陳 偉（四川九洲空管科技有限責(zé)任公司，四川 綿陽(yáng) 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(yáng) 621000）

隨著計(jì)算機(jī)、集成電路技術(shù)、高速信號(hào)傳輸技術(shù)的進(jìn)步，數(shù)字波束形成技術(shù)開(kāi)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(hào)傳輸、數(shù)字信號(hào)處理等構(gòu)成的系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)多波束及實(shí)時(shí)自適應(yīng)處理，具有目標(biāo)跟蹤、遠(yuǎn)作用距離、快速識(shí)別目標(biāo)以及同時(shí)完成目標(biāo)搜索、識(shí)別、捕獲和跟蹤等功能。

高速信號(hào)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(hào)傳輸技術(shù)的進(jìn)步，數(shù)字波束形成技術(shù)開(kāi)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(hào)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(shí)自適應(yīng)信號(hào)處理，帶來(lái)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(guò)數(shù)字方式產(chǎn)生發(fā)射激勵(lì)信號(hào)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(lì)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(dòng)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(guò)將天線陣子的天線信號(hào)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(gè)接收波束。高速信號(hào)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(guò)數(shù)字處理算法控制改變陣列天線中每個(gè)天線單元上信號(hào)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(duì)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(duì)數(shù)字波束形成的原理和具體實(shí)現(xiàn)作一個(gè)詳細(xì)的介紹。

根據(jù)線陣?yán)碚摚紤]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(shí)，第n個(gè)陣元中的電流可寫(xiě)為：

其中，A是與平面波瞬時(shí)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(hào)陣元中的電流超前（n+1）號(hào)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(shí)間差為 τ，這里，τ=d sinθ/c（c為光速）。若每個(gè)陣元后面放一個(gè)控制元件，使第n號(hào)陣元激勵(lì)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(hào)對(duì)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(shí)，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(hào)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(guò)程?，F(xiàn)假定單陣面有48個(gè)天線陣子，即需要對(duì)48個(gè)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(duì)應(yīng)的加權(quán)網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)加權(quán)因子對(duì)不同子天線的發(fā)射和接收信號(hào)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(gè)空域?yàn)V波器來(lái)實(shí)現(xiàn)，如圖3所示。由于發(fā)射和接收在實(shí)現(xiàn)過(guò)程中數(shù)字化處理基本上是一個(gè)反過(guò)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(gè)天線陣子，接收信號(hào) 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(guò)空域?yàn)V波器后的輸出信號(hào)為：

通過(guò)上面的分析，對(duì)波束合成有了一個(gè)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(shí)多波束及實(shí)時(shí)自適應(yīng)處理的裝置，它在形成瞬時(shí)多波束的同時(shí)，能對(duì)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(duì)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(shí)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(duì)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(hào)轉(zhuǎn)換成基帶I/Q數(shù)據(jù)并通過(guò)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(shí)將波束處理模塊通過(guò)光纖發(fā)送過(guò)來(lái)的發(fā)射基帶I/Q數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成射頻信號(hào)，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(hào)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(gè)數(shù)為N，計(jì)算機(jī)通過(guò)將指令送給波束處理模塊，通過(guò)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(shí)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(shí)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(shí)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(guò)類(lèi)似處理過(guò)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(chǔ)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(shí)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(guò)來(lái)的天線陣子校平值并存儲(chǔ)，在FPGA內(nèi)部有大規(guī)模的存儲(chǔ)單元存儲(chǔ)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(duì)發(fā)射來(lái)說(shuō)，F(xiàn)PGA對(duì)每個(gè)天線陣子的原始發(fā)射信號(hào)經(jīng)過(guò)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(hào)輻射出去，在空間合成所需要的發(fā)射波束。對(duì)接收來(lái)說(shuō)，F(xiàn)PGA接收數(shù)字T/R組件傳送的每個(gè)陣子單元的原始接收信號(hào)，經(jīng)過(guò)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(hào)合成起來(lái)，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(hào)傳輸、大規(guī)模數(shù)字信號(hào)處理等構(gòu)成的系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)多波束及實(shí)時(shí)自適應(yīng)處理，具有目標(biāo)跟蹤、遠(yuǎn)作用距離、快速識(shí)別目標(biāo)以及同時(shí)完成目標(biāo)搜索、識(shí)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(guó)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(wú)線通信技術(shù)、相控陣?yán)走_(dá)技術(shù)。