寬頻帶相控陣雷達子陣數字調制新技術

龍 騰，毛二可，張洪綱，曾 濤，劉海波，劉泉華

(北京理工大學雷達技術研究所， 北京100081)

0 引言

寬頻帶相控陣雷達是我國現代化國防建設、航空航天事業發展的急迫需求。在大掃描角空間目標探測背景下，為了探測目標可能的空域，要求相控陣雷達具有寬角掃描能力;為了識別高速飛行的空間目標，要求相控陣雷達具有高的距離分辨力和角分辨力，即雷達發射信號要具有大帶寬，相控陣天線要具有大口徑。

在大掃描角情況下，寬頻帶相控陣雷達天線掃描波束隨著頻率變化會發生指向的偏移，稱為相控陣天線的孔徑效應［1］。隨著天線口徑的增加，不同天線單元之間雷達波的傳輸時間差將不可忽略，發射和接收信號將無法相參疊加，這就是孔徑渡越時間問題［1］。若不進行有效補償，將導致雷達回波信號幅度損失，造成雷達威力下降，嚴重影響雷達系統性能。

針對上述問題，通常使用實時延遲線和移相器共同實現波束控制。考慮到在每個天線單元進行補償設備量過多，工程上多在子陣級采用實時延遲線、在子陣內采用移相器［1-2］。如美國AN/FPS-108相控陣雷達在96個子天線陣上采用實時延遲線，保證了在L波段200 MHz上的瞬時信號帶寬［1］。傳統的模擬延遲線體積大、價格昂貴、量化精度低，在寬溫范圍內難以做到高精度延時。即便在子陣級別上采用實時延遲線，其數量仍然十分龐大，這就增加了系統的成本、重量和復雜度。近年來，光實時延遲線逐漸受到重視，相比于傳統的模擬延遲線，它可以減小雷達系統體積、重量，改善傳輸特性，提高雷達的可靠性、機動性［3］。但就目前而言，該項技術遠未達到實際應用階段，因為在具體工程實現時，需要解決光延遲線微波信號雜散大、相噪差等問題;此外，光電子器件需適應寬溫范圍，造價昂貴也是影響其應用的原因。

美國麻省理工學院林肯實驗室提出了一種基于瞬時寬帶線性調頻(Chirp)信號，通過兩次延時完成波束發散補償的子陣去斜(DeChirp或 Stretch)方法［4-7］。文獻［8］給出了基于該方法的二次延時的改進方法，文獻［9］提出了一種基于線性調頻信號的固態相控陣雷達多通道孔徑渡越時間數字補償技術。這兩種方法均不使用模擬延遲線，在子陣級仍采用工程中常見的模擬去斜體制，對去斜后的信號進行采樣，大大降低了采樣率和運算量。但由于調頻非線性、寬帶系統幅相失真等具有移變特性，即幅相失真因子隨著距離的變化而改變，難以完全補償，會大大影響成像結果，因此，模擬去斜體制的相控陣雷達成像窗口只有百米量級［10］。如用于空間目標群的檢測、跟蹤、成像，其成像窗口無法覆蓋空間目標群的分布范圍。

在工作模式上，目前的寬頻帶相控陣雷達多采用窄頻帶-寬頻帶交替工作方式，即首先發射窄帶信號進行檢測跟蹤，穩定跟蹤目標后再發射寬帶信號進行成像處理，并在此基礎上進行目標識別［11］。在窄頻帶-寬頻帶交替工作方式時，窄帶跟蹤目標存在距離誤差，造成寬帶回波起始時刻抖動，因此，無法在寬頻帶通道進行多普勒測速和微多普勒頻率測量等相參處理［12］。這種非相參效應在信噪比高時可通過包絡對齊和自聚焦消除，但信噪比低時脈沖間相參處理難以實現［13］。這將嚴重影響二維ISAR成像和三維成像的作用距離，無法為目標識別提供足夠準確的特征信息。

文獻［14］提出了一種去斜體制下通過數字相位旋轉、使各子陣接收信號能夠在距離波門內任意距離相參疊加的方法，該方法可實現脈沖間信號相參。但受模擬去斜體制的限制，成像窗口較小。文獻［15］提出了一種模擬去斜體制下通過回波相位補償實現相參化的方法，補償相位利用基準信號和參考信號數字去斜來提取，其中，基準信號通過軟件產生，參考信號去載頻后直接采樣得到。

以上問題都是當前寬頻帶相控陣雷達用于空間目標群檢測、跟蹤、成像時的特殊問題，嚴重影響雷達成像距離和目標識別準確度。這需要通過雷達體制創新，研究新體制的大成像窗口寬頻帶相參相控陣雷達加以解決。

1 解決思路

寬帶相控陣雷達子陣數字調制技術是利用Chirp信號時頻耦合特性，在子陣級通過數字頻率調制，來進行不同通道的精細信號延遲，從而達到各子陣的信號相參合成，解決寬頻帶雷達寬角掃描波束發散問題。對于非Chirp的其他寬帶信號形式，可以通過非整數延時濾波器來實現高精度時延。其硬件基礎是發射過程各子陣采用高速直接數字頻率合成(Direct Digital Synthesizer，DDS)器件產生寬帶中頻信號，接收過程各子陣采用高速模數轉換器(ADC)器件對高中頻回波進行采樣。通過數字調制技術，能夠對子陣間的時延進行精確補償;通過數字去斜技術，能夠降低數據量，滿足實時處理要求;通過多通道精細同步技術，能夠保證子陣信號的一致性。此外，在該新體制下，經過和差三通道精確校正后，可以替換原有的寬窄交替模式，使用寬帶進行檢測、跟蹤，不僅可以解決寬帶回波起始時刻抖動問題，還可以提高雷達時間資源利用率?；谧雨囶l率調制的寬帶相控陣雷達體制架構如圖1所示。

圖1 子陣頻率調制寬帶相控陣雷達體制架構

子陣數字調制相控陣雷達體制可實現如下能力:

(1)抗波束發散:由于Chirp信號具有時頻耦合特性，通過對數字去斜本振信號的中心頻率的調整，能夠實現去斜后信號的頻率調整，再通過相位補償，能夠實現子陣信號相參疊加，從而解決孔徑渡越時間引起的波束發散問題。相比傳統的模擬延遲線，該方案信號延遲調整精度更高、性能更加穩定。

(2)脈間相參:子陣級直接采樣處理能夠在相參處理周期內固定采樣觸發時刻，數字去斜的數字化本振能夠相參產生，從而避免了本振觸發的隨機性帶來的脈間不相參問題，能夠實現多脈沖相參處理。

(3)大成像窗口:由于該體制在信號接收過程對子陣輸出信號直接進行采樣，因而能夠通過數字處理方法對系統幅相特性的非理想特性進行補償，其成像窗口不受帶內幅相失真的限制，可實現大的成像窗口。

(4)多波束:采用寬帶多波束形成方法可以充分利用波束能量提高雷達的搜索數據率和跟蹤數據率。當信號環境中存在多個目標時，利用多波束技術可實現對多個目標的探測和跟蹤。

(5)抗干擾:采用寬帶波束零點形成方法，可針對寬帶信號形成天線方向圖零點，從而抑制旁瓣干擾。

(6)距離速度聚焦:通過目標精確速度測量、回波調頻斜率補償、回波幅相補償等處理，能夠保證補償后的回波與參考函數匹配，避免距離維和多普勒維回波的主瓣展寬，實現目標距離和速度的聚焦。

(7)檢測前聚焦處理［16］:采用空時二維瑞登傅里葉變換(Space-Time Radon-Fourier Transform，ST-RFT)新方法，能夠實現在“孔徑渡越”和“跨距離單元”條件下的空時二維聯合相參積累，即空時二維檢測前聚焦處理。

2 寬頻帶相控陣雷達子陣數字調制關鍵技術

2.1 基于數字去斜的寬帶直采信號處理技術

針對接收過程，采用基于數字去斜的寬帶直采回波處理技術，實現框圖如圖2所示，各子陣采用高速ADC器件對高中頻回波進行采樣，在數字域進行數字去斜與延時處理，以減小運算量，滿足實時處理要求。

圖2 基于數字去斜的直采回波處理實現框圖

假設相控陣雷達發射Chirp信號，第i個通道接收到的回波信號經過混頻濾波、二次時延后輸出信號為

式中:k為調頻斜率;t為時間;Δ+βi為通道i接收到的回波信號相對發射時刻的時間延遲量(對應圖2中的αi)，其中，Δ為目標相對于參考通道的時間延遲量，與通道i無關;βi為通道i與參考通道的時延，僅與波束指向、天線結構、通道i有關;Γ為估計出的目標與參考通道真實距離的時延，與通道i無關;T為脈沖寬度;φ(Γ+βi，Δ+βi)為輸入信號經過一次時延后與 βi相關的相位項。二次時延后輸出信號的相位可表示為

式中:f0為中心頻率。由式(2)可知，兩次時延后的信號相位與通道i無關，各通道間的信號能夠實現相參合成。相比于模擬延時線，該技術采用全數字處理，成本低、精度高，可有效保證通道間幅相一致性，從而提升雷達成像質量與參數測量精度。

2.2 基于數字調制的子陣時延精確補償技術

寬頻帶相控陣雷達子陣數字調制技術在子陣級采用高速DDS器件產生寬帶高中頻信號，通過數字頻率調制技術，可實現不同子陣間時延的精確補償;對于回波信號采用高速ADC器件進行采樣，經過數字去斜處理后，通過數字頻率調制技術，可實現子陣間回波信號時延精確補償。

2.2.1 基于數字調制的子陣發射信號時延精確補償

為了保證各個天線的發射信號在空間目標處同時同相疊加，需要對不同天線通道的信號進行時延，以補償由于天線波束指向偏離法線帶來的波程差。

由于各子陣射頻本振源同相，因此，只要在不同子陣的DDS單元通過數字頻率調制技術產生經過數字調制的中頻發射信號，即可實現子陣間時延的精確補償。

2.2.2 基于數字調制的子陣接收信號時延精確補償

子陣接收信號經過去斜處理之后，要實現不同子陣信號相參處理，還必須進行兩次時延處理:第一次時延通過調整單頻本振和寬帶本振參數設置來實現頻率變化，可消除通道間頻率偏移;第二次時延通過FIR數字濾波器實現，可消除通道間相位偏移，實現相參處理。

通過兩級時延消除測距模糊，能夠實現相控陣雷達子陣信號相參合成，可補償大口徑寬帶相控陣雷達寬角掃描時孔徑渡越時間引起的波束發散，并且該體制具有精度高、成本低、結構簡單等優點。

2.3 高精度系統同步技術

相比模擬處理方式，子陣數字化處理對多子陣間信號產生和數據采集的同步性提出了較高的要求，在高速多通道采集/播放系統設計中，主要通過嚴格控制時鐘同步、觸發同步兩個環節來實現系統的精確同步。

若兩個通道采集時鐘存在延時，則導致兩個通道對于同一輸入信號的采集結果存在延時誤差。這種誤差會使得兩路信號出現相位差，導致處理結果不能完全相參，進而使得信噪比下降。系統設計中采用時鐘偏斜和抖動指標性能好的、支持Zero-Delay的鎖相環對多通道采集/播放器件提供時鐘。此外，選擇的采集器件支持ps級別的采樣時延調整，進一步提高同步性能，簡化系統設計復雜度。

空間目標群探測相控陣雷達工作在波門采樣模式，需要用脈沖觸發啟動數據采集，如果觸發信號到達各個模數采集器時刻不一致，則多個通道觸發不同步。在采樣時鐘非常高的情況下，相對觸發信號上升沿較緩慢，對于多通道觸發同步帶來挑戰。對觸發同步的設計中采用重采樣技術，能夠對觸發脈沖沿進行整形，使得觸發沿變得更加陡峭且滿足與高頻時統同步，進而實現采集時刻的同步相參性。

通過時鐘同步和觸發同步的精細設計，可保證不同子陣產生信號和采集數據的相參性，從而保證數字去斜處理后各子陣信號相參合成。

2.4 寬頻帶雷達和差三通道精確校正技術

單脈沖雷達通過在方位和俯仰方向形成和、差波束來獲得目標的角度信息，和支路、方位支路、俯仰支路三通道的幅相一致性是保證測角精度的關鍵因素。現有雷達基本上利用窄帶信號測角和跟蹤，對中心頻點的三通道幅相一致性進行校正。

對于寬頻帶雷達，由于寬帶三通道信號幅相一致性隨著頻率變化，會產生天線方向圖零值深度變淺、測角精度下降等難點問題。采用寬帶幅度相位全數字精細補償方法，提取雷達發射、接收鏈路的幅相誤差信號，在發射支路對發射信號進行幅度相位預失真，在接收支路對回波信號進行幅度相位補償，實現寬頻帶和差三通道精確校正，其中，幅度補償、相位補償方法在收發通道的原理一致。

此外，去斜大成像窗口信號處理的主要瓶頸是對大去斜窗口回波信號的高精度預失真補償。系統幅相失真，會導致一維距離像主副瓣比惡化、主瓣展寬甚至嚴重變形等，因此，必須進行幅度和相位補償以減輕這些失真對系統的影響。

經過寬帶和差三通道幅度相位全數字精細補償，不僅可以減小線性調頻信號非線性失真，實現寬帶測角、跟蹤，還可以實現去斜體制下大成像窗口。

3 基于寬頻帶相控陣雷達子陣數字調制技術的信號后處理關鍵技術

基于寬頻帶相控陣雷達子陣數字調制技術的信號后處理關鍵技術包括寬帶數字多波束形成技術、寬帶波束零點形成技術和距離速度高分辨處理技術等。

采用寬帶多波束技術可以充分利用波束能量提高雷達的搜索數據率和跟蹤數據率。當信號環境中存在多個目標時，利用多波束技術可實現對多個目標的探測和跟蹤。利用寬帶數字陣列的自適應波束形成算法可以實現寬帶波束的零點形成，能夠有效地抑制旁瓣干擾。

雷達發射寬頻帶信號時，單個脈沖內目標的徑向高速運動會引起回波相位的變化，使得回波信號的脈壓濾波器失配，造成寬帶直采信號脈壓后的目標距離像展寬和畸變，導致目標成像質量下降。通過寬帶信號測速算法精確估計目標速度，利用該信息構造二次相位補償因子，對目標回波進行補償，保證補償后的回波與參考函數匹配，可避免由于高速目標多普勒效應造成的距離像展寬和畸變，實現距離速度高分辨，保證成像質量。

此外，采用ST-RFT新方法，能夠實現在“孔徑渡越”和“跨距離單元”條件下空時二維檢測前聚焦處理。通過在距離-速度-方位角聯合處理，實現目標能量在多維空間中的能量“聚焦”，提高在復雜探測和目標環境中雷達威力和探測性能。

4 實驗驗證結果

為驗證寬頻帶相控陣雷達子陣數字調制新技術，本團隊研制了高速數字收發單元并構建了驗證平臺，如圖3所示。該數字收發驗證平臺包括兩個數字收發單元，每個單元包含四個工作頻率為1.6 GS/s高速ADC通道和四個工作頻率為1.6 GS/s高速數模轉換器(DAC)通道。該驗證平臺產生的1.2 GHz中頻信號通道間相位一致性實測指標小于2°，對應時間同步精度為4.6 ps;采集1.2 GHz中頻信號的通道間相位一致性實測指標小于4°，對應時間同步精度為9.2 ps。

圖3 數字收發單元及數字收發驗證平臺實物照片

4.1 基于數字調制的子陣發射信號時延精確補償實驗驗證

利用數字收發單元構建的實驗場景如圖4所示，使用等長線纜將四個發射通道校準。通道校準后，采用四根不等長的射頻線纜(1.6 m、2.0 m、2.4 m、2.8 m)將不同發射通道連接至示波器不同通道。發射Chirp信號，帶寬為600 MHz，分別用示波器采集記錄發射信號時延補償前后的波形，將通道1與通道2結果繪制于圖5?？梢钥闯?，經過時延補償后，不同通道信號可以同相相參疊加。

圖4 發射信號時延精確補償實驗連接圖

4.2 基于數字去斜的寬帶直采信號處理實驗驗證

利用數字收發單元建立單目標實驗場景，如圖6所示。將發射通道1輸出的信號進行濾波放大后，進行一分四功率分配，使用等長線纜校準各接收通道。通道校準后，采用四根不等長的射頻線纜(1.6 m、2.0 m、2.4 m、2.8 m)將功分輸出信號連接至不同接收通道。發射Chirp信號，帶寬為600 MHz，采用四個通道分別接收信號并進行寬帶直采數字去斜處理，對比接收信號時延精確補償前后的一維距離像，如圖7所示。從圖中可以看出，經過對接收信號進行時延精確補償，基于數字去斜的寬帶直采信號處理可使不同通道信號相參疊加。

圖5 基于數字調制的子陣發射信號時延精確補償實驗結果

圖6 寬帶直采數字去斜處理實驗連接圖

圖7 基于數字去斜的寬帶直采信號處理實驗結果

4.3 寬頻帶幅相補償精確校正技術實驗驗證

圖8 幅相補償前后回波頻譜的幅度譜與相位譜誤差

基于接收信號對寬頻帶幅相補償精確校正技術進行實驗驗證，Chirp信號中心頻率為1 200 MHz，帶寬為600 MHz，脈寬為10 μs。幅相補償前后回波頻譜的幅度譜和回波相位如圖8所示，可以看出，經過幅相補償，回波信號的幅相失真得到明顯改善，幅度譜誤差降低至2 dB左右，相位誤差降低至±4°以內。帶寬600 MHz的接收信號經過數字去斜處理之后的結果如圖9所示，可以看出，經過幅相補償之后，可大大改善一維距離像旁瓣不對稱現象。

圖9 幅相補償前后數字去斜結果對比

5 結束語

針對探測遠距離空間目標群的大口徑寬頻帶相控陣雷達系統設計，本文提出了寬頻帶相控陣雷達子陣數字調制新技術，并突破了基于數字去斜的直采信號處理、基于數字調制的子陣時延精確補償及高精度系統同步等關鍵技術，可以替代模擬延時線，以解決寬頻帶相控陣雷達寬角掃描波束發散難題，并支持寬頻帶相控陣雷達大成像窗口、脈間相參。該技術可以結合后端寬帶數字多波束、寬帶波束零點形成、距離速度高分辨處理、檢測前聚焦等信號處理關鍵技術，以提高寬頻帶相控陣雷達對遠距離空間目標群的探測能力和復雜電磁環境下的抗干擾能力。此外，經過和差三通道精確校正，可以采用寬頻帶進行檢測、跟蹤，提高雷達時間資源利用率。本文給出了基于數字調制的子陣發射信號時延精確補償、基于數字去斜的寬帶直采信號處理及寬頻帶幅相補償精確校正等關鍵技術的實驗驗證結果，效果良好。后續可考慮將寬頻帶相控陣雷達子陣數字調制新技術應用于實際雷達系統，進行關鍵技術實驗驗證。

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