由于相干信號數字化以及處理技術的限制，早期的多波束雷達采用的是模擬波束形成。然而，隨著ADC的快速發展，對多個單元或通道的數據進行處理變成了可能。作為系統工程方法的一部分，確定用于形成和控制這些多波束的相干處理器的大小是至關重要的。下圖分析了數字多波束形成器的工作原理。

多波束數字處理流程圖

陣列結構可以采取多種形式。最常見的是矩形陣面，兩個維度上的陣元都是均勻分布的。其他的結構包括柱面陣列、共形陣列和非均勻陣列。前端組件包括寬帶接收器(每個陣元一個)和帶寬為B、動態范圍為Nbit的ADC。

對于I/Q信號的模擬下變頻，每通道兩個帶寬為B的ADC;對于數字下變頻，每通道一個帶寬為2B的ADC。每個輻射單元可能包含多個模擬接收和發射電路，并將合成后的模擬接收信號輸入子陣。對于此操作計算量的估計，考慮陣列結構為均勻的二維陣列，每個陣元包含一個接收器。

具有N個陣元(N能被4整除)的均勻線性陣列，可以通過直接傅里葉變換(DFT)進行N個波束的形成，而不需要進行N^2/4次復乘和N^2次復數加法。

為了利用DFT算法在方位和俯仰上形成間隔相同的多波束，對縱列進行俯仰DFT計算，實現對俯仰波束的預加權和掃描。俯仰波束已經被預加權，將其轉換至方位方向，從而形成N個波束。

在一個方形陣列中，每個維度都有N個陣元，N能被4整除，進行預加權和轉向所需的復數權重需要進行N^2次乘法求得。此外，還需N^2/4次復乘進行縱向波束形成，N/4次復乘進行方位波束指向。處理單波束的總計算量為： 處理K個波束需要進行的復乘次數為：

需要指出的是，如果每個方位波束具有相同的俯仰角，那么復乘的次數將減少。下表總結了，對于一個5MHz的采樣信號，16x16陣列和64x64陣列的復乘和復數加法的計算量。隨著寬帶ADC采樣率的增加，復數乘法和加法的計算量將成比例的增加。

不同陣列的計算量對比

如果兩個維度的陣元數量都是二進制數，那么可以采用效率更高的FFT算法。在這種情況下，2^n階的FFT需要進行N*log2(N)次復數加法和u*(N/2)*log2(N)次復數乘法，其中u是比1小的因子，典型值為1/3。

相較于DFT，該方法減少了計算量。然而，該方法需要與DFT相同數量的復數乘法進行預加權和均衡。最重要的一點是，FFT算法能夠通過相移進行波束轉向。

審核編輯：湯梓紅