基于寬帶調(diào)頻步進(jìn)信號(hào)的數(shù)字補(bǔ)償方法研究

周希辰，張志武，翟剛毅，李云飛

(1.中國(guó)艦船研究院，北京 100101；2.中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二四研究所，南京 211153)

基于寬帶調(diào)頻步進(jìn)信號(hào)的數(shù)字補(bǔ)償方法研究

周希辰1，張志武2，翟剛毅2，李云飛2

(1.中國(guó)艦船研究院，北京 100101；2.中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二四研究所，南京 211153)

針對(duì)調(diào)頻步進(jìn)信號(hào)在寬頻帶大口徑相控陣?yán)走_(dá)的應(yīng)用中受到孔徑渡越時(shí)間限制的問(wèn)題，在時(shí)域去斜法的基礎(chǔ)上分析調(diào)頻步進(jìn)信號(hào)在線性寬頻帶相控陣?yán)走_(dá)中的處理模型，提出一種基于時(shí)域全去斜的解決辦法，即對(duì)調(diào)頻步進(jìn)信號(hào)的子脈沖信號(hào)進(jìn)行全數(shù)字去斜。根據(jù)步進(jìn)間隔值，對(duì)去斜后的子脈沖信號(hào)在時(shí)域進(jìn)行時(shí)移并相干合成，最后使用數(shù)字本振調(diào)整頻率和相位來(lái)補(bǔ)償孔徑渡越時(shí)間。結(jié)合理論分析仿真以及硬件系統(tǒng)驗(yàn)證了此方法的有效性和工程可實(shí)現(xiàn)性。

寬頻帶相控陣?yán)走_(dá)；孔徑渡越時(shí)間；調(diào)頻步進(jìn)信號(hào)；全去斜處理；數(shù)字下變頻

0 引 言

在現(xiàn)代高科技戰(zhàn)爭(zhēng)中，寬頻帶相控陣?yán)走_(dá)發(fā)揮了越來(lái)越重要的作用。為了實(shí)現(xiàn)高精度的距離分辨率，相控陣?yán)走_(dá)發(fā)射的信號(hào)必須采用大帶寬。為了實(shí)現(xiàn)高精度的角度分辨率，相控陣?yán)走_(dá)天線必須采用較大的口徑。為了實(shí)現(xiàn)空間大角度的空域覆蓋，需要相控陣?yán)走_(dá)必須具有寬角掃描能力。[1]但是，隨著相控陣?yán)走_(dá)的天線口徑和發(fā)射信號(hào)帶寬的增加，在波束掃描時(shí)天線波束隨著頻率而發(fā)生偏移，嚴(yán)重影響到目標(biāo)的檢測(cè)。[2-5]

隨著數(shù)字器件高速發(fā)展以及成熟應(yīng)用，可對(duì)接收到的吉赫瞬時(shí)帶寬信號(hào)數(shù)字采樣，使得寬帶相控陣信號(hào)全數(shù)字處理成為可能。[6-7]近年來(lái)，很多學(xué)者針對(duì)孔徑渡越時(shí)間的問(wèn)題進(jìn)行了數(shù)字補(bǔ)償技術(shù)研究。文獻(xiàn)[8]提出了一種基于子帶化的寬帶數(shù)字波束形成延時(shí)補(bǔ)償新方法，將延時(shí)補(bǔ)償合并到窄帶波束合成中，在多子帶處理的同時(shí)卻需要消耗更多的硬件資源。文獻(xiàn)[9]提出一種基于調(diào)頻步進(jìn)信號(hào)孔徑渡越時(shí)間的補(bǔ)償方法，在頻域進(jìn)行調(diào)頻步進(jìn)信號(hào)的處理，但并未解決高分辨距離模糊的問(wèn)題。

本文針對(duì)由于寬帶相控陣需要考慮孔徑渡越時(shí)間因素，采用調(diào)頻步進(jìn)信號(hào)(stepped-chirp)的方式，提出一種時(shí)域全數(shù)字去斜脈沖壓縮處理的方法，實(shí)現(xiàn)通道間信號(hào)的相參疊加。時(shí)域去斜法的一般處理流程：①每個(gè)通道對(duì)接收到的子脈沖模擬下變頻到中頻信號(hào)后經(jīng)過(guò)ADC數(shù)字量化；②對(duì)所有子脈沖全數(shù)字去斜后經(jīng)過(guò)時(shí)域搬移，最后在時(shí)域進(jìn)行相干合成；③每個(gè)通道的數(shù)字本振(NCO)設(shè)置不同頻率和相位進(jìn)行孔徑渡越時(shí)間的補(bǔ)償，確保每個(gè)通道輸出信號(hào)同頻同相；④對(duì)信號(hào)FFT處理，獲得目標(biāo)分辨距離信息。處理框架如圖1所示。

圖1 信號(hào)處理框圖

1 回波信號(hào)處理

設(shè)發(fā)射的調(diào)頻步進(jìn)信號(hào)表達(dá)式為

n=1,2…，N,(n-1)Tr≤t≤(n-1)Tr+Tp

(1)

式中，i=1,2,…,M,M為通道數(shù)；fc為載波頻率；Tp為子脈沖脈沖寬度；Tr為子脈沖重復(fù)周期；t為時(shí)間長(zhǎng)度；Δf為步進(jìn)頻率的大小；k為子脈沖線性調(diào)頻信號(hào)的調(diào)斜頻率；N為步進(jìn)脈沖的個(gè)數(shù)。第i個(gè)通道的第n個(gè)調(diào)頻子脈沖經(jīng)距離R處的點(diǎn)目標(biāo)反射后到達(dá)接收機(jī)的回波信號(hào)表達(dá)式為

(n-1)Tr+τi≤t≤(n-1)Tr+Tp+τi

(2)

其中，時(shí)延τi=Δ+αi，αi=dsinθ/c，d為陣元間距，θ為波束指向，其值與波束指向、陣元間距以及陣元號(hào)i有關(guān)。所有陣元的Δ是一樣的，為Δ=2R/c,即對(duì)于一個(gè)距離為R的靜止目標(biāo)到參考陣元的延時(shí)。

第i個(gè)通道接收到第n調(diào)頻個(gè)子脈沖回波信號(hào)，與射頻本振進(jìn)行模擬下變頻，得到第i個(gè)通道的第n個(gè)調(diào)頻子脈沖的中頻信號(hào)為

0≤t-(n-1)Tr-τi≤Tp,n=1,2,…,N

(3)

2 數(shù)字去斜處理

設(shè)全去斜參考信號(hào)為

0≤t-(n-1)Tr-τ0≤Tp_ref,n=1,2,…,N

(4)

其中τ0是Δ估計(jì)值。實(shí)際工程中可以通過(guò)窄帶信號(hào)的引導(dǎo)計(jì)算出大概的目標(biāo)距離R0，從而求得τ0=2R/c，經(jīng)數(shù)字去斜處理并通過(guò)低通濾波器后得到的信號(hào)為

(5)

由式(5)可以得出，混頻去斜后的調(diào)頻子脈沖信號(hào)是一個(gè)與時(shí)延有關(guān)的單頻信號(hào)，即僅與目標(biāo)距離有關(guān)，其中頻率和相位分別為

φi_n=2πfcαi+πk(τi2-τ02)

若不考慮孔徑渡越時(shí)間對(duì)接收信號(hào)的影響，每個(gè)通道的寬帶調(diào)頻步進(jìn)信號(hào)的子脈沖與參考信號(hào)進(jìn)行混頻去斜后得到的信號(hào)僅僅比前一個(gè)子脈沖多了一個(gè)由Δf/k決定的時(shí)間偏置。當(dāng)步進(jìn)頻率間隔等于子脈沖帶寬時(shí)，即Δf=k·Tp，且選取合適的采樣率fs，滿足fs·Tp為整數(shù)。此時(shí)，對(duì)于每個(gè)通道接收到的調(diào)頻步進(jìn)信號(hào)，在混頻去斜后相鄰兩個(gè)子脈沖的相位完全連續(xù)。如果將前一個(gè)脈沖的時(shí)域回波延遲一定時(shí)間Tdelay，其中Tdelay=Δf/k，那么相鄰的兩個(gè)子脈沖回波在全去斜后能夠在時(shí)域完整地連接起來(lái)。按此方法，將所有子脈沖全去斜后再經(jīng)過(guò)時(shí)間延遲，最后在時(shí)域合成，因此第i通道回波信號(hào)經(jīng)處理后如下式：

3 數(shù)字下變頻處理

由式(6)看出，混頻去斜后的信號(hào)的頻率與相位均與通道數(shù)i有關(guān)。由于單元之間的延遲，若不進(jìn)行時(shí)間補(bǔ)償，嚴(yán)重影響回波信號(hào)的合成效果，目標(biāo)的檢測(cè)性能惡化。因此，在數(shù)字下變頻處理時(shí)，對(duì)每一個(gè)通道數(shù)字本振(NCO)的頻率和初相根據(jù)孔徑渡越時(shí)間設(shè)定為不同的值，這樣在與接收信號(hào)混頻時(shí)可以保證混頻后的信號(hào)同頻同相，進(jìn)而可以對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行相參疊加。

設(shè)第i通道的NCO信號(hào)表達(dá)式為

(7)

其中τri=αi+τ0，因此混頻后可得

(8)

求得頻率為k(τ0-Δ)，與通道數(shù)i無(wú)關(guān)，相位為

(9)

該相位僅有第3項(xiàng)是與通道數(shù)有關(guān)。經(jīng)過(guò)計(jì)算，該項(xiàng)對(duì)不同通道的初相變化沒(méi)有大影響，相參疊加損失很小，可忽略該項(xiàng)。因此，最后的相位可表示為

(10)

由上兩式得出，下變頻后，不同通道的信號(hào)頻率和相位得到修復(fù)，可以實(shí)現(xiàn)相參疊加，實(shí)現(xiàn)了孔徑渡越時(shí)間的補(bǔ)償。

4 仿真分析及實(shí)際硬件系統(tǒng)的驗(yàn)證

基于某寬帶中頻數(shù)字T/R組件進(jìn)行硬件系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。該系統(tǒng)由8路發(fā)射通道和8路接收通道組成，產(chǎn)生5個(gè)子脈沖帶寬100 MHz的調(diào)頻步進(jìn)信號(hào)。為驗(yàn)證本文提出方法的有效性和工程可實(shí)現(xiàn)性，在理論仿真過(guò)程中，以兩個(gè)通道為例，仿真參數(shù)如表1所示。

表1 仿真參數(shù)表

以通道1為參考通道。在未對(duì)通道2 進(jìn)行孔徑渡越時(shí)間補(bǔ)償時(shí)，經(jīng)過(guò)理論計(jì)算，求得兩通道信號(hào)頻率分別為92.22、92.54 kHz。由圖2、圖3也可以看出，信號(hào)的頻率不同，對(duì)信號(hào)疊加作脈壓后，如圖4，除了在目標(biāo)位置100 km處出現(xiàn)了峰值，在99.97、100.02 km處出現(xiàn)柵瓣，高度與主瓣接近，嚴(yán)重影響目標(biāo)檢測(cè)。

由圖5可以看出，對(duì)接收通道2作數(shù)字補(bǔ)償后信號(hào)處理后的頻率幾乎與接收通道1相同，對(duì)接收信號(hào)可以相參疊加。由圖6可以看出，經(jīng)過(guò)時(shí)域去斜補(bǔ)償后，對(duì)調(diào)頻步進(jìn)信號(hào)脈壓處理，峰值只出現(xiàn)在目標(biāo)處，檢測(cè)性能明顯得到改善。

圖2 接收通道1結(jié)果

圖3 接收通道2補(bǔ)償前結(jié)果

圖4 補(bǔ)償前脈壓結(jié)果

圖5 接收通道2補(bǔ)償后結(jié)果

5 結(jié)束語(yǔ)

本文以線陣相控陣?yán)走_(dá)為例，針對(duì)信號(hào)帶寬受孔徑渡越時(shí)間限制的問(wèn)題，提出一種基于時(shí)域去斜的解決辦法，對(duì)去斜后的子脈沖信號(hào)在時(shí)域進(jìn)行時(shí)移并相干合成，最后使用數(shù)字本振調(diào)整頻率和相位來(lái)補(bǔ)償孔徑渡越時(shí)間，實(shí)現(xiàn)了靜止目標(biāo)的精確檢測(cè)。仿真分析以及結(jié)合硬件系統(tǒng)驗(yàn)證后，本文提出的方法可以有效改善寬帶調(diào)頻步進(jìn)信號(hào)的合成效果，使得各接收通道的回波信號(hào)相參疊加，保證了相控陣?yán)走_(dá)遠(yuǎn)距離探測(cè)的威力。

圖6 補(bǔ)償后脈壓結(jié)果

[1] 文樹(shù)梁,袁起,毛二可,等. 寬帶相控陣?yán)走_(dá)Stre-tch處理孔徑渡越時(shí)間數(shù)字補(bǔ)償技術(shù)[J]. 電子學(xué)報(bào),2005,(06):961-964.

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A digital compensation method based on wideband stepped frequency chirp signals

ZHOU Xi-chen1, ZHANG Zhi-wu2, ZHAI Gang-yi2, LI Yun-fei2

(1. China Ship Research and Development Academy, Beijing 100101;2. No. 724 Research Institute of CSIC, Nanjing 211153)

In view of the problem that the aperture fill time is limited for the stepped frequency chirp signals (SFCS) in the application of the wideband phased array radars (PAR), the processing model of the SFCS in the linear broadband PAR is analyzed based on the time-domain de-chirp method. A solution is proposed based on the time-domain de-chirp method, in which the fully digital de-chirp operation is performed on each sub-pulse signal of the SFCS. According to the step interval value, the sub-pulse signals are shifted in the time domain and coherently synthesized after the de-chirp operation. Finally, the digital LO is used to adjust the frequencies and phases to compensate the aperture fill time. The method is verified to be effective and feasible through the theoretical analysis and simulation and the hardware system.

wideband PAR; aperture fill time; SFCS; de-chirp method; DDC

TN958.92

A

1009-0401(2017)04-0007-04

2017-09-18；

2017-10-23

周希辰(1960-)，男，研究員，研究方向：雷達(dá)總體；張志武(1992-)，男，碩士研究生，研究方向：信號(hào)與信息處理；翟剛毅(1978-)，男，研究員，研究方向：雷達(dá)信息處理；李云飛(1982-)，男，工程師，碩士，研究方向：雷達(dá)信號(hào)處理。