李東海

（解放軍91404部隊(duì)，秦皇島 066001）

0 引 言

數(shù)字波束形成（DBF）技術(shù)是一種以數(shù)字方法來(lái)實(shí)現(xiàn)波束形成的技術(shù)。通過(guò)DBF技術(shù)可形成高增益、窄波束的天線波束，相鄰的天線波束之間進(jìn)行比幅測(cè)向，可以滿足高精度的測(cè)向需求，而通過(guò)同時(shí)形成不同指向的多個(gè)波束，又可以形成寬空域的瞬時(shí)覆蓋，滿足偵察系統(tǒng)方位覆蓋需求［1］。DBF技術(shù)在電子對(duì)抗系統(tǒng)中主要應(yīng)用于超視距偵察監(jiān)視，雷達(dá)信號(hào)經(jīng)過(guò)超視距傳輸后變得極其微弱，要在低信噪比甚至是負(fù)信噪比條件下提取信號(hào)（時(shí)域上看信號(hào)已淹沒(méi)在噪聲中）并準(zhǔn)確測(cè)量信號(hào)參數(shù)，必須研究具有工程實(shí)用價(jià)值的微弱信號(hào)檢測(cè)技術(shù)。

1 DBF技術(shù)原理

DBF陣列測(cè)向的原理如圖1所示。

對(duì)于從θ方向入射的信號(hào)，以天線0作為參考基準(zhǔn)，天線0到天線（n－1）接收的信號(hào)可以表示為：

圖1 DBF陣列測(cè)向原理圖

式中：x（t）為輻射源發(fā)射的任意寬帶信號(hào)；T為該信號(hào)從輻射源發(fā)射到天線0接收的時(shí)間延遲；τ為相鄰天線接收時(shí)間延遲；d為陣元間間距。

以S0（t）為基準(zhǔn)，則由上式可知，各天線接收的信號(hào)可以表示為：

如果將各通道信號(hào)相對(duì)0通道信號(hào)進(jìn)行精確的延遲補(bǔ)償，即對(duì)相應(yīng)通道信號(hào)進(jìn)行時(shí)間延遲iτ（i＝0，…，n－1）后疊加，各通道信號(hào)在任意時(shí)刻均等幅疊加，可以表示為：

數(shù)字波束形成的主要處理過(guò)程要求全部信號(hào)與某個(gè)復(fù)數(shù)加權(quán)因子分別相乘，然后把這些加權(quán)量加在一起，改變加權(quán)因子可以形成各種不同的波束：

數(shù)字波束形成的示意圖如圖2所示。

圖2 數(shù)字波束形成示意圖

通過(guò)數(shù)字多波束技術(shù)，可形成高增益、窄波束的天線波束，相鄰的天線波束之間進(jìn)行比幅測(cè)向，可以滿足高精度的測(cè)向需求，而通過(guò)同時(shí)形成不同指向的多個(gè)波束，又可以形成寬空域的瞬時(shí)覆蓋，滿足偵察系統(tǒng)方位覆蓋需求。

2 DBF優(yōu)勢(shì)分析

復(fù)雜電磁環(huán)境下微弱信號(hào)檢測(cè)技術(shù)主要解決2個(gè)問(wèn)題：一是通過(guò)高靈敏度檢測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)微弱信號(hào)檢測(cè)，二是通過(guò)先進(jìn)的信號(hào)處理技術(shù)提高復(fù)雜電磁環(huán)境的適應(yīng)性。

對(duì)于數(shù)字信號(hào)處理而言，信號(hào)首先必須經(jīng)過(guò)一個(gè)模／數(shù)（A／D）轉(zhuǎn)換量化過(guò)程，這使得強(qiáng)弱信號(hào)在單通道和DBF 2種情況下的限幅特性表現(xiàn)出差異性。單通道模式下的超視距偵察系統(tǒng)通常采用大口徑拋物面天線，增益遠(yuǎn)高于DBF中的單元天線增益。如果沒(méi)有采用自動(dòng)增益控制（AGC）措施，并且微波前端功率放大特性相同，則單通道偵收模式下的強(qiáng)弱信號(hào)在A／D之前更容易飽和。一旦通道飽和，則淹沒(méi)在強(qiáng)信號(hào)中的微弱信號(hào)通常被切掉，后續(xù)數(shù)字信號(hào)處理無(wú)法提取微弱信號(hào)。

相對(duì)于傳統(tǒng)單通道信號(hào)處理而言，DBF可以通過(guò)陣列置零技術(shù)抑制強(qiáng)信號(hào)，在一定程度上具有從強(qiáng)信號(hào)環(huán)境下提取弱信號(hào)的優(yōu)勢(shì)。而且，DBF各個(gè)單元天線增益相對(duì)不高，強(qiáng)信號(hào)進(jìn)入通道后不易飽和，對(duì)提取弱信號(hào)更有利。DBF模式下的強(qiáng)弱信號(hào)以矢量疊加方式進(jìn)入通道，在A／D之前相對(duì)難飽和，后續(xù)的數(shù)字信號(hào)處理可以提取微弱信號(hào)。

3 基于相關(guān)積累的微弱信號(hào)檢測(cè)技術(shù)

對(duì)雷達(dá)弱信號(hào)的檢測(cè)和參數(shù)提取是雷達(dá)信號(hào)偵察接收中的一個(gè)重要課題。雷達(dá)接收機(jī)采用匹配接收的技術(shù)提高輸出信號(hào)的信噪比，從而提高系統(tǒng)的接收靈敏度。因?yàn)閿撤嚼走_(dá)和電子戰(zhàn)偵察接收機(jī)是非協(xié)作方式工作，而且雷達(dá)頻率可能是捷變的，重頻、脈寬以及脈內(nèi)調(diào)制特征參數(shù)可能都是變化的，電子戰(zhàn)接收機(jī)滿足對(duì)雷達(dá)信號(hào)匹配接收的條件較為困難，采用相關(guān)積累技術(shù)可以做到對(duì)雷達(dá)信號(hào)的匹配接收。從輸出角度來(lái)看，匹配濾波與信號(hào)自相關(guān)沒(méi)有不同，自相關(guān)檢測(cè)是隨時(shí)與被檢測(cè)的信號(hào)自身相關(guān)，無(wú)需依靠任何先驗(yàn)的知識(shí)［2］。

3.1 處理過(guò)程

本文采用視頻自相關(guān)技術(shù)檢測(cè)到包含在噪聲中的信號(hào)，然后粗略估計(jì)出信號(hào)的tPRI。對(duì)直接采樣的中頻實(shí)信號(hào)，通過(guò)數(shù)字正交原理得到其同相I支路和正交Q支路，求其幅度可以得到截獲信號(hào)的數(shù)字解調(diào)后的視頻信號(hào)，以粗測(cè)到的tPRI為先驗(yàn)條件、ΔtPRI為步長(zhǎng)對(duì)數(shù)字視頻采用非相干積累方法，得出積累后視頻信號(hào)幅度為最大時(shí)對(duì)應(yīng)的tPRI，即為信號(hào)的精確tPRI，從而可以得到信號(hào)的τPW、tTOA、fRF等參數(shù)。

根據(jù)自相關(guān)原理，周期為T(mén)的信號(hào)s（t）的自相關(guān)函數(shù)為［3］：

從公式（6）中可以得出，周期性信號(hào)的自相關(guān)函數(shù)也是周期性的，它隨時(shí)差τ的變化周期也是T。隨機(jī)噪聲的自相關(guān)函數(shù)隨τ的增大迅速下降到0，可以利用自相關(guān)來(lái)檢測(cè)淹沒(méi)在噪聲中的周期信號(hào)，亦即在較低信噪比（SNR）下發(fā)現(xiàn)信號(hào)，提高偵察接收機(jī)的靈敏度。這一特點(diǎn)在弱信號(hào)檢測(cè)時(shí)非常有用。

數(shù)字解調(diào)是將中頻實(shí)信號(hào)變?yōu)楹琁、Q支路的解析信號(hào)，進(jìn)而得到信號(hào)包絡(luò)的技術(shù)。經(jīng)過(guò)A／D變換后得到的離散雷達(dá)信號(hào)為實(shí)信號(hào)，可以將實(shí)信號(hào)移相90°得到其共扼信號(hào)，從而得到解析信號(hào)。但這種方法對(duì)移相器的相位平衡要求較高，可以采用Hilbert變換得到實(shí)信號(hào)的共軛信號(hào)。設(shè)實(shí)信號(hào)為x（n），通過(guò)頻域變換得到其共軛信號(hào)＾x（n），數(shù)字解調(diào)后視頻信號(hào)的視頻波形為：

實(shí)際工作雷達(dá)都是在多個(gè)脈沖觀測(cè)的基礎(chǔ)上進(jìn)行檢測(cè)的。對(duì)n個(gè)脈沖觀測(cè)的結(jié)果就是一個(gè)積累的過(guò)程，積累可簡(jiǎn)單地理解為n個(gè)脈沖疊加起來(lái)的作用。多個(gè)脈沖積累后可以有效地提高信噪比，從而改善雷達(dá)的檢測(cè)能力。但是，采用相參積累必須精確知道脈沖的起始相位，才能有較好的積累效果。而電子戰(zhàn)系統(tǒng)面臨的是弱信號(hào)環(huán)境，雷達(dá)脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)超視距傳輸后其相位信息已經(jīng)被破壞，提取脈沖的起始相位較為困難，所以采用數(shù)字視頻非相參積累具有工程實(shí)用價(jià)值。

數(shù)字視頻積累可采用如下方法實(shí)現(xiàn)：通過(guò)對(duì)含有噪聲的信號(hào)作自相關(guān)可以檢測(cè)出信號(hào)有無(wú)和粗測(cè)出信號(hào)的tPRI，雷達(dá)脈沖信號(hào)的真實(shí)tPRI落在（tPRIΔtPRI，tPRI＋ΔtPRI）范圍之內(nèi)，ΔtPRI經(jīng)實(shí)驗(yàn)確定。

設(shè)雷達(dá)脈沖信號(hào)的采樣點(diǎn)數(shù)為N，tPRI試探因子為T(mén)，tPRI－ΔtPRI≤T≤tPRI＋ΔtPRI，積累后的脈沖波形公式為：

序列V（m）中最大值對(duì)應(yīng)的T即為真實(shí)的tPRI，其精度由tPRI試探因子的試探步長(zhǎng)確定，根據(jù)系統(tǒng)指標(biāo)要求可以做到非常精確。

3.2 仿真結(jié)果

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采樣率為500 MHz，采樣時(shí)間為512μs。圖3（a）、（b）、（c）是tPRI＝20μs，fRF＝160 MHz，占空比為5%，信噪比為－16 d B的雷達(dá)信號(hào)的數(shù)據(jù)采樣波形圖、自相關(guān)和視頻積累后的波形圖。圖3（b）中自相關(guān)圖的第一峰值對(duì)應(yīng)的時(shí)間為粗測(cè)的tPRI值，若信號(hào)的重頻在觀測(cè)時(shí)間內(nèi)是變化的，可以通過(guò)自相關(guān)圖上識(shí)別出來(lái)。

圖3 雷達(dá)信號(hào)采樣、自相關(guān)和積累后波形圖

表1為tPRI＝20μs，fRF＝160 MHz，占空比為5%的信號(hào)在不同信噪比下tPRI估計(jì)結(jié)果。從表1中可以看出，采用此方法可以在中頻信號(hào)SNR＝－20 dB時(shí)仍然能有效檢測(cè)信號(hào)和精確提取出信號(hào)參數(shù)，等效于將接收機(jī)的靈敏度提高了20 d B。

表1 電磁環(huán)境復(fù)雜度劃分標(biāo)準(zhǔn)

3.3 工程應(yīng)用

在較短時(shí)間積累中，偵察接收機(jī)一般不可能達(dá)到對(duì)未知信號(hào)的完全匹配，脈寬外的噪聲被引入進(jìn)行相參積累運(yùn)算，造成靈敏度疊加損失，損失的程度取決于信號(hào)的占空比。超視距偵察的信號(hào)一般是低重頻信號(hào)，脈寬外噪聲引入的疊加損失更大。數(shù)字信號(hào)處理方法需要對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行采集存儲(chǔ)，由于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量和處理時(shí)間的限制，這種處理方法可能截獲不到低重頻信號(hào)或者脈沖個(gè)數(shù)很少，對(duì)于后端的信號(hào)處理是非常不利的。

為了在更低信噪比下對(duì)信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)和測(cè)頻，需要使用更長(zhǎng)點(diǎn)數(shù)的快速傅里葉變換（FFT）或者相關(guān)方法來(lái)提高檢測(cè)增益。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)更長(zhǎng)時(shí)間積累增益，同時(shí)在寬帶信號(hào)環(huán)境下保證高靈敏度、高概率截獲信號(hào)，可采用中頻數(shù)字化處理。另外，由于高靈敏度信號(hào)檢測(cè)和高精度參數(shù)測(cè)量需要較大的采集樣本數(shù)、較長(zhǎng)的相關(guān)積累時(shí)間，這種大點(diǎn)數(shù)運(yùn)算給信號(hào)處理帶來(lái)了很大壓力，可通過(guò)合理的系統(tǒng)硬件配置及軟件算法，解決高截獲概率、大帶寬、大數(shù)據(jù)量、大運(yùn)算量、高處理速度這些技術(shù)難題，使系統(tǒng)達(dá)到對(duì)超視距信號(hào)的高靈敏度、高概率截獲。

4 結(jié)束語(yǔ)

DBF作為一種空域?yàn)V波技術(shù)，可以同時(shí)獲得空間增益合成和寬空域覆蓋，解決了空域?qū)捀采w和高增益接收的矛盾，在大幅提高系統(tǒng)作用距離的同時(shí)，仍然能夠保持良好的探測(cè)概率，可對(duì)寬空域范圍的多個(gè)目標(biāo)同時(shí)進(jìn)行遠(yuǎn)程截獲和跟蹤［4］。通過(guò)視頻自相關(guān)、數(shù)字解調(diào)、脈沖積累等微弱信號(hào)檢測(cè)技術(shù)，為超視距雷達(dá)弱信號(hào)檢測(cè)和參數(shù)提取提供了新思路，是實(shí)現(xiàn)大范圍、大縱深預(yù)警監(jiān)視能力的重要技術(shù)途徑。

［1］刁曉靜.電子偵察中的寬帶DBF技術(shù)研究［D］.西安：西安電子科技大學(xué)，2011.

［2］賈朝文，張超，徐漢林，等.雷達(dá)弱信號(hào)參數(shù)提取的數(shù)字化方法［J］.電子對(duì)抗技術(shù)，2001（1）：6－10.

［3］奧本海姆 A V.數(shù)字信號(hào)處理［M］.劉玉堂譯.北京：科學(xué)出版社，1980.

［4］丁鷺飛.雷達(dá)原理［M］.西安：西安電子科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社，1997.