基于數(shù)字波束形成技術(shù)的二次雷達(dá)系統(tǒng)

陳 偉（四川九洲空管科技有限責(zé)任公司，四川 綿陽 621000）

基于數(shù)字波束形成技術(shù)的二次雷達(dá)系統(tǒng)

陳 偉
（四川九洲空管科技有限責(zé)任公司，四川 綿陽 621000）

隨著計(jì)算機(jī)、集成電路技術(shù)、高速信號傳輸技術(shù)的進(jìn)步，數(shù)字波束形成技術(shù)開始應(yīng)用于相控陣?yán)走_(dá)。提出了數(shù)字陣二次雷達(dá)是基于數(shù)字T/R組件、高速信號傳輸、數(shù)字信號處理等構(gòu)成的系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)瞬時多波束及實(shí)時自適應(yīng)處理，具有目標(biāo)跟蹤、遠(yuǎn)作用距離、快速識別目標(biāo)以及同時完成目標(biāo)搜索、識別、捕獲和跟蹤等功能。

高速信號傳輸技術(shù)；數(shù)字波束形成；數(shù)字發(fā)射/接收組件

0 引言

隨著計(jì)算機(jī)、集成電路技術(shù)、高速信號傳輸技術(shù)的進(jìn)步，數(shù)字波束形成技術(shù)開始應(yīng)用于相控陣?yán)走_(dá)，這促進(jìn)了相控陣?yán)走_(dá)技術(shù)的發(fā)展，使相控陣?yán)走_(dá)數(shù)字化程度及自適應(yīng)能力有了新的提高，它將相控陣天線理論與雷達(dá)信號處理結(jié)合在一起，可充分發(fā)揮相控陣?yán)走_(dá)天線具有的空域?yàn)V波能力，比較方便地實(shí)現(xiàn)波束零點(diǎn)控制、空-時自適應(yīng)信號處理，帶來了提高相控陣?yán)走_(dá)天線性能新的潛力［1］。

數(shù)字波束形成技術(shù)［2］應(yīng)用于相控陣發(fā)射天線波束的形成，這主要是指通過數(shù)字方式產(chǎn)生發(fā)射激勵信號與控制相控陣發(fā)射天線陣面口徑的照射函數(shù)，即用數(shù)字方式產(chǎn)生陣面各天線單元激勵電流的幅度與相位分布。除了數(shù)字集成電路外，模擬電路、微波集成電路技術(shù)的進(jìn)步是發(fā)射數(shù)字波束形成的技術(shù)推動因素。數(shù)字波束形成技術(shù)應(yīng)用于相控陣接收天線波束的形成則是通過將天線陣子的天線信號數(shù)字化［3］，將其送入多波束形成網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)波束指向和副瓣電平的要求等因素采取相應(yīng)的加權(quán)數(shù)字處理，形成所需要的多個接收波束。高速信號傳輸、大規(guī)模數(shù)字集成電路的發(fā)展使得接收數(shù)字波束形成成為可能。

數(shù)字陣二次雷達(dá)是基于數(shù)字波束形成技術(shù)，采用數(shù)字發(fā)射/接收組件（數(shù)字 T/R組件），通過數(shù)字處理算法控制改變陣列天線中每個天線單元上信號的幅度和相位分布，高速改變天線波束的形狀（波瓣寬度、副瓣位置、副瓣電平、天線副瓣凹口的數(shù)目與位置）的二次雷達(dá)系統(tǒng)。本文結(jié)合數(shù)字陣和二次雷達(dá)的特點(diǎn)，對數(shù)字陣二次雷達(dá)的波束實(shí)現(xiàn)方式作了詳細(xì)的分析。

1 數(shù)字波束形成原理

下面對數(shù)字波束形成的原理和具體實(shí)現(xiàn)作一個詳細(xì)的介紹。

根據(jù)線陣?yán)碚?，考慮圖1所示N元等距離d組成的陣，當(dāng)接收與陣法線方向成θ角方向入射到陣面的平面波時，第n個陣元中的電流可寫為：

其中，A是與平面波瞬時振幅和相位相關(guān)的常數(shù)。

圖1 天線陣結(jié)構(gòu)

式（1）表明，第 n號陣元中的電流超前（n+1）號陣元中的電流的相位，其超前相位量 Δφ=kd sinθ，它相應(yīng)于平面波前到達(dá)該兩陣元的時間差為 τ，這里，τ=d sinθ/c（c為光速）。若每個陣元后面放一個控制元件，使第n號陣元激勵電流為 In=In′anejφn，式中，φn和 an分別是控制元件的相移和實(shí)際電流增益。

于是，陣的輸出則為：

式（2）中已經(jīng)忽略了常數(shù) A。

系數(shù)an陣振幅漸變，φn稱為陣相位漸變。式（2）就是熟知的陣因子。為了使陣的接收信號對θ方向有最大響應(yīng)，φn必須滿足：

式（3）表明，所要求的陣孔徑相位漸變是線性的，即相鄰陣元間有恒定的相位差。同樣，當(dāng)天線陣作發(fā)射時，若控制元件能建立起上式的相位漸變，則由所有陣元輻射的信號將在θ方向同相疊加而形成主波束，如圖2所示。

圖2 數(shù)字波束形成示意圖

2 數(shù)字波束形成具體實(shí)現(xiàn)

下面分析數(shù)字波束形成的具體實(shí)現(xiàn)過程。現(xiàn)假定單陣面有48個天線陣子，即需要對48個天線陣子進(jìn)行數(shù)字化處理。數(shù)字波束形成是根據(jù)實(shí)際的不同波束指向、副瓣電平等因素計(jì)算出對應(yīng)的加權(quán)網(wǎng)絡(luò)，通過加權(quán)因子對不同子天線的發(fā)射和接收信號做加權(quán)處理而成，由于加權(quán)因子相當(dāng)于濾波器系數(shù)，因此可將數(shù)字波束形成器等同于一個空域?yàn)V波器來實(shí)現(xiàn)，如圖3所示。由于發(fā)射和接收在實(shí)現(xiàn)過程中數(shù)字化處理基本上是一個反過程，下面只分析接收天線波束的數(shù)字波束形成。

圖3 空域?yàn)V波器的功能框圖

設(shè)陣面有 48個天線陣子，接收信號 x=［x1，x2，…x48］，xm=xmi+j xmq（m=1，2…，48），由計(jì)算機(jī)計(jì)算出的加權(quán)因子 ω=［ω1，ω2，…，ω48］，ωm=ωmi+jωmq（m=1，2…，48），則經(jīng)過空域?yàn)V波器后的輸出信號為：

通過上面的分析，對波束合成有了一個清晰的概念。數(shù)字波束形成技術(shù)可根據(jù)需要得到最佳的自適應(yīng)天線方向圖。數(shù)字波束形成接收機(jī)是采用數(shù)字技術(shù)實(shí)現(xiàn)瞬時多波束及實(shí)時自適應(yīng)處理的裝置，它在形成瞬時多波束的同時，能對干擾源自適應(yīng)調(diào)零并得到超高分辨率和超低旁瓣的性能，因而能非常有效的對付先進(jìn)的綜合性電子干擾。此外，數(shù)字波束形成的波形和閉鎖時間可以根據(jù)雜波環(huán)境要求進(jìn)行調(diào)整。

3 數(shù)字陣二次雷達(dá)的系統(tǒng)構(gòu)成

下面對數(shù)字陣二次雷達(dá)系統(tǒng)作詳細(xì)的分析。

數(shù)字陣二次雷達(dá)的系統(tǒng)構(gòu)成示意圖如圖4所示，主要由天線陣列、數(shù)字T/R組件、波束處理模塊、本振模塊、計(jì)算機(jī)構(gòu)成。

圖4 數(shù)字陣二次雷達(dá)系統(tǒng)示意圖

數(shù)字T/R組件將天線陣列接收到的射頻信號轉(zhuǎn)換成基帶I/Q數(shù)據(jù)并通過光纖傳給波束處理模塊進(jìn)行接收數(shù)字波束處理合成所需要的天線接收方向圖，同時將波束處理模塊通過光纖發(fā)送過來的發(fā)射基帶I/Q數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成射頻信號，并送給天線陣列發(fā)射出去。波束處理模塊完成發(fā)射和接收波束方向圖的加權(quán)處理。本振模塊提供本振信號給數(shù)字T/R組件。計(jì)算機(jī)則完成加權(quán)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的計(jì)算并傳送給波束處理模塊，且調(diào)度完成系統(tǒng)射頻通路的發(fā)射和接收幅相校平工作。

計(jì)算機(jī)在系統(tǒng)正常工作之前需要將射頻通路的發(fā)射和接收幅相校平，實(shí)現(xiàn)示意圖如圖5和圖6所示。

圖6 射頻通路的接收校平示意圖

假設(shè)數(shù)字陣二次雷達(dá)射頻通道和天線陣子個數(shù)為N，計(jì)算機(jī)通過將指令送給波束處理模塊，通過光纖控制射頻通道和天線陣子2K-1和2K+1依次發(fā)射，射頻通道和天線陣子 2K接收，其中 0＜K＜N/2，此時得到奇數(shù)天線陣子之間的發(fā)射幅度和相位關(guān)系。射頻通道和天線陣子2K-2和2K依次發(fā)射，射頻通道和天線陣子2K-1接收，其中 0＜K＜N/2，此時得到偶數(shù)天線陣子之間的發(fā)射幅度和相位關(guān)系。射頻通道和天線陣子2、3依次發(fā)射，射頻通道和天線陣子1接收，此時得到奇數(shù)天線陣子和偶數(shù)天線陣子之間的發(fā)射幅度和相位關(guān)系。根據(jù)確定的天線陣子間的偶合系數(shù)，最終得到所有射頻通道和天線陣子間的發(fā)射幅度和相位關(guān)系。射頻通道和天線陣子間的接收幅度和相位關(guān)系通過類似處理過程獲得，并將此天線陣子發(fā)射和接收幅度與相位關(guān)系轉(zhuǎn)換成I/Q數(shù)據(jù)存儲在計(jì)算機(jī)中，這些數(shù)據(jù)就是天線陣子的發(fā)射和接收校平值。

正常工作時波束處理模塊中的可編程邏輯陣列（FPGA）接收計(jì)算機(jī)傳送過來的天線陣子校平值并存儲，在FPGA內(nèi)部有大規(guī)模的存儲單元存儲著根據(jù)陣列天線的主瓣位置、波瓣寬度、副瓣電平等因素生成的理論加權(quán)值。

對發(fā)射來說，F(xiàn)PGA對每個天線陣子的原始發(fā)射信號經(jīng)過校平值、理論加權(quán)值兩次的復(fù)數(shù)乘法運(yùn)算形成特定的發(fā)射幅度、相位，送給數(shù)字 T/R組件后轉(zhuǎn)換成射頻信號輻射出去，在空間合成所需要的發(fā)射波束。對接收來說，F(xiàn)PGA接收數(shù)字T/R組件傳送的每個陣子單元的原始接收信號，經(jīng)過校平值、理論加權(quán)值兩次的復(fù)數(shù)乘法運(yùn)算，并將運(yùn)算后的復(fù)數(shù)信號合成起來，形成特定的接收波束。

4 結(jié)論

本數(shù)字陣二次雷達(dá)是基于數(shù)字T/R組件、高速信號傳輸、大規(guī)模數(shù)字信號處理等構(gòu)成的系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)瞬時多波束及實(shí)時自適應(yīng)處理，具有目標(biāo)跟蹤、遠(yuǎn)作用距離、快速識別目標(biāo)以及同時完成目標(biāo)搜索、識別、捕獲和跟蹤等功能。

［1］張光義.相控陣?yán)走_(dá)原理［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2009.

［2］張光義.多波束形成技術(shù)在相控陣?yán)走_(dá)中的應(yīng)用［J］.現(xiàn)代雷達(dá)，2007（8）：1-6.

［3］方繁，周浩，文必洋，等.全數(shù)字高頻雷達(dá)應(yīng)答器［J］.電子技術(shù)應(yīng)用，2014，40（10）：33-36，39.

The secondary radar based on digital beam form ing technology

Chen Wei
（Sichuan Jiuzhou Aerocont Technologies Co.，Ltd.，Mianyang 621000，China）

With the development of computer，IC and high-speed transmission technology，digital beam forming begins to be used in phased array radars.This article describes the secondary radar using digital antenna arrays based on digital T/R module，high-speed signal transmission and digital signal processing，which can achieve multiple digital beams forming and adaptive processing，and has the ability of tracking while scanning immediately.

high-speed transmission technology；digital beam forming；digital T/R module

TN958.96

A

1674-7720（2015）24-0091-03

陳偉.基于數(shù)字波束形成技術(shù)的二次雷達(dá)系統(tǒng)［J］.微型機(jī)與應(yīng)用，2015，34（24）：91-93.

2015-08-23）

陳偉（1982-），男，碩士，主要研究方向：無線通信技術(shù)、相控陣?yán)走_(dá)技術(shù)。