方 旭，洪 偉

(中國船舶重工集團公司第723研究所，揚州 225001)

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一種雷達和偵察數(shù)字接收技術(shù)的設(shè)計與實現(xiàn)

方 旭，洪 偉

(中國船舶重工集團公司第723研究所，揚州 225001)

中頻數(shù)字接收部分是整個雷達和偵察設(shè)備的關(guān)鍵組成部分?；诶走_和偵察的數(shù)字接收技術(shù)包括窄帶雷達處理和寬帶偵察處理兩部分。其中窄帶處理包括幅相校正、窄帶數(shù)字波束形成(DBF)和數(shù)字下變頻部分,寬帶處理包括數(shù)字信道化和寬帶DBF部分。工程實現(xiàn)中，寬窄帶處理在同一片板卡中實現(xiàn)，這樣有利于設(shè)計和節(jié)約成本。最后，實驗結(jié)果表明了該設(shè)計技術(shù)的正確性。

數(shù)字接收;數(shù)字信道化；數(shù)字波束形成；幅相校正

0 引 言

雷達是利用目標(biāo)對電磁波的反射現(xiàn)象來發(fā)現(xiàn)目標(biāo)并測定其位置的。偵察是利用雷達偵察設(shè)備探測、截獲和測量敵方各種雷達電磁輻射信號的特征參數(shù)和技術(shù)參數(shù)，給作戰(zhàn)指揮、威脅告警、雷達干擾和反輻射攻擊等提供正確的信息。目前，現(xiàn)代戰(zhàn)爭中雷達和偵察的需求越來越強烈。同一套接收機設(shè)備，當(dāng)工作于主動探測時，發(fā)揮雷達目標(biāo)探測功能；當(dāng)工作于被動偵察時，發(fā)揮偵察機偵收電磁輻射源源信息功能。

利用接收天線陣列電子掃描的特點，可以形成全方位覆蓋波束的優(yōu)勢,可以實現(xiàn)高的數(shù)據(jù)率。雷達和偵察的中頻數(shù)字接收部分，經(jīng)設(shè)計既能實現(xiàn)雷達功能的窄帶數(shù)字接收，完成后續(xù)的雷達目標(biāo)探測功能的實現(xiàn)[1]；又能實現(xiàn)偵察功能的寬帶數(shù)字接收，完成后續(xù)的測頻測向功能。因此，雷達和偵察的中頻數(shù)字接收部分的設(shè)計，是實現(xiàn)雷達與偵察技術(shù)的關(guān)鍵。

本文首先研究了雷達和偵察的中頻數(shù)字接收部分的框架組成，再討論雷達窄帶接收模塊的設(shè)計實現(xiàn)，然后討論偵察寬帶接收的設(shè)計實現(xiàn)，最后給出結(jié)論。

1 雷達和偵察中頻數(shù)字接收框架

雷達和偵察的中頻數(shù)字接收部分大都采用多通道模/數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換采樣，然后對采樣后的數(shù)字信號進行數(shù)字波束形成(DBF)來形成空間覆蓋的接收波束。

本文的技術(shù)設(shè)計中，若工作于雷達功能時，空間接收波束指和差波束，對和差波束信號完成后續(xù)的雷達信號處理。若工作于偵察功能時，空間接收波束指寬帶相鄰二波束，對寬帶相鄰二波束信號完成后續(xù)的測頻測向處理。在此，中頻數(shù)字接收采用十通道A/D采樣，A/D采樣通道編號為0,1,2,…,9。考慮到方位接收波束覆蓋問題，該10路A/D通道分為3組來使用。即編號為0,1,…,7的A/D通道為1組(記為Group 1)，編號為1,2,…,8的A/D通道為1組(記為Group 2)，編號為2,3,…,9的A/D通道為1組(記為Group 3)。以方位接收波束覆蓋0°～ 45°為例，則Group 1對應(yīng)0°～ 15°的方位接收波束，Group 2對應(yīng)15°～ 30°的方位接收波束，Group 3對應(yīng)30°～ 45°的方位接收波束。這樣A/D通道分組處理，復(fù)用了硬件資源，提高了使用效率。10路A/D通道和方位接收波束的對應(yīng)關(guān)系如圖1所示。

圖1 十路A/D通道和方位接收波束的對應(yīng)關(guān)系

當(dāng)劃分好A/D采樣通道與方位波束的對應(yīng)關(guān)系后，從實現(xiàn)雷達和偵察功能的角度來考慮，中頻數(shù)字接收的框架如圖2所示。

模擬中頻信號經(jīng)A/D變換后，分2個支路處理。

當(dāng)完成雷達功能時，經(jīng)過數(shù)字下變頻、幅相校正后，多路零中頻信號作窄帶DBF處理，形成和差波束，送給后續(xù)雷達信號處理模塊，完成和差單脈沖測角、動目標(biāo)指示(MTD)等處理。

當(dāng)完成偵察功能時，經(jīng)過數(shù)字信道化后，各信道數(shù)據(jù)作寬帶DBF，之后形成相鄰二波束，送給后續(xù)的測頻測向脈沖描述字(PDW)形成模塊，實現(xiàn)輻射源偵察功能。該中頻數(shù)字接收框架的功能實現(xiàn)是在1塊中頻數(shù)字接收板中完成的，硬件資源利用率高。

另外，由于方位波束掃描時，波束間隔可以設(shè)計得較小(例如0.3°),因此無論是雷達處理的和差波束單脈沖測角，還是偵察處理的相鄰波束比幅測角，該系統(tǒng)的測角精度都比較高。

2 雷達窄帶接收的設(shè)計實現(xiàn)

2.1 數(shù)字下變頻

信號處理前端對中頻回波和相參時鐘進行高速采樣后，在數(shù)字域?qū)DC后的信號進行下變頻，將其變換為基帶的復(fù)信號形式。對中頻信號和相參時鐘的數(shù)字采樣采用欠采樣，公式如下：

(1)

式中：f0為中頻頻率；fs為采樣頻率；B為信號帶寬，且fs≥2B；M為一正整數(shù)。

為保證頻譜不混疊，f0、B和fs之間應(yīng)嚴(yán)格滿足式(1)的關(guān)系。

在滿足式(1)條件下，對中頻信號進行采樣，可以得到：

x(n)=A(nT)cos[2πf0nT+φ(nT)+φt+Δφc]

(2)

式中：φt和Δφc分別為發(fā)射機隨機相位和非相參采樣引入的隨機相位差。數(shù)控振蕩器的頻率設(shè)在f0，鑒相后中頻信號輸出為：

I1(n)=x(n)cos(2πf0nT)=

cos(4πf0nT+φ(nT)+φt+Δφc]

(3)

圖2 雷達和偵察中頻數(shù)字接收框圖

Q1(n)=x(n)sin(2πf0nT)=

sin[4πf0nT+φ(nT)+φt+Δφc]}

(4)

I1(n)、Q1(n)分別經(jīng)過有限沖激響應(yīng)(FIR)低通濾波器后可得：

(5)

(6)

2.2 幅相校正

接收陣列各A/D接收通道之間存在幅度和相位特性不一致性，這對天線的波束合成增益、副瓣電平會造成很大影響，嚴(yán)重時可能會使波束方向圖畸變，必須對其加以校正。

對于雷達窄帶接收來說，由于頻率響應(yīng)函數(shù)是頻率慢變的，可以近似認為幅相誤差不隨頻率變化而變化，因此，只需要在中心頻率上進行校正即可。在此采用頻域校正方法[2-4]。假設(shè)第i個通道的頻率響應(yīng)為Fi(jω)，期望校正濾波器的頻率響應(yīng)為Hi(jω)，校正后的通道頻率響應(yīng)為Bi(jω)，則:

(7)

式中:M為需要校正的通道總數(shù)。

當(dāng)所有的Bi(jω)都相等且等于參考通道的頻率響應(yīng)時，通道校正完成。設(shè)參考通道的頻率響應(yīng)為Fref(jω)，則第i個通道的校正器的頻率響應(yīng)為:

(8)

本文選擇第0個通道為參考通道，所有通道校準(zhǔn)到與第0個通道一致。首先，對0～9個通道的數(shù)字下變頻(DDC)后復(fù)數(shù)據(jù)作傅里葉變換，以0通道的頻域數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，按式(8)分別得到1～9通道的幅相校正系數(shù)。

2.3 窄帶數(shù)字波束形成

用數(shù)字技術(shù)實現(xiàn)波束形成，稱數(shù)字波束形成(DBF)。對于十通道幅相校正后的數(shù)據(jù)，設(shè)輸入的信號矢量x為:

(9)

第i個通道幅相校正后的數(shù)據(jù)為:

xi=Ii+jQi,i=1,2,…,10

(10)

接收和波束的加權(quán)矢量WΣ，接收差波束的加權(quán)矢量WΔ分別為:

(11)

(12)

加權(quán)后的復(fù)信號經(jīng)過相加求和之后，得到和差波束的輸出:

(13)

(14)

2.4 硬件實現(xiàn)

現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)的高速發(fā)展使得其在處理規(guī)模和速度方面都具有極大的優(yōu)勢，從而在雷達信號處理中占據(jù)了重要地位。本文研究基于FPGA的數(shù)字接收技術(shù)，雷達窄帶接收的硬件實現(xiàn)如圖3所示。

圖3 雷達窄帶接收的實現(xiàn)框圖

3 偵察寬帶接收的設(shè)計實現(xiàn)

3.1 數(shù)字信道化

信道化數(shù)字接收機能夠處理瞬時接收帶寬比較寬、動態(tài)范圍較大、靈敏度高的目標(biāo)信號，并且也能夠同時處理多個到達信號，是電子偵察中重要的研究方向。信道劃分的基本思想是把信號按頻率均勻地分成p個子頻段(即信道)，每個信道的中心頻率為Wp。下面介紹基于多相濾波結(jié)構(gòu)數(shù)字信道化接收機的基本原理。設(shè)第p個帶通濾波器hp(n)，hp(n)與原型濾波器h(n)之間滿足：

(15)

其對應(yīng)的z變換為：

(16)

(17)

經(jīng)等價變換，可得信道化的多相濾波形式如圖4所示。

圖4 信道化的多相濾波形式框圖

3.2 寬帶DBF

由于寬帶信號波束形成器的形成波束寬度隨信號頻率變化，會造成處理后波束主瓣的寬度產(chǎn)生很大變化，使得信號失真，以至于無法達到實際的應(yīng)用要求[5]。因此，電子偵察接收機中首先進行數(shù)字信道化處理，在劃分后的信道(子頻帶)內(nèi)，用各信道的信道權(quán)向量來進行類似窄帶DBF的處理。本文的寬帶DBF是在劃分的16個信道中進行各信道加權(quán)來實現(xiàn)的，每個信道進行DBF后形成2個相鄰波束，進而送到偵察信號處理的測頻測向模塊完成后續(xù)的測頻測向。

3.3 硬件實現(xiàn)

本文的偵察寬帶接收是在與雷達窄帶接收處理同一塊FPGA芯片中實現(xiàn)的，偵察寬帶接收的硬件實現(xiàn)如圖5所示。

圖5中，32點逆快速傅里葉變換(IFFT)得到的信道數(shù)有冗余，因此只考慮前一半的0～15個信道。

圖5 偵察寬帶接收的實現(xiàn)框圖

4 實驗結(jié)果分析

雷達和偵察的中頻數(shù)字接收的工程設(shè)計的主要工作參數(shù)為：中頻500MHz，采樣頻率400MHz，雷達發(fā)射調(diào)頻信號帶寬40MHz；偵察接收信道化劃分信道數(shù)為16個，偵察瞬時帶寬為200MHz，寬帶DBF形成2個相鄰波束。

雷達窄帶接收時，F(xiàn)PGA處理后的和波束的IQ數(shù)據(jù)結(jié)果如圖6所示。

圖6 和波束回波的IQ結(jié)果

偵察寬帶接收時，當(dāng)信號源輸入500MHz中頻信號(該輸入信號是重復(fù)頻率為40μs、脈寬為15μs的脈沖調(diào)制信號)，偵察寬帶接收的各信道的某波束(以左波束為例)的求模后處理結(jié)果如圖7、圖8所示。從圖7、圖8中可知，信號落在第0個信道。

圖7 信道0～3的中間波束求模后結(jié)果

當(dāng)信號源輸入515MHz中頻信號時(該輸入信號是重復(fù)頻率為40μs、脈寬為15μs的脈沖調(diào)制信號)，偵察寬帶接收的各信道的某波束(以左波束為例)的求模后處理結(jié)果如圖9、圖10所示。從圖9、圖10中可知，信號落在第1個信道。

圖8 信道4～7的中間波束求模后結(jié)果

圖9 信道0～3的中間波束求模后結(jié)果

圖10 信道4～7的中間波束求模后結(jié)果

5 結(jié)束語

雷達和偵察的中頻數(shù)字接收技術(shù)是整個雷達和偵察設(shè)備的關(guān)鍵部分。本文介紹的雷達和偵察的中頻數(shù)字接收技術(shù)的算法設(shè)計合理，工程實現(xiàn)中寬窄帶處理在同一片板卡中實現(xiàn)，硬件資源優(yōu)化使用，有利于工程設(shè)計和節(jié)約成本。

[1 ] 路彬彬.圓環(huán)陣新體制雷達的研究與應(yīng)用[D].南京:南京理工大學(xué),2012.

[2] 李國梁.陣列幅相誤差校正算法及其工程實現(xiàn)[D].西安:西安電子科技大學(xué),2012.

[3] 陳剛.通道均衡在寬帶數(shù)字陣列雷達中的技術(shù)研究[D].成都:電子科技大學(xué),2008.

[4] 吳洹,張玉洪,吳順君.用于陣列信號處理的自適應(yīng)均衡器的研究[J].現(xiàn)代雷達,1994,16(1)：49-56.

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The Design and Implementation of Digital Receiving Technology for Radar and Reconnaissance

FANG Xu,HONG Wei

(The 723 Institute of CSIC,Yangzhou 225001,China)

The intermediate frequency digital receiving part is the key component of radar and reconnaissance equipments.In this paper,the digital receiving technology based on radar and reconnaissance includes two parts：narrowband radar processing and broadband reconnaissance processing.Narrowband processing includes amplitude phase correction,narrowband DBF and digital down frequency conversion.Broadband processing includes digital channelization and broadband DBF.In engineering realization,broadband/narrowband processing is realized in the same printed card，which is helpful for design and cost savings.Finally,the experimental results show that the correctness of the proposed design techniques.

digital receiving;digital channelization;digital beam forming;amplitude and phase correction

2016-05-17

TN971

A

CN32-1413(2016)04-0082-06

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2016.04.019