雷达系统(4)

4.2 数字阵列雷达的基本原理
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。
4.2.1 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。
(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：
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。
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。
馈电网络：（a）端馈 （b）中心馈电
sin
4.3.3 宽带数字阵列雷达中的关键技术
(1) 宽带数字阵列雷达的孔径效应和馈电效应 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。
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:
• 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。
f • tg
f0
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： (2 / 。)Lsin
L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： (2x / 0 )sin (2x / c) f0 sin
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： (2x / c) f0 sin (2x / c)( f0 f )sin( )
sin( ) sin cos
由此可得： f • tg
f0
f • tg
f0
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”。
• 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。
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。
f • 1 A • tg
f0 TA
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:
数字阵列雷达的基本结构
数字信ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 处理器
控制信号 处理器
数字 波束 形成
基准
T/R模块
T/R模块
。
……
……
T/R模块
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。
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。
xi表示第i阵元的接收并 经过A/D采样的信号：
xi
exp
j
2
d (i
1)
s in
ni
N 1
yk wik xi i0
N 1
yk wik xi i0
第k个波束的天线方向图函数:
Fk
(
)
N 1
wik
i0
•
exp
j
2
(i
1)d
sin
N 1
wik
i0
• exp
j
2
c
f
•
(i
1)d
第4章 数字阵列雷达系统
4.1 概述
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。
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： TA (L / c)sin
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。
• 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。
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。
Fk
(
,
f
)
N 1 i0
wik
(
,
f
)
•
exp
j
2
c
f
•
(i
1)d
sin
Fk
(
)
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。
（5）宽带数字阵列雷达系统的杂散控制
波束形成器的FPGA实现
X0
N 通
X1
道 数
。字
。
。正
交
采
样
XN-2
N 通 道 数 。字
。
。下 变 频 器
数字波束形成网络
（FPGA）
DBF 输出
权值 序列
XN-1
数字信号处理器
（TMS320C6455）
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。