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數字波束成形(DBF)相控陣雷達技術

測速雷達依據多普勒效應對運動的車輛進行速度測量,發射端發出微波/毫米波的連續波,該連續波遇到目標會產生反射,反射信號的頻率與目標的速度和方向都有固定的關系,依據這一關系,通過檢測反射信號的頻率就可以測出目標的運動速度和方向。

f ' = f * [(c+v)/(c-v)

頻率的檢測通過數字信號處理來實現,就是對接收到的信號進行數字化,數字化后進行離散傅里葉變換就可以得到信號的頻率值。

目前的民用測速雷達產品基本上采用單天線連續波雷達技術,要么只能對單一車道進行測速,要么對多車道測速時不能精確區分測出的速度究竟是哪個車道的車輛的。


相控陣技術是廣泛用于軍用雷達的一種先進技術,數字波束成形技術也是近年來軍用相控陣雷達方面研究較多的一種先進技術。它采用大規模天線陣列和高強度的數字信號處理技術來滿足軍用雷達的各種苛刻要求,具有提高低徑向速度目標探測能力、提高雷達的空域覆蓋性能、在復雜地形環境下的目標探測性能好等一系列優點。但由于該技術復雜度高、成本也高,目前在民用雷達產品中實際應用極少。
數字波束成形(Digital Beam Forming—DBF)技術也是伴隨著相控陣天線技術發展而發展起來的技術,由于早期軍用天線單元數目多,需要處理的數字信號數量非常龐大,因而計算起來需要的成本很高。近期隨著數字處理技術 DSP、FPGA 的快速發展,運算能力有了飛速的提高,再加之通信系統中智能天線的快速發展,天線單元數也變得不再像軍用雷達有那么多,使 DBF 也快速發展起來,得到了越來越多的應用。


本公司將平板相控陣天線技術和數字波束成形(Digital Beam Forming—DBF)技術等先進技術有機的結合在一起,優化成低成本高可靠性的名用產品,實現了民用雷達產品的升級換代。


利用數個平板天線對目標反射的雷達信號進行接收,在數字域通過對不同天線接收的信號進行幅度和相位加權然后進行合成,形成多個波束,每個波束對應一個車道,對每個波束的信號進行處理就可以得到每個波束對應車道的目標信息。


多個信號的波束成形采用數字波束成形(Digital Beam Forming—DBF)技術,就是將每個天線接收的信號混頻后進行數字采樣,濾波后進行相位偏移和幅度加權,然后分別進行合成,就可以針對每個車道分別合成一個信號,這個信號就相當于是對應一個車道的波束信號。其具體原理是:

假設接收天線為N陣元均勻直線陣,目標的來波方向為θ,第k個波束指向為θk,相鄰陣元間距為 d,信號波長為 λ,且各陣元都是各向同性的,對 k 陣元的加權分別為 w1k,w2k...wnk,信號是窄帶信號。xi 表示第 i 單元的接收信號經過 A/D 變換和正交解調后的復數字信號。加權系數 wik=aiexp(-jΔΦk),其中,ΔΦk=(2π/λd)* sin(θk)表示相位偏移值,ai 表示幅度加權值,進行相位偏移和幅度加權后并對各陣列的輸出信號相加,即可得:

對上式求幅度,就可以得到第 k 個波束的天線方向圖函數,采用不同的加權系數 wik 序列,就可以得到多個方向圖函數,每個方向圖函數是對應一定方位的單波束圖形,并行處理算法可以保證這些波束是同時工作的。簡單地講,數字波束成形器就是一個乘加器,其結構框圖如下:

最后達到的效果如下圖所示:


從上圖中可以看出,利用很少數目的天線就可以形成三個或更多的波束,每個波束對準一個車道就可以同時對多個車道進行目標信息測量,也就是用較少的天線和接收通道達到多個天線和接收通道的作用,充分利用了每個天線通道收到的信息。