數(shù)字陣列實(shí)時(shí)信號(hào)處理在船舶通信中的應(yīng)用分析

歐陽軼 李菁 李楊 中國船舶重工集團(tuán)有限公司第七二二研究所

引言：社會(huì)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展以及科學(xué)技術(shù)的不斷創(chuàng)新與應(yīng)用促進(jìn)了我國航海事業(yè)的進(jìn)步與發(fā)展。雷達(dá)作為船舶通信體系中的重要組成部分，是保證船舶海上穩(wěn)定與安全運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)船舶信息有效溝通的關(guān)鍵。而在航海事業(yè)進(jìn)步與發(fā)展的同時(shí)，不同類型通信設(shè)備被應(yīng)用到船舶設(shè)計(jì)中，在一定程度上增強(qiáng)了海上電磁干擾性，對(duì)船舶通信提出了更高要求。對(duì)此，為降低干擾信號(hào)的影響，將數(shù)字列陣實(shí)時(shí)信號(hào)處理技術(shù)應(yīng)用與雷達(dá)通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)中可有效提升系統(tǒng)抗干擾能力。對(duì)此，加強(qiáng)數(shù)字列陣實(shí)時(shí)信號(hào)處理在船舶通信中應(yīng)用的研究具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

1 數(shù)字陣列實(shí)時(shí)信號(hào)處理在船舶通信中的應(yīng)用原理

1.1 船舶通信中數(shù)字列陣?yán)走_(dá)基本原理

雷達(dá)是船舶通信系統(tǒng)中的重要組成部分，通過利用電磁波探測設(shè)備向探測目標(biāo)發(fā)出電磁波并進(jìn)行回波收集，根據(jù)電磁波反饋信息，獲取目標(biāo)距離、位置變化情況等信息，實(shí)現(xiàn)船舶通信。因此，提升船舶通信系統(tǒng)抗電磁波信號(hào)干擾能力至關(guān)重要。而基于數(shù)字列陣下的船舶雷達(dá)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用，可有效滿足上述需求，降低電磁波干擾信號(hào)對(duì)船舶通信的影響。通常情況下，數(shù)字列陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)主要由列陣天線模塊、數(shù)字列陣實(shí)時(shí)信號(hào)處理模塊共同構(gòu)成。其中船舶雷達(dá)通信系統(tǒng)數(shù)字列陣時(shí)信號(hào)處理模塊的信號(hào)列陣，可分為“數(shù)字陣列”與“模擬陣列”兩種形式。數(shù)字陣列（DAU）主要由數(shù)字T/R組件、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)（包括N-Rx組建通道、時(shí)鐘、Tx波形等）、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)（DBF處理設(shè)備、波形發(fā)生器等）共同組成。其主要工作原理為：當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)后（處于發(fā)射模式）船舶雷達(dá)信號(hào)處理系統(tǒng)將對(duì)獲取一定的發(fā)射波束相位與掃描范圍并經(jīng)由數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)預(yù)設(shè)相位與發(fā)射波束掃描范圍的產(chǎn)生，并在上變頻以及相關(guān)裝置的作用下進(jìn)行信號(hào)發(fā)出實(shí)現(xiàn)信號(hào)合成。此外，在接收器、下變頻、信號(hào)處理器等的作用下，實(shí)現(xiàn)信號(hào)處理確定目標(biāo)，掌握目標(biāo)運(yùn)行情況。

1.2 陣列天線處理基礎(chǔ)理論

在船舶數(shù)字列陣?yán)走_(dá)通信系統(tǒng)中，多數(shù)信號(hào)的處理是應(yīng)用通過數(shù)字列陣進(jìn)行具體體現(xiàn)的（波束合成除外）?；诖?，在應(yīng)用數(shù)字列陣實(shí)施信號(hào)處理技術(shù)時(shí)需對(duì)列陣天線處理的基本理論具有充分的掌握與了解。一般情況下，列陣天線的組成結(jié)構(gòu)主要可分為“平面陣結(jié)構(gòu)”與“直線陣結(jié)構(gòu)”兩種形式。例如，圖1所表示的結(jié)構(gòu)則為一維直線陣結(jié)構(gòu)，在該結(jié)構(gòu)中字母N代表天線陣元的總體數(shù)量，字母d主要代表著陣元與陣元之間的間距。當(dāng)明確單元相對(duì)進(jìn)步相位與電流幅值時(shí)，可依據(jù)有關(guān)公式對(duì)直線陣結(jié)構(gòu)輻射情況具有一定的認(rèn)知與掌握，包括天線輻射值的最值位置、旁瓣值最值位置等等。

圖1 直線陣結(jié)構(gòu)

如圖2所示的二維平面陣結(jié)構(gòu)則是基于直線陣結(jié)構(gòu)上的延伸結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)通常由多個(gè)天線單元共同組成，通過科學(xué)布設(shè)各天線單元之間的縱向與橫向位置，可建立數(shù)字計(jì)算模型，通過模型計(jì)算與分析對(duì)陣列天線的幅度、相位值等具有全面、準(zhǔn)確的掌握與了解。在此基礎(chǔ)上根據(jù)實(shí)際情況與需求，可進(jìn)行數(shù)字陣列波束自適應(yīng)能力的調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)字列陣的科學(xué)設(shè)計(jì)，保證數(shù)字列陣實(shí)時(shí)信號(hào)處理技術(shù)在船舶通信中應(yīng)用的科學(xué)性與合理性，提升船舶通信系統(tǒng)整體性能與科學(xué)水平。

圖2 平面陣結(jié)構(gòu)

2 數(shù)字陣列實(shí)時(shí)信號(hào)處理在船舶通信中的應(yīng)用設(shè)計(jì)

基于數(shù)字陣列實(shí)時(shí)信號(hào)處理在船舶通信中的應(yīng)用原理，結(jié)合船舶運(yùn)行實(shí)際情況與需求，設(shè)計(jì)一種圓柱超短波相控天線陣列，用以進(jìn)行通信系統(tǒng)自適應(yīng)能力的提升，保障船舶通信質(zhì)量與效率。在此過程中將船舶通信系統(tǒng)原有的套筒偶極子結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改造，實(shí)現(xiàn)套筒偶極子和雙錐天線的有機(jī)結(jié)合，構(gòu)成全新的套筒偶極子天線結(jié)構(gòu)，用以保證天線結(jié)構(gòu)對(duì)艦載通信需求的有效滿足。與此同時(shí)，由于圓柱陣具有良好的對(duì)稱性，可在一定程度上提升波束方向的穩(wěn)定性。而通過數(shù)字陣列實(shí)時(shí)信號(hào)處理技術(shù)應(yīng)用的性能仿真實(shí)驗(yàn)，表示圓柱超短波相控天線陣列的設(shè)計(jì)與應(yīng)用取得了一定增益成效，例如，當(dāng)頻率在300Hz時(shí)，增益了2.99dBi。

3 結(jié)論

綜上所述，數(shù)字列陣實(shí)時(shí)信號(hào)處理在船舶通信中的有效應(yīng)用，對(duì)提升船舶通信系統(tǒng)整體的自適應(yīng)能力具有積極影響作用。本文從數(shù)字列陣實(shí)時(shí)信號(hào)處理技術(shù)的基礎(chǔ)理論出發(fā)，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)利用圓柱形陣列組織結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)出了艦載超短波相控天線陣列并將其應(yīng)用于船舶通信系統(tǒng)中，有效提升了系統(tǒng)電磁信號(hào)抗干擾能力，保證船舶通信的穩(wěn)定與安全。