寬帶單元數字陣雷達延時方法

朱張勤，鄭萬青

(南京電子技術研究所,　南京 210039)

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寬帶單元數字陣雷達延時方法

朱張勤，鄭萬青

(南京電子技術研究所,南京 210039)

針對寬帶數字陣雷達相位掃描時的孔徑渡越問題，分別研究了針對寬帶線性調頻信號的上行鏈路移頻移相和下行鏈路整數和分數階延時相結合的單元級數字延時方法，克服了寬帶數字陣雷達由于方位大角度掃描導致的波束色散、增益下降問題，替代模擬延時線補償方法，降低了雷達系統的結構復雜度和系統重量。文中通過分析并計算了上行鏈路需要的移頻量和移相量、以及數字有限沖擊響應濾波器延時的響應特性，并通過仿真驗證了上、下行鏈路補償的效果。

寬帶數字陣雷達；孔徑渡越；延時補償

0　引　言

相控陣雷達技術的發展經歷了從無源到有源，從一維到二維的發展。隨著寬帶微波器件、高速數字處理器和數字控制頻率源等新技術的出現和發展，高分辨雷達的研制與應用越來越廣[1]，以滿足多種軍事和民事的應用。

高分辨雷達必須發射寬帶信號波形以獲得雷達目標的成像。采用寬帶信號是機載、空間載寬帶相控陣雷達實現雷達遙感、檢測地面或海面靜止與運動目標的重要手段，也是地基或海基寬帶相控陣雷達對空中或空間飛行目標進行逆合成孔徑成像的前提條件，同時是解決多目標分辨、目標分類和識別、目標屬性判別等難題的重要途徑[2-4]。

大孔徑雷達帶寬較大時，進行大角度掃描，陣面兩端發射或接收的信號由于目標的距離差會引起孔徑渡越效應，影響波束合成[1,5-7]。為實現寬帶寬角掃描，需采用真實時間延遲線 (TTD)取代常規相控陣雷達中的各天線單元的移相器[8]，但這給工程實現帶

來困難，折中的方法是在相控陣雷達天線陣列中采用子陣劃分的方法，在子陣級別上引入TTD，進行子陣級的延時補償，為此系統將變得非常復雜。常見的實時延遲線有傳統的波導和同軸延遲線、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。

本文根據寬帶數字波束形成的原理，上行鏈路采用移頻移相、下行鏈路采用整數延時和分數階延時相結合的方法進行延時補償替代延時線，在數字域上實現了寬帶數字波束形成，降低了系統的復雜度并減輕系統重量。

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)

可見數字波束合成需要對第二項進行數字移相補償，對其第三項進行時延補償，就可以使各個陣元接收到的信號同相疊加，進而在預期方向上形成波束。

1.2線性調頻信號(LFM)上行移頻移相技術

對于發射信號是LFM形式的寬帶數字陣雷達，上行鏈路的孔徑渡越補償可以采用移頻移相的方法實現，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致的時間差設為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頻信號；第二項是由于時間差導致的相位偏移量即為移頻移相中的移相補償的相位差；第三項為移頻項；第四項為延時的平方項為常數的小項，實際工程應用中可忽略。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償技術

延時有限沖擊響應(FIR)濾波器可以用以下公式表示，如果公式中D不是整數，則這種濾波器在物理上是不可實現的。通常可以采用的辦法是對其進行加窗，將其變成因果可實現系統，即

(9)

式中：a(0

表1　FIR濾波器的幅頻響應特性和群延時特性

根據模數轉換(AD)采樣時鐘和信號帶寬要求，可以確定最小FIR濾波器階數。

寬帶數字陣雷達進行寬角度掃描時，需要對各陣元信號的復包絡信號進行精確時延補償，同時進行傳統的移相處理使各陣元數字信號能夠在時間上對齊，從而實現各陣元信號同相相加，使陣列在期望方向上達到最佳的能量增益。

基于分數階時延濾波的寬帶DBF處理流程如圖1所示。

圖1　基于分數階時延濾波的寬帶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償性能，采樣時鐘為480MHz，AD數據通過下采樣將I和Q通道降為240MHz數據率，陣面數目為96列×16行，單元間距為0.04m。根據FIR的幅頻響應特性，選擇32階FIR濾波器進行分數階延時，寬帶數字陣掃描角設置為方位30°，俯仰0°。

2.1寬角掃描色散仿真

從仿真結果看，進行孔徑渡越補償前，200MHz瞬時帶寬內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　孔徑渡越補償前各點頻方向圖

2.2上行鏈路延時補償仿真

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

圖3　未進行孔徑渡越處理的兩路線性調頻信號

圖4　進行孔徑渡越處理后的兩種線性調頻信號

從上面兩圖可以看出，未進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射信號存在一定的時延差，時延差會導致各單元的發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由于時間延時發射能量存在一定的損失，但發射波束可以有效形成，按照本論文的參數相掃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下行鏈路延時補償仿真

下行鏈路采用整數延時和分數階延時相結合的方法，將每個單元需要延時的延時除以AD采樣時鐘，整數部分通過AD數據移動采樣節拍來實現，而分數部分通過32階FIR濾波器延時實現。

圖5　寬帶數字陣下行鏈路延時后200 MHz帶寬內各點頻方向圖

從實驗結果來看，通過整數階和分數階延時后，各點頻在方位掃描角30°主波束已無色散，增益不損失。

3　結束語

寬帶數子陣雷達進行寬角度掃描時存在孔徑渡越現象，本文針對LFM寬帶信號的渡越時間補償問題，上行鏈路采用了移頻移相的方法，下行鏈路采用整數延時與分數階延時相結合的方法，有效補償了單元間的延時差，消除了波束形成的色散和增益損失，為寬帶數字陣的工程研制提供了依據。

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朱張勤男，1982年生，博士，高級工程師。研究方向為雷達電訊總體技術。

鄭萬青男，1981年生，碩士，高級工程師。研究方向為雷達電訊總體技術與技術管理。

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