一種大型分布式陣列雷達頻率與相位同步

(中國電子科技集團公司第三十八研究所,安徽合肥230088)

一種大型分布式陣列雷達頻率與相位同步

方立軍,馬 駿,柳 勇,吉宗海,張 焱,郭雪鋒

(中國電子科技集團公司第三十八研究所,安徽合肥230088)

分布式數(shù)字陣列雷達由于其優(yōu)良的探測性能,是現(xiàn)代預(yù)警探測領(lǐng)域未來發(fā)展方向之一,為獲得分布式和數(shù)字陣列體制融合應(yīng)用的理想探測得益,雷達頻率源系統(tǒng)設(shè)計范疇已超越了傳統(tǒng)頻率合成器的概念,相距幾十公里預(yù)警探測雷達收發(fā)系統(tǒng)頻率源必須實現(xiàn)遠程相參、同步。詳細介紹了頻率源系統(tǒng)設(shè)計,該頻率源由頻率合成器、微波光電傳輸與數(shù)字陣列單元(DAM)本振時鐘分配三部分組成,其中遠程微波光電低相噪傳輸是設(shè)計重點,文中最后給出了實驗數(shù)據(jù)和研制結(jié)果。

分布式;頻率源;微波光電;數(shù)字陣列

0 引言

隨著雷達技術(shù)的發(fā)展,雷達頻率源系統(tǒng)設(shè)計范疇已超越了傳統(tǒng)頻率合成器的概念,如多基地、分布式雷達時間與相位同步,近程雜波的相關(guān)對消,數(shù)字陣列雷達的噪聲合成等。為獲得分布式雷達理想的探測性能,分布式收發(fā)站之間必須實現(xiàn)良好的相位同步,分布式雷達收發(fā)站之間距離較遠,可達幾十公里,傳統(tǒng)的有線微波鏈路傳輸損耗極大,幾十公里的損耗達幾千分貝,幾乎無法實現(xiàn)基準(zhǔn)信號的傳輸與同步。實現(xiàn)分布式之間相位同步目前主要有4種方式:(1)微波信道發(fā)送頻率與相位同步的校準(zhǔn)脈沖;(2)利用導(dǎo)航衛(wèi)星(如GPS、北斗導(dǎo)航)的時間基準(zhǔn)進行頻率與相位同步;(3)采用鎖相接收機對基準(zhǔn)信號頻率與相位進行遠程鎖定;(4)遠程微波光電傳輸實現(xiàn)雙站之間頻率與相位同步。這四種方案中,微波光電傳輸技術(shù)的同步帶寬最大,相參性能最優(yōu)[1]。

本文涉及的雷達為某S波段分布式遠程預(yù)警雷達,其中接收站為主站,發(fā)射站為輔站,收發(fā)站之間距離約為50 km。由于該數(shù)字陣列雷達為地面固定式系統(tǒng),雜波主要來源于時間相關(guān)性較強的近程地雜波,因此采用了相位噪聲相關(guān)性設(shè)計,如數(shù)字陣列雷達為機載雷達,雜波主要來源于時間相關(guān)性較差的遠程地雜波,該頻率源系統(tǒng)將采用分布式噪聲去相關(guān)設(shè)計,該技術(shù)將另文討論。為獲得系統(tǒng)優(yōu)良信噪比和動目標(biāo)檢測特性,系統(tǒng)頻率源采用低相噪頻率合成技術(shù),同時為實現(xiàn)雷達系統(tǒng)收發(fā)站之間最大的系統(tǒng)相位相參性,方案采用微波光電傳輸技術(shù)實現(xiàn)超遠程相位同步[2]。

1 系統(tǒng)設(shè)計

該雷達為地面固定式大型數(shù)字陣列遠程預(yù)警雷達,其雜波主要來源于近程地物雜波,其固定回波近載頻相位噪聲與系統(tǒng)信號近載頻相位噪聲存在較大的時間相關(guān)特性,因此系統(tǒng)頻率源方案采用集中式頻率源體制。收發(fā)站均為地面站,兩站之間距離較遠,微波路徑遮擋嚴(yán)重,難以采用微波鎖相接收實現(xiàn)兩地同步,而利用導(dǎo)航衛(wèi)星(如GPS、北斗導(dǎo)航)進行頻率與相位同步帶寬過窄,難以滿足系統(tǒng)寬帶相參的要求,且對導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)有強依賴性,不宜采用,因此方案采用遠程微波光電技術(shù)實現(xiàn)異地相位同步、噪聲相參。該雷達為超遠程預(yù)警系統(tǒng),采用大型數(shù)字陣列體制,接收和反射天線均有近萬個數(shù)字陣列組成,天線大而復(fù)雜,每16個接收單元組成1個RDAM,每16個發(fā)射單元組成1個TDAM。接收站為雷達主站,其主工作艙與大型接收陣列天線之間距離等效約百米,且電磁環(huán)境復(fù)雜,因此,安置于主工作艙的頻率合成器與接收天線之間也采用微波光電技術(shù)實現(xiàn)本振與時鐘的傳輸,系統(tǒng)頻率源方案框圖如圖1所示[3]。

圖1 雙基地數(shù)字陣列雷達頻率源系統(tǒng)

雷達主艙與接收天線設(shè)計傳輸距離設(shè)計為200 m,雷達主艙與發(fā)射天線設(shè)計距離為50 km,均采用單模野戰(zhàn)光纜。

2 頻率合成

該雷達為大型數(shù)字陣列雷達,由上萬個數(shù)字收發(fā)單元組成,為簡化系統(tǒng)設(shè)備量,系統(tǒng)收發(fā)微波鏈路采用一次變頻。為適應(yīng)多帶寬模式、商用化波形產(chǎn)生器DDS及ADC數(shù)字采樣,收發(fā)單元采用不同的采樣時鐘。本振頻率為S波段,頻率覆蓋范圍為400 MHz,最小步進為5 MHz,采用模擬直接頻率合成,滿足跳頻時間小于5μs,以適應(yīng)捷變頻抗干擾和頻率分集。系統(tǒng)各類時鐘采用數(shù)字鎖相合成,實現(xiàn)在任意狀態(tài)下時鐘同步且相位關(guān)系一致,保證系統(tǒng)多通道數(shù)據(jù)的穩(wěn)定。頻率合成器方案框圖如圖2所示。

圖2 頻率合成器實現(xiàn)框圖

3 光電傳輸與網(wǎng)絡(luò)分配

微波光子學(xué)是一項被認(rèn)為對雷達系統(tǒng)產(chǎn)生重大影響的新技術(shù)領(lǐng)域,其中光電技術(shù)在射頻傳輸中將具有巨大的應(yīng)用前景,主要優(yōu)點是:具有超遠程的傳輸能力;無電磁泄漏,不易被截獲和干擾,強電、雷擊等不會影響光纖的傳輸性能,甚至在核輻射的環(huán)境中,光纖傳輸仍能正常進行;體積小重量輕易集成;對振動不敏感,易于多路信號間相位的穩(wěn)定。高性能的射頻光電傳輸在某些領(lǐng)域?qū)⑻娲鷤鹘y(tǒng)的同軸電纜,成為陣列雷達、多基地雷達、遠程無人值守雷達以及稀布陣?yán)走_傳輸本振及時鐘的優(yōu)選方案?；镜纳漕l光電傳輸系統(tǒng)由光調(diào)制器、光纖、光解調(diào)器三部分組成,為實現(xiàn)超遠程和多路傳輸,鏈路還常常包括光隔離器、光波復(fù)用器、光分路器、光放大器等。

微波光電傳輸與接收的主要難點是噪聲、增益及動態(tài)的控制,其中微波光電鏈路增益與激光器轉(zhuǎn)換效率、光纖的損耗、探測器轉(zhuǎn)換效率、激光器和探測器阻抗及鏈路負載有關(guān);噪聲主要包括熱噪聲、相對強度噪聲和散粒噪聲,鏈路有光放大器時還存在放大器噪聲。光鏈路下電模型的建立,是光電傳輸系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵,目前我們已完成這方面的研究,該技術(shù)已應(yīng)用于基于無源定位的機場綜合監(jiān)視雷達接收機。

為保證50 km遠距離復(fù)合時鐘(同步時鐘和DDS時鐘)之間的相位同步性,采用同一光電鏈路進行傳輸,即不同載頻由同一光波長進行調(diào)制,用單光纖進行傳輸,在接收端,用同一光波長進行解調(diào)接收。

對于上萬個單元大型數(shù)字陣列雷達,陣面上本振與時鐘的分配是繁雜的,主要涉及相位一致性和穩(wěn)定性、各路之間的高隔離、連接電纜的數(shù)量等。本振采用多級分配放大,提高路路之間隔離;同步時鐘和采樣時鐘(或DDS時鐘)采用合并傳輸,以減少射頻電纜的數(shù)量,在RDAM(或TDAM)內(nèi)再由雙工濾波器進行分離,濾波器的相位不穩(wěn)定性是時鐘路路間相位不穩(wěn)定性的主要因素。濾波器之間相位特性主要有相位不一致性和相位不穩(wěn)定性,其中一定范圍內(nèi)的相位不一致性可以采用多通道之間幅相校準(zhǔn)進行定標(biāo),而相位不穩(wěn)定將影響校準(zhǔn)的頻率和效果,是設(shè)計的重點。產(chǎn)生濾波器之間的相位不穩(wěn)定性主要是濾波器延時特性對溫度的敏感性造成的,通過實驗研究,發(fā)現(xiàn)較高頻率的采樣時鐘(DDS時鐘)采用介質(zhì)濾波器,低頻率的同步時鐘采用集總參數(shù)LC濾波器是較好的選擇,發(fā)射陣本振與時鐘實現(xiàn)框圖如圖3所示。

接收陣本振與時鐘實現(xiàn)框圖與圖3相同。該方案的優(yōu)點是路徑傳輸相位一致性好,光元件相對較少,成本低;缺點是需要較多數(shù)量的射頻濾波器,同時對光調(diào)制解調(diào)器線性度要求較高,否則會產(chǎn)生較大的多載頻互調(diào)干擾。

4 研制結(jié)果

頻率源系統(tǒng)已完成了樣機研制和雷達整機實驗[4],效果良好。其相位噪聲、雜波抑制、多路之間相位一致性如下:

圖3 發(fā)射陣本振、時鐘光電傳輸實現(xiàn)框圖

(1)相位噪聲

頻率合成器本振相位噪聲:-122 d Bc/Hz@1k Hz,-127d Bc/Hz@100k Hz,-145dBc/Hz@1MHz,如圖4所示。

雜波抑制:65 d Bc

微波光電遠程傳輸后相位噪聲:-121d Bc/Hz@1k Hz,-126dBc/Hz@1k Hz,-140d Bc/Hz@1MHz,如圖5所示。

雜波抑制:65 d Bc

(2)多路之間幅相穩(wěn)定性與隔離度

該遠程傳輸本振和時鐘任意之間具有極高的幅度和相位穩(wěn)定性,路路之間隔離度較高,滿足接收通道之間的相互隔離度的要求。工作穩(wěn)定后半小時內(nèi)幅相穩(wěn)定性和隔離度如表1所示。

(3)多時鐘交調(diào)

同步時鐘和采樣時鐘(或DDS時鐘)在同一個光電調(diào)制器上進行多載頻調(diào)制和接收,同一個光纖進行傳輸,有利于多時鐘相位的高度一致性,但多載頻射頻信號在光調(diào)制解調(diào)器內(nèi)會產(chǎn)生互調(diào)干擾,要求調(diào)制器有較好的線性度,通過調(diào)整激光功率和合適的接口電平,交調(diào)分量可控制在-60dBc以下。

5 結(jié)束語

圖4 合成器本振相位噪聲

圖5 本振光電遠程傳輸后相位噪聲

表1 微波光電傳輸任兩路之間幅相穩(wěn)定性與隔離度

隨著雷達技術(shù)的發(fā)展,雷達頻率源系統(tǒng)設(shè)計范疇已遠遠超越了傳統(tǒng)頻率合成器的概念,如多基地、分布式雷達時間與相位同步,近程雜波的相關(guān)對消,數(shù)字陣列雷達的噪聲合成等。設(shè)計不僅僅關(guān)注各自頻譜純度和相位噪聲,而需要關(guān)注多站之間時間與相位同步,以及本振、時鐘的相位噪聲組成結(jié)構(gòu)與相互之間的相關(guān)性[5-6]。本文利用微波光電技術(shù)實現(xiàn)超低相位噪聲本振與時鐘的超遠程傳輸,使收發(fā)站之間實現(xiàn)良好的寬帶相參,同時實現(xiàn)超低相位噪聲。隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展,特別是光電元件的發(fā)展和成本的降低,微波光電技術(shù)在未來的雷達領(lǐng)域?qū)⒂懈鼜V泛的發(fā)展前景。

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Frequency and Phase Coherence in Large Distributed Digital Array Radar

FANG Lijun,MA Jun,LIU Yong,JI Zonghai,ZHANG Yan,GUO Xuefeng

(The38th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation,Hefei230088,China)

Because of superior detection capability,distributed digital array radar is one development direction of early warning detection in the future.In order to get the ideal detection gain of the distributed digital array,the design of its frequency source system is different from the traditional frequency synthesizer.The frequency sources in the transmit station and the receive station of the early warning radar are separated tens of kilometers.They must be designed to be phase coherent and synchronous through long distance.The design of the frequency source system is introduced clearly.The frequency source is composed of frequency synthesizer,microwave photonic transmission device and digital array module LO distributor.Long distance microwave photonic low phase noise transmission is the most important.At last,the experiment data and development results are given.

distributed;frequency source;microwave photonics;digital array radar

TN958

A

1672-2337(2017)01-0085-04

10.3969/j.issn.1672-2337.2017.01.015

2016-08-18;

2016-10-24

總裝預(yù)研基金(No.51307060701)

方立軍男,1969年生,中國電子科技集團公司第三十八研究所研究員,主要從事頻率合成器及雷達接收機研究工作,發(fā)表論文近50篇,獲專利8項,國防科技進步一、二等獎7項。E-mail:38_flj@163.com