雷达系统(4)

第4章数字阵列雷达系统数字阵列雷达是一种接收和发射波束都采用数字波束形成技术的全数字阵列扫描雷达，由于收发波束形成均以数字方式实现,因而它有较好的数字处理灵活性，拥有许多传统相控阵雷达所没有的优良性能。雷达正面临目标环境和电磁环境日益严峻的挑战。为适应日益严峻和高度对抗的环境，雷达的性能必须大幅度提高，应具备高精度、多功能、多目标探测、抗干扰、多种自适应和目标识别的能力。数字波束形成(DBF)是一种以数字技术来实现波束形成的技术，它保留了天线阵列单元信号的全部信息，并可采用先进的数字信号处理技术对阵列信号进行处理，可以获得优良的波束性能。例如可自适应地形成波束以实现空域抗干扰，可进行非线性处理以改善角分辨率。数字波束形成还可以同时形成多个独立可控的波束而不损失信噪比；波束特性由权矢量控制，因而灵活可变；天线具有较好的自校正和低副瓣性能。数字波束形成技术的优点并不仅仅体现在接收模式下，在发射模式下同样具有许多独特的优势。4.1概述接收和发射波束均以数字方式来实现的全数字化相控阵天线雷达就称作数字阵列雷达。4.2数字阵列雷达的基本原理4.2.1接收数字波束形成接收数字波束形成就是在接收模式下以数字技术来形成接收波束。接收数字波束形成系统主要由天线阵单元、接收组件、A/D变换器、数字波束形成器、控制器和校正单元组成。接收数字波束形成系统将空间分布的天线阵列各单元接收到的信号分别不失真地进行放大、下变频、检波等处理变为视频(中频)信号，再经A/D变换器转变为数字信号。然后，将数字化信号送到数字处理器进行处理，形成多个灵活的波束。数字处理分成两个部分：波束形成器和波束控制器。波束形成器接收数字化单元信号和加权值而产生波束；波束控制器则用于产生适当的加权值来控制波束。4.2.2发射数字波束形成发射数字波束形成是将传统相控阵发射波束形成所需的幅度加权和移相从射频部分放到数字部分来实现，从而形成发射波束，发射数字波束形成系统的核心是全数字T/R组件，它可以利用DDS技术完成发射波束所需的幅度和相位加权以及波形产生和上变频所必需的本振信号。发射数字波束形成系统根据发射信号的要求，确定基本频率和幅/相控制字，并考虑到低副瓣的幅度加权、波束扫描的相位加权以及幅/相误差校正所需的幅相加权因子，形成统一的频率和幅/相控制字来控制DDS工作，其输出经上变频模式形成所需工作频率。4.2.3数字阵列雷达工作原理数字阵列雷达是一种收、发均采用数字波束形成技术的全数字化阵列扫描雷达。如图4-1所示，数字阵列雷达一般由天线阵列、数字T/R组件、时钟、数据传输系统、数字处理机组成。系统工作时根据工作模式，信号处理系统控制波束在空间进行扫描，实现收/发DBF形成。发射时，由数字处理系统产生每个天线单元的幅/相控制字，对各T/R组件的信号产生器进行控制而产生一定频率、相位、幅度的射频信号，输出至对应的天线单元，最后由各阵元的辐射信号在空间合成所需的发射方向图。基准数字信号处理器控制信号处理器数字波束形成T/R模块T/R模块T/R模块。…………数字阵列雷达的基本结构4.3数字阵列雷达的关键技术•4.3.1数字T/R组件•DDS的幅度和相位近似连续可调，因而可用于数字阵列雷达的波形产生和幅相调整。基于DDS的数字T/R组件是数字阵列雷达的关键部分之一，包括了频率源、DDS、功放、混频、滤波、A/D变换等。数字T/R组件有多种实现方式，如集中式频率源数字T/R组件、分布式频率源数字T/R组件等。主要研究内容：(1)数字T/R组件结构；(2)基于DDS技术的发射信号产生技术，包括波形产生和频率扩展技术；(3)基于DDS的幅相控制技术，包括幅相控制技术和频率扩展对幅相影响；(4)DDS寄生响应、相位截断误差、幅度量化误差等对波形产生的影响；(5)数模一体化设计理论；(6)数字T/R组件的一致性和稳定性。•数字T/R组件是基于DDS技术的移相功能代替微波数字移相器，用其幅度控制功能代替传统的微波数控衰减器。将波束形成和波形形成融合在一起，实现发射DBF功能。DDS可以实现极高的相位、幅度和频率控制精度。但DDS的输出频率比较低，无法直接输出微波频段信号,必须对其进行频率扩展，频率扩展包括：一是工作频率的扩展；二是工作带宽的扩展。工作频率的扩展可以通过上变频实现，带宽的扩展则可以在上变频扩展工作频率的同时，通过改变本振信号的频率(即跳频方式)来实现。•数字T/R组件的收发状态是独立的，发射支路由DDS产生所需的波形、经两次上变频形成发射信号通过环流器输出；接收支路由环流器输入经限幅低噪声放大、两次下变频、A/D变换、I/Q分离形成数字信号输出。DDS只对发射信号进行幅度和相位加权，在接收状态幅相控制通过常规DBF方法完成。收发通道变频所需的本振信号是时分复用的，有利于改善收发通道间相互干扰。•数字T/R组件是由收发两个支路构成的。从发射通道组成来看，数字T/R组件幅度和相位调整是在数字部分(DDS中)实现的，因此保证上变频通道幅度、相位的线性是至关重要的，即应使经DDS完成幅相控制的较低频率信号传递到射频所引入的幅相误差尽可能小。通常采用高线性度的射频功率放大器。•在接收支路中,数字T/R组件采用了全数字化的接收机技术，直接输出数字I/Q信号，这属于数字接收机的范畴，但接收支路设计的重点是多路接收支路之间具有良好的相似性，通道具有大动态范围特别是通道的无杂散动态范围。数字T/R组件原理框图数字T/R组件的一种常用电路结构数字T/R组件中的数字和射频部分数字T/R组件中的发射支路数字T/R组件中的接收支路4.3.2数字波束形成在实现DBF算法时，为最大限度地提高实时性，可考虑采用DSP+FPGA的结构来实现。成千上万组加权乘法运算可用FPGA形成N路并行乘法器实时实现。数字波束形成（包括结合自适应滤波的自适应数字波束形成）具有如下重要优点：(1)自适应干扰置零;(2)超分辨定向;(3)天线自校准;(4)超低副瓣;(5)阵元失效和波束校正;(6)密集多波束;(7)自适应空时处理;(8)灵活的功率和时间控制等。采用数字方式在基带实现滤波的技术称为数字波束形成（DBF），它是空域滤波的的主要形式。。。。DBF输出X0X1XN-2XN-1。。。权值序列N通道数字正交采样数字信号处理器（TMS320C6455）N通道数字下变频器数字波束形成网络（FPGA）波束形成器的FPGA实现假设信号是窄带的，有N个天线阵元，θ为目标方向，θBK为第k个波束指向，d为相邻阵元间距，λ为信号波长，信号为s(t)。数字多波束形成器将数字的幅度和相位的权值在所有通道信号求和之前加到每一个输入信号中，它保留了天线阵列单元信号的全部信息，并可以构成空间受控的一个或多个定向波束从而获得优良的波束性能。数字波束形成器就是一个乘加器，如图所示。xi表示第i阵元的接收并经过A/D采样的信号：iinidjxsin)1(2exp10Niiikkxwy10Niiikkxwy1010sin)1(2expsin)1(2exp)(NiikNiikkdifcjwdijwF第k个波束的天线方向图函数:4.3.3宽带数字阵列雷达中的关键技术传统相控阵雷达是通过控制信号的相位来延迟信号的，在宽带信号情况下存在波束指向偏移和扫描不准的现象，而且在进行宽带和宽角扫描时，传统相控阵存在孔径效应，使得阵列的瞬时带宽受限。(1)宽带数字阵列雷达的孔径效应和馈电效应雷达信号频率由f0变为（f0+△f）后所引起的天线波束指向的波束指向偏移△θ:tgff0当目标回波能量非垂直入射阵列时，阵列方向图形成时，边缘单元需要的相位：。sin)/2(LL为阵列孔径，如果只改变频率而不改变移相器，那么波束将会移动。对于等线长馈电而言，不会使波束变形，并且当频率增大时，波束会移向法线。如果由时延网络代替移相器，则通过时延网络的相移会随频率变化，但波束保持不动(波束指向不变)。当使用移相（独立于频率）控制波束时，若工作频率为雷达中心频率f0，波长为λ0，若要求天线线阵的波束最大值指向为θ，则对于离阵中心距离为x的单元，其相位为：sin)/2(sin)/2(00fcxx频率由f0变为(f0+△f)后，若给定相同的相位，则波束指向新的方向θ+△θ：)sin())(/2(sin)/2(00ffcxfcxcossin)sin(由此可得：tgff0tgff0上式反映了信号频率由f0变为（f0+△f）后所引起的天线波束指向的波束指向偏移△θ。这一现象反映了天线波束指向随信号频率的改变而在空间摆动，这称为相控阵天线波束在空间的色散现象，又称为相控阵天线的“孔径效应”。对于一个f0＝1300MHz的L波段的相控阵雷达，所允许的最大信号瞬时带宽只有13MHz或26MHz。这对于要完成高分辨率测量的雷达、雷达成像及扩谱信号雷达来说是远远不够的。天线对数字阵雷达信号带宽的限制，除了受到“孔径效应”的影响外，还受限于天线孔径渡越时间：sin)/(cLTA当孔径渡越时间TA大于信号带宽的倒数时，阵列两端天线单元所辐射的信号将不能同时到达θ方向的目标；或者阵列两端天线单元所接收到的信号将不能同时相加。孔径渡越时间对调频信号包络的影响由图线阵可见，目标若在θ方向，则第(N-1)号单元辐射的信号要比第0号单元的信号超前TA到达目标。因此，对于脉宽为T、带宽为△f的线性调频脉冲信号，各天线单元辐射的信号在目标位置上合成的信号包络将不再是矩形，而是如图所示的梯形。当没有使用等路径长度馈电时，馈电网络会随频率产生相位变化，在某些情况下，馈电实际上可以补偿孔径效应，且产生与频率无关的波束指向。然而更常规的馈电会减小阵列的带宽。馈电网络：（a）端馈（b）中心馈电端馈串联阵列如图(a)所示。辐射单元串联葵电，从馈点一个比一个远地排下去。当频率改变时，辐射单元的相位变化正比于馈线长度，使孔径相位相应呈线性倾斜，并使波束扫描。中心馈电阵图(b)所示，可认为是两个端馈阵。每一馈电控制一孔径，此孔径是总的一半，因此具有两倍的波束宽度。(3)宽带数字阵雷达的延时补偿技术孔径渡越时间的经典补偿方法是将天线分成若干子阵，子阵内采用相位波束控制，而子阵之间采用时间延迟补偿，如图所示。子阵之间通过时间延时控制之后，波束的偏移主要是由子阵孔径渡越时间确定，极大减小了整个阵面对孔径渡越时间的影响。若天线阵内每一个单元都包含有时间延时单元，使得在第N号单元通道内的信号延迟τA，则第i号单元通道内的延迟为iτA/(N-1)。这样，天线的孔径渡越时间TA将降为TA-τA。由信号频率变化所引起的波束指向的偏移为：tgTAffA10上式表明，若阵内第N号单元的时延与孔径渡越时间相等，则不存在孔径效应，相控阵天线波束指向不受信号瞬时带宽的影响。子阵内采用相位控制，子阵间采用延迟控制数字阵雷达的波束幅度/相位与发射频率之关系（4）宽带波束形成聚焦方法宽带DBF设计的任务是在利用现有窄带波束形成方法的基础上，加上控制，使得波束的形状和宽度不随频率变化。若要使波束图在一定的频率保持不变或基本不变，就需要系数能够随频率的改变而变化，即:)(sin)1(2exp),(),(10kNiikkFdifcjfwfF对于宽带波束形成器可采用两种设计方法：第一种是随着频率变化改变基阵有效孔径；第二种方法是随着频率变化改变阵元权系数。数字收发组件中的重要部件，如混频器、D/A、A/D、功放、LNA等都是非线性的。杂散就是由于雷达中的非线性部件，使在形成新频率的同时，伴随产生了许多不需要的频率成分。（5）宽带数字阵列雷达系统的杂散控制另外一个主要杂散来源是数字射频系统本身带来的，如ADC和DAC等器件的位数有限（如目前宽带ADC的字长一般小于12Bit;宽带DAC的字长不大于14Bit）。