基于數(shù)字波束形成偵察技術(shù)研究

劉治甬 徐海洋

摘 ?要：文章分析了目前雷達(dá)偵察技術(shù)常用的多波束比幅測向和干涉儀比相測向的體制，針對復(fù)雜電磁環(huán)境下出現(xiàn)的抗干擾能力差等問題，提出采用數(shù)字波束形成技術(shù)的雷達(dá)偵察裝置設(shè)計理念，闡述了該裝置的總體設(shè)計和工作流程，對陣面波束合成及微弱信號檢測技術(shù)進(jìn)行了仿真，并分析了設(shè)計過程中面臨的陣列天線、寬帶數(shù)字波束形成、大帶寬數(shù)據(jù)傳輸?shù)汝P(guān)鍵技術(shù)。

關(guān)鍵詞：數(shù)字波束形成;雷達(dá)偵察;高靈敏度

中圖分類號：TN971 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2096-4706（2020）15-0070-04

Abstract：This paper analyzes the system of multi-beam amplitude comparison direction finding and interferometer phase comparison direction finding commonly used in radar reconnaissance technology. Aiming at the problem of poor anti-jamming ability in complex electromagnetic environment，the design concept of radar reconnaissance device using digital beam forming technology is proposed. The overall design and working process of the device are described，and the technology of front beamforming and weak signal detection is carried out. The key technologies of array antenna，wideband digital beamforming and data transmission are analyzed.

Keywords：digital beamforming;radar reconnaissance;high sensitivity

0 ?引 ?言

隨著電磁頻譜的日益密集、脈沖密度越來越高以及大功率電子設(shè)備的應(yīng)用，電磁環(huán)境越來越復(fù)雜，傳統(tǒng)的電子偵察裝置面臨著靈敏度低、看不遠(yuǎn)的問題，而提高靈敏度后，接收機(jī)收到的信號密度大幅增加，脈沖重疊概率大幅提高，又面臨其環(huán)境適應(yīng)能力差、參數(shù)測量錯誤、方位增批嚴(yán)重等實(shí)際問題。在雷達(dá)技術(shù)迅速發(fā)展的大背景下，多功能相控陣、低截獲概率、PD體制、頻率捷變、雙多基地雷達(dá)等雷達(dá)體制日益復(fù)雜[1]，尋求新的技術(shù)和手段進(jìn)行電子偵察是當(dāng)務(wù)之急，迫切需要提升雷達(dá)偵察的接收處理能力、微弱信號檢測能力、信息處理能力等。

針對以上問題，美國從2003年開始，分四個階段對其主戰(zhàn)電子戰(zhàn)裝備SLQ-32實(shí)施SEWIP（水面電子戰(zhàn)改進(jìn)項(xiàng)目）螺旋式升級改造計劃。其電子偵察部分主要改進(jìn)內(nèi)容包括：改進(jìn)人機(jī)界面和信號分選能力、增加輻射源個體識別能力、增加高靈敏度接收機(jī)提高設(shè)備靈敏度、采用新型數(shù)字接收機(jī)改進(jìn)測向和測頻能力、改進(jìn)電磁兼容性等。SLQ-32（V）6采用天線陣面取代了原來的接收天線和干擾天線，提升了其靈敏度和抗干擾能力，達(dá)到了早期預(yù)警的使用需求。

基于陣列天線的數(shù)字波束形成（Digital Beamforming，DBF）[2]技術(shù)能夠極大地提高雷達(dá)系統(tǒng)的抗干擾能力，近年來其在電子偵察領(lǐng)域也得到了迅速的推廣和應(yīng)用。其可以自適應(yīng)地形成空域抗干擾、形成多個獨(dú)立可控的波束，具有較高的信噪比;天線具有較好的自校正性能，可獲得較低的副瓣，能夠降低后端的信號處理的增批率。

1 ?傳統(tǒng)雷達(dá)偵察技術(shù)體制

1.1 ?模擬多波束比幅測向偵察技術(shù)

常見的模擬多波束比幅測向技術(shù)系統(tǒng)[3]組成如圖1所示，主要包括多波束測向天線陣、全向或半全向測頻天線、變頻放大模塊、測頻接收機(jī)、多波束比幅測向接收機(jī)以及后端的分析識別部分。天線陣中的全向天線和定向天線將全向射頻信號傳送至變頻放大模塊處理后，變?yōu)槿蛑蓄l信號送至測頻接收機(jī)，將定向射頻信號傳送至對數(shù)視頻檢波放大模塊。從對數(shù)視頻檢波放大模塊輸出的視頻信號送至測向接收機(jī)進(jìn)行測向。測頻接收機(jī)將射頻參數(shù)送至測向接收機(jī)產(chǎn)生脈沖描述字，經(jīng)信號處理和分選后，將脈沖描述字和信號描述字同步送出至顯示控制終端。顯示控制終端作為人機(jī)交互設(shè)備，可像接收處理發(fā)出控制指令，以獲得更好的參數(shù)信息。多波束比幅測向的優(yōu)點(diǎn)是能夠瞬時覆蓋空域360°，且具有較大的帶寬。由于其靈敏度取決于全向或半全向測頻天線，而全向或半全向天線增益較低，導(dǎo)致其靈敏度不夠高;面對低截獲概率的雷達(dá)，其靈敏度不能滿足要求。如果采用單比特接收機(jī)，雖然可以提高靈敏度，但會損失動態(tài)范圍。多波束比幅測向的另一個缺點(diǎn)是不能處理同時到達(dá)信號，在遇到同時到達(dá)信號時，往往只能測量大信號、丟掉小信號。

1.2 ?干涉儀比相測向偵察技術(shù)

干涉儀測向偵察技術(shù)[3]通過測量信號的幅度或相位等信息從而獲得信號的來波方向[4]，該技術(shù)由于其設(shè)備量小且具有較高的測向精度，在電子偵察中得到廣泛運(yùn)用。干涉儀體制偵察系統(tǒng)組成如圖2所示，其缺點(diǎn)是同時只能測量一個信號的方位，當(dāng)環(huán)境中存在多徑傳輸時（如大型船體的甲板反射及近距離強(qiáng)反射），往往會造成方位或俯仰增批現(xiàn)象，導(dǎo)致其環(huán)境適應(yīng)能力差，另外，寬空域覆蓋和大帶寬的使用要求，限制了天線陣的增益，靈敏度難以提升。

2 ?基于數(shù)字波束形成偵察技術(shù)

通過上一章節(jié)的分析可以看出，傳統(tǒng)體制的雷達(dá)偵察技術(shù)在靈敏度、同時到達(dá)信號處理、干擾源抑制等方面存在不足之處。本文基于數(shù)字波束形成技術(shù)，提出一種偵察技術(shù)。

2.1 ?總體設(shè)計

基于數(shù)字多波束接收處理技術(shù)[5]的偵察設(shè)備主要有陣列天線、微波前端、射頻采樣、波束合成處理、信號處理、顯示控制等部分組成。如圖3所示，陳列天線輸出射頻信號經(jīng)微波前端組件濾波、限幅、放大處理后，輸出多路射頻信號至DBF接收分機(jī)進(jìn)行射頻采樣。DBF接收分機(jī)首先對多路中頻信號進(jìn)行采樣，形成中頻數(shù)字信號。中頻數(shù)字信號經(jīng)波束合成后經(jīng)接收處理形成脈沖描述字送信號處理，信號處理對脈沖描述字進(jìn)行統(tǒng)計、融合、分選、跟蹤處理，輸出信號描述字至顯示控制終端。

（1）陣列天線的主要功能是接收空間射頻信號，陣列天線規(guī)?？筛鶕?jù)系統(tǒng)靈敏度指標(biāo)要求設(shè)計，單元天線可選用印制對數(shù)周期天線、Vivaldi槽線天線或喇叭天線。

（2）微波前端接收陣列天線輸出的射頻信號，信號經(jīng)過限幅、濾波、放大、移相控制后送變頻組件;再經(jīng)多次變頻后，輸出中頻信號至數(shù)字波束形成分機(jī)，組件內(nèi)保證各路信號的幅相一致性，并且保證各組件之間的幅相一致性。

（3）DBF接收分機(jī)為設(shè)備的核心分機(jī)，接收微波前端的中頻信號，經(jīng)A/D采樣、波束形成處理與寬帶數(shù)字檢測后，形成脈沖描述字送信號處理分機(jī)。

（4）信號處理模塊接收DBF接收機(jī)產(chǎn)生的脈沖描述字[6]，完成信號分選分析的功能，將脈沖描述字和信號描述字輸出至顯示控制模塊。信號分選主要由接口模塊、參數(shù)處理模塊、干擾抑制模塊、脈沖去交錯模塊、信號融合處理模塊、信號跟蹤模塊以及接口模塊組成。

2.2 ?技術(shù)特點(diǎn)

2.2.1 ?高增益、寬空域覆蓋

作為一種空域?yàn)V波技術(shù)，DBF解決了寬空域覆蓋和高增益接收的矛盾，能夠大幅提高系統(tǒng)作用距離，并可同時對寬空域范圍的多個目標(biāo)遠(yuǎn)程搜索和跟蹤，是實(shí)現(xiàn)大范圍、大縱深預(yù)警監(jiān)視能力的主要技術(shù)途徑;此外，由于單元波束變窄，副瓣降低，因此還可以提高系統(tǒng)的測角精度和分辨率，測向精度明顯高于模擬多波束體制，有利于抑制干擾信號，具有更好的復(fù)雜電磁環(huán)境適應(yīng)能力。圖4為64元陣面波束合成圖。

可以看出，采用陣面體制，數(shù)字波束合成增益明顯高于傳統(tǒng)模擬多波束或干涉儀體制天線，有效提高了系統(tǒng)的靈敏度;另外還可同時獲得密集的可控多波束，可瞬時覆蓋寬的空域范圍，同時搜索和跟蹤多個目標(biāo)。

2.2.2 ?自適應(yīng)干擾置零

針對安裝平臺電磁兼容問題，在同平臺內(nèi)，除采用傳統(tǒng)匿影、濾波、分時工作等電磁兼容設(shè)計方法外，DBF技術(shù)體制中的自適應(yīng)干擾置零技術(shù)也為其與平臺內(nèi)其他電子設(shè)備的電磁兼容提供了一種新的手段。自適應(yīng)干擾置零能夠提高指定方位的增益，同時在被干擾方向?qū)崿F(xiàn)方向圖置零，具備多個干擾源的抑制能力。

2.2.3 ?微弱信號檢測

為進(jìn)一步緩解接收機(jī)的靈敏度負(fù)擔(dān)，數(shù)字波束形成接收機(jī)通過相關(guān)處理、積累檢測等微弱信號檢測技術(shù)[7]，拉開目標(biāo)信號和噪聲的差距，突顯目標(biāo)，提高處理增益，降低接收機(jī)所需的信噪比，從而提高對脈沖信號的正確檢測率，提高偵察設(shè)備的復(fù)雜環(huán)境適應(yīng)能力。圖5為微弱信號檢測算法的仿真結(jié)果，可以看出，采用微弱信號檢測算法后，信噪比明顯提升，容易提取脈沖包絡(luò)。采用微軟信號檢測后可以進(jìn)一步提升設(shè)備的靈敏度。

3 ?關(guān)鍵技術(shù)分析

3.1 ?陣列天線設(shè)計技術(shù)

根據(jù)設(shè)備靈敏度和桅桿安裝要求靈活設(shè)計陣列規(guī)模和陣列布陣方式，需同時滿足高靈敏度偵察和平臺安裝尺寸的要求。

稀疏陣[8]是指陣元之間的距離大于半波長的均勻或非均陣列系統(tǒng)。具有更大的陣列孔徑，甚至包含多尺度陣元間距。用較少的陣元獲得更大的陣列孔徑，可以在獲得較好的測向精度和較高的測向分辨率同時，便于在有限的空間中搭配小規(guī)模的接收系統(tǒng)和信號處理系統(tǒng)，降低設(shè)備成本、可優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計、精簡散熱系統(tǒng)。

這些優(yōu)點(diǎn)使得數(shù)字陣列技術(shù)能在某種程度上具有更好的適裝性。

3.2 ?寬帶數(shù)字波束形成技術(shù)

寬帶數(shù)字處理技術(shù)，可做到既提高截獲概率，又大幅提高偵察靈敏度和精度，能對遠(yuǎn)程目標(biāo)，特別是超視距目標(biāo)經(jīng)各種途徑到達(dá)偵察設(shè)備的信號進(jìn)行提取和測量。原始數(shù)據(jù)的獲取，為進(jìn)一步的目標(biāo)分選識別、目標(biāo)協(xié)同定位提供了有利條件。

另外，波束合成算法和硬件架構(gòu)息息相關(guān)，在設(shè)計迭代的過程中，兩者需要統(tǒng)籌考慮。既需要考慮帶寬對架構(gòu)的需求，也要考慮計算量對帶寬的需求;既需要盡可能地降低運(yùn)算量，也需要算法可拆解，降低數(shù)據(jù)間的依賴。

3.3 ?大帶寬數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)

寬帶數(shù)字波束合成需要非常寬的數(shù)據(jù)傳輸帶寬，要求高速的硬件傳輸帶寬支持;另一方面，需要研究可行的數(shù)據(jù)壓縮方式來減少片間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)率，以降低數(shù)據(jù)傳輸需求，從側(cè)面降低硬件設(shè)計的難度[9]。

Aurora協(xié)議是XILINX公司開發(fā)的是一個高帶寬的高速串行鏈路層協(xié)議，支持多路的光纖傳輸及光纖鏈路擴(kuò)展?？砷_發(fā)基于Aurora協(xié)議作為數(shù)據(jù)傳輸平臺的數(shù)字多波束形成模塊，實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸功能。

3.4 ?數(shù)據(jù)同步技術(shù)

數(shù)字波束合成對多通道間的相位極其敏感，如果多通道間出現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸或者采樣偏差，對合成效果的影響很大，因此必須仔細(xì)處理同步問題，包括A/D同步和多通道采樣同步。

4 ?結(jié) ?論

采用數(shù)字波束形成技術(shù)，有效解決了雷達(dá)偵察所需的寬空域、大帶寬、高靈敏度間的矛盾，其對同時到達(dá)信號的處理能力、靈活的波束控制和處理技術(shù)，能夠使偵察裝置具有更好環(huán)境適應(yīng)能力。本文從現(xiàn)階段雷達(dá)偵察技術(shù)所面臨的問題出發(fā)，提出了基于數(shù)字波束形成的偵察技術(shù)，對該其總體設(shè)計、技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行了研究分析，最后對數(shù)字波束形成偵察關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行了分析，對雷達(dá)偵察設(shè)備的研制具有參考意義。在實(shí)際的工程應(yīng)用中還面臨集成設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計、散熱設(shè)計等一系列問題，有待進(jìn)一步深入研究。

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作者簡介：劉治甬（1983—），男，漢族，四川宜賓人，工程師，本科，研究方向：雷達(dá)偵察技術(shù);徐海洋（1982—），男，漢族，江蘇淮安人，高級工程師，碩士，研究方向：雷達(dá)偵察技術(shù)。