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

0　引　言

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　算法描述

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)

式中：a(0

表1　FIR濾波器的幅頻響應(yīng)特性和群延時特性

根據(jù)模數(shù)轉(zhuǎn)換(AD)采樣時鐘和信號帶寬要求，可以確定最小FIR濾波器階數(shù)。

寬帶數(shù)字陣?yán)走_(dá)進(jìn)行寬角度掃描時，需要對各陣元信號的復(fù)包絡(luò)信號進(jìn)行精確時延補(bǔ)償，同時進(jìn)行傳統(tǒng)的移相處理使各陣元數(shù)字信號能夠在時間上對齊，從而實現(xiàn)各陣元信號同相相加，使陣列在期望方向上達(dá)到最佳的能量增益。

基于分?jǐn)?shù)階時延濾波的寬帶DBF處理流程如圖1所示。

圖1　基于分?jǐn)?shù)階時延濾波的寬帶DBF處理流程

2　實驗與分析

本論文仿真S頻段200MHz瞬時帶寬下的寬帶延時補(bǔ)償性能，采樣時鐘為480MHz，AD數(shù)據(jù)通過下采樣將I和Q通道降為240MHz數(shù)據(jù)率，陣面數(shù)目為96列×16行，單元間距為0.04m。根據(jù)FIR的幅頻響應(yīng)特性，選擇32階FIR濾波器進(jìn)行分?jǐn)?shù)階延時，寬帶數(shù)字陣掃描角設(shè)置為方位30°，俯仰0°。

2.1寬角掃描色散仿真

從仿真結(jié)果看，進(jìn)行孔徑渡越補(bǔ)償前，200MHz瞬時帶寬內(nèi)各點頻的波束指向存在色散，其中3.2GHz和3.4GHz頻點相對于3.3GHz的中心頻點波束指向偏差約1.2°，合成方向圖后雙程增益損失約1.8dB。

圖2　孔徑渡越補(bǔ)償前各點頻方向圖

2.2上行鏈路延時補(bǔ)償仿真

對于線性調(diào)頻信號，上行鏈路的孔徑渡越補(bǔ)償可以通過移頻移相的方法實現(xiàn)，仿真處理前后曲線如圖3和圖4所示。

圖3　未進(jìn)行孔徑渡越處理的兩路線性調(diào)頻信號

圖4　進(jìn)行孔徑渡越處理后的兩種線性調(diào)頻信號

從上面兩圖可以看出，未進(jìn)行移頻移相處理的兩路LFM波形、起始和終止頻率完全相同，唯一的差別是由于孔徑渡越引起的發(fā)射信號存在一定的時延差，時延差會導(dǎo)致各單元的發(fā)射信號無法同頻點形成波束。

移頻移相處理后的兩路信號起始和終止頻率不同，但同一時刻各單元的信號頻點相同。因此，雖然在孔徑渡越時間內(nèi)由于時間延時發(fā)射能量存在一定的損失，但發(fā)射波束可以有效形成，按照本論文的參數(shù)相掃60°時，其損失的能量比例不超過0.05%，對威力基本無影響。2.3下行鏈路延時補(bǔ)償仿真

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，將每個單元需要延時的延時除以AD采樣時鐘，整數(shù)部分通過AD數(shù)據(jù)移動采樣節(jié)拍來實現(xiàn)，而分?jǐn)?shù)部分通過32階FIR濾波器延時實現(xiàn)。

圖5　寬帶數(shù)字陣下行鏈路延時后200 MHz帶寬內(nèi)各點頻方向圖

從實驗結(jié)果來看，通過整數(shù)階和分?jǐn)?shù)階延時后，各點頻在方位掃描角30°主波束已無色散，增益不損失。

3　結(jié)束語

寬帶數(shù)子陣?yán)走_(dá)進(jìn)行寬角度掃描時存在孔徑渡越現(xiàn)象，本文針對LFM寬帶信號的渡越時間補(bǔ)償問題，上行鏈路采用了移頻移相的方法，下行鏈路采用整數(shù)延時與分?jǐn)?shù)階延時相結(jié)合的方法，有效補(bǔ)償了單元間的延時差，消除了波束形成的色散和增益損失，為寬帶數(shù)字陣的工程研制提供了依據(jù)。

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朱張勤男，1982年生，博士，高級工程師。研究方向為雷達(dá)電訊總體技術(shù)。

鄭萬青男，1981年生，碩士，高級工程師。研究方向為雷達(dá)電訊總體技術(shù)與技術(shù)管理。

Time-delayTechnologyforBroadbandDigitalArrayRadar

ZHUZhangqin，ZHENGWanqing

(NanjingResearchInstituteofElectronicsTechnology,Nanjing210039,China)

Tosolvetheaperturefilltimecausedbywideanglescanningofbroadbanddigitalarrayradar,themethodofdigitaltime-delaycompensationwasproposedforthetransmitandreceivingchaintothebroadbandline-frequencymodulation(LFM)signal.Themethodcanincreasethebeamformationqualityandreducethearraygainlosing.Byusingthedigitaltime-delaycompensation,thedelaylinecanbesubstitutedbydigitalchip,whichcansimplifythebroadbanddigitarraysystem.Inthispaper,thecompensationvalueoffrequencyandphaseisfiguredandtheresponsecharacteristicsofFRIfilterisanalyzed.Then,compensationaffectionoftransmitandreceivingchainissimulated.

broadbanddigitalarray;aperturefilltime;time-delaycompensation

朱張勤Email：zzqin@mail.ustc.edu.cn

2016-01-18

2016-03-20

TN957

A

1004-7859(2016)06-0027-03

·信號處理·DOI：10.16592/j.cnki.1004-7859.2016.06.007