朱張勤,鄭萬青
(南京電子技術(shù)研究所, 南京 210039)
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寬帶單元數(shù)字陣?yán)走_(dá)延時方法
朱張勤,鄭萬青
(南京電子技術(shù)研究所,南京 210039)
針對寬帶數(shù)字陣?yán)走_(dá)相位掃描時的孔徑渡越問題,分別研究了針對寬帶線性調(diào)頻信號的上行鏈路移頻移相和下行鏈路整數(shù)和分?jǐn)?shù)階延時相結(jié)合的單元級數(shù)字延時方法,克服了寬帶數(shù)字陣?yán)走_(dá)由于方位大角度掃描導(dǎo)致的波束色散、增益下降問題,替代模擬延時線補(bǔ)償方法,降低了雷達(dá)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜度和系統(tǒng)重量。文中通過分析并計算了上行鏈路需要的移頻量和移相量、以及數(shù)字有限沖擊響應(yīng)濾波器延時的響應(yīng)特性,并通過仿真驗證了上、下行鏈路補(bǔ)償?shù)男Ч?/p>
寬帶數(shù)字陣?yán)走_(dá);孔徑渡越;延時補(bǔ)償
相控陣?yán)走_(dá)技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了從無源到有源,從一維到二維的發(fā)展。隨著寬帶微波器件、高速數(shù)字處理器和數(shù)字控制頻率源等新技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展,高分辨雷達(dá)的研制與應(yīng)用越來越廣[1],以滿足多種軍事和民事的應(yīng)用。
高分辨雷達(dá)必須發(fā)射寬帶信號波形以獲得雷達(dá)目標(biāo)的成像。采用寬帶信號是機(jī)載、空間載寬帶相控陣?yán)走_(dá)實現(xiàn)雷達(dá)遙感、檢測地面或海面靜止與運動目標(biāo)的重要手段,也是地基或海基寬帶相控陣?yán)走_(dá)對空中或空間飛行目標(biāo)進(jìn)行逆合成孔徑成像的前提條件,同時是解決多目標(biāo)分辨、目標(biāo)分類和識別、目標(biāo)屬性判別等難題的重要途徑[2-4]。
大孔徑雷達(dá)帶寬較大時,進(jìn)行大角度掃描,陣面兩端發(fā)射或接收的信號由于目標(biāo)的距離差會引起孔徑渡越效應(yīng),影響波束合成[1,5-7]。為實現(xiàn)寬帶寬角掃描,需采用真實時間延遲線 (TTD)取代常規(guī)相控陣?yán)走_(dá)中的各天線單元的移相器[8],但這給工程實現(xiàn)帶
來困難,折中的方法是在相控陣?yán)走_(dá)天線陣列中采用子陣劃分的方法,在子陣級別上引入TTD,進(jìn)行子陣級的延時補(bǔ)償,為此系統(tǒng)將變得非常復(fù)雜。常見的實時延遲線有傳統(tǒng)的波導(dǎo)和同軸延遲線、聲表面波延遲線、電荷耦合器件和近年來研究較多的光纖延遲線。
本文根據(jù)寬帶數(shù)字波束形成的原理,上行鏈路采用移頻移相、下行鏈路采用整數(shù)延時和分?jǐn)?shù)階延時相結(jié)合的方法進(jìn)行延時補(bǔ)償替代延時線,在數(shù)字域上實現(xiàn)了寬帶數(shù)字波束形成,降低了系統(tǒng)的復(fù)雜度并減輕系統(tǒng)重量。
1.1寬帶陣列掃描孔徑渡越分析
寬帶雷達(dá)信號可以表示為
(1)
第k號陣元接收到的回波信號形式為
(2)
下變頻后基帶信號xkb(t)為
(3)
可見數(shù)字波束合成需要對第二項進(jìn)行數(shù)字移相補(bǔ)償,對其第三項進(jìn)行時延補(bǔ)償,就可以使各個陣元接收到的信號同相疊加,進(jìn)而在預(yù)期方向上形成波束。
1.2線性調(diào)頻信號(LFM)上行移頻移相技術(shù)
對于發(fā)射信號是LFM形式的寬帶數(shù)字陣?yán)走_(dá),上行鏈路的孔徑渡越補(bǔ)償可以采用移頻移相的方法實現(xiàn),移頻移相基本原理:
寬帶LFM信號的形式為
s(t)=A(t)*exp(j2πf0t+jπkt2)
(4)
第i路上行鏈路由于孔徑渡越導(dǎo)致的時間差設(shè)為ΔTi,上行鏈路信號為
s(t-ΔTi)=A(t-ΔTi)exp[j2πf0(t-ΔTi)+
jπk(t-ΔTi)2]=
(5)
其中,k為LFM信號斜率
(6)
式中:第一項為正常線性調(diào)頻信號;第二項是由于時間差導(dǎo)致的相位偏移量即為移頻移相中的移相補(bǔ)償?shù)南辔徊?;第三項為移頻項;第四項為延時的平方項為常數(shù)的小項,實際工程應(yīng)用中可忽略。每路信號需要移的頻率為
Δfi=-kΔTi
(7)
(8)
1.3下行鏈路的孔徑渡越補(bǔ)償技術(shù)
延時有限沖擊響應(yīng)(FIR)濾波器可以用以下公式表示,如果公式中D不是整數(shù),則這種濾波器在物理上是不可實現(xiàn)的。通常可以采用的辦法是對其進(jìn)行加窗,將其變成因果可實現(xiàn)系統(tǒng),即
(9)