度。
图5 数字波束形成逻辑结构图
（2） 数字波束形成一般通过FPGA实现，原因是FPGA做乘法有较高的并行度，但FPGA设计时需要考虑时序，因此设计时软件bug隐藏比较深，不易查找，另外还存在仿真难度大、工程编译时间长等困难。
（3） DBF插件在整个雷达中起承上启下的作用，对上要控制阵面、接收阵面回波，对下要向信号处理输出合成后的波束数据，这就要求DBF插件在形成波束的同时，还要承担大量的接口任务。一旦出现问题，不管是计算错误、传输错误还是控制错误，都要从DBF节点采集数据进行分析，因此导致参与联试时间长。
为了减小上述问题的影响，在设计DBF时，就要全面考虑、做好模块测试工作和板卡BITE，尽量多留观察节点，并将节点数据送至监控界面显示，这样便于快速定位问题。一旦出现问题可以运行测试数据，逐一将节点数据和Matlab结果比对，顺序排查。
图6是数字波束形成自检画面。
图6 DBF自检
图7是单波束观测气象目标结果（速度场）。
图8是同时观测14个波束的结果（仰角分层）。
图7 单波束观测气象目标结果（速度场）
图8 14个波束观测气象目标结果（仰角分层）
3 结 语
数字阵列雷达是先进的雷达技术体制，将其应用于天气探测，可以同时获取不同高度层的气象数据，使得对天气的观测更加精细，为后续气象产品反演提供更好的技术手段。本文在给出数字波束形成基本原理的基础上，对工程设计问题进行了阐述，并给出了对实际气象目标的探测效果。
参考文献
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