相控陣空管二次雷達數(shù)字波束形成方案

楊見 譚威

摘要

基于相控陣雷達越來越凸顯的諸多優(yōu)勢，在空管二次雷達領(lǐng)域也逐漸開始采用數(shù)字波束形成技術(shù)的相控陣雷達，以實現(xiàn)更加靈活的波束調(diào)度與控制等.本文主要對數(shù)字波束形成技術(shù)的基礎(chǔ)理論進行分析闡述，并提出基于均勻線陣相控陣空管二次雷達實際應(yīng)用的數(shù)字波束形成方案。

【關(guān)鍵詞】二次雷達 有源相控陣 數(shù)字波束形成 DBF 均勻線陣

通過用機械、機電與電子方式改變陣列天線單元輻射信號的相位，實現(xiàn)天線波束指向的技術(shù)，在雷達發(fā)展初期即己為人所知，但是真正的發(fā)展則是從冷戰(zhàn)開始，國際形勢的緊張、大型戰(zhàn)略相控陣雷達研制成功、良好的應(yīng)用效果以及成本的降低等，極大的促進了相控陣技術(shù)的發(fā)展。

1 相控陣雷達技術(shù)簡介及優(yōu)勢

用電子控制方法，實現(xiàn)天線波束指向在空間轉(zhuǎn)動或掃描的天線稱為電掃描天線，也即相控陣天線。

相控陣雷達具有天線波束快速掃描能力、天線波束形狀的捷變能力、空間功率合成能力、天線與雷達平臺的共性能力、多波束形成能力、空域濾波與空間定向能力等相較于傳統(tǒng)機械掃描雷達的明顯優(yōu)勢。

2 均勻線陣波束形成理論

假定某單個輻射源在遠場區(qū)P點的電場強度為：

式中，R為天線單元至測試點距離;A為電磁波長;f（θ，φ）為天線單元輻射方向圖;I₀為復(fù)振幅。

輻射源為多個陣元組成的陣列時，在遠區(qū)某測試點的總場強E應(yīng)用疊加定律可以認為是線陣中N個輻射單元在測試點的輻射場強之和，有：

式中，I_i可表示為a_i^-jiΔΦs其中，a_i為加權(quán)系數(shù);ΔΦ_B為均勻線陣中相鄰天線單元之間的饋電相位差。

若各天線單元方向圖相同，則總場強為：

式中，d為均勻天線陣列單元間距，而r;與r₀之差與雷達至觀測點距離相比較小，對場強E的影響可以忽略不計，則可以進一步簡化為：θ_B為波束的最大指向·當(dāng)θ_B指向法相時，ΔΦ_B=0。則上式可繼續(xù)簡化為：

由此可知，輻射場中某點的合成場強為所有天線單元方向圖與陣列因子的乘積之和。天線單元的方向圖在天線生產(chǎn)完畢后就己確定，故只需通過控制陣列因子也即下文的網(wǎng)絡(luò)加權(quán)系數(shù)即可實現(xiàn)輻射場中合成波束的形成。

3 加權(quán)網(wǎng)絡(luò)系數(shù)

為獲得所需的天線副瓣電平，陣列中各天線單元的激勵電流的幅度應(yīng)按一定的照射函數(shù)進行加權(quán);對采用數(shù)字式移相器的相控陣天線，在正常波束掃描要求的波束控制信號之外將相位加權(quán)控制信號加到陣列中某些單元的移相器上，改變陣列各天線單元激勵電流的相位，同時，它可以用于降低有源相控陣天線的副瓣，允許每一個數(shù)字T/R組件例的功率放大器具有相同的輸出功率電平，而無須采用具有多種輸出功率電平的放大器。故加權(quán)網(wǎng)絡(luò)系數(shù)的第一部分為形成理想波束的陣列加權(quán)值。

如15個通道的二次雷達和通道發(fā)射加權(quán)序列如圖1所示。

相控陣天線饋線網(wǎng)絡(luò)的每一個天線單元通道中，傳輸信號的幅度與相位應(yīng)保持一致，以保證相控陣天線的性能。為了滿足這一要求，必須對相控陣天線的饋線網(wǎng)絡(luò)中個通道內(nèi)信號傳輸過程中產(chǎn)生的幅度與相位進行測量與調(diào)整。因此網(wǎng)絡(luò)加權(quán)系數(shù)第二部分則是保證通道初始狀態(tài)幅相一致的補償參數(shù)，即通過幅相校準采集的試驗數(shù)據(jù)。

第三部分則是在通過初始幅相補償后，在微波暗室采集合成波束畸變修正數(shù)據(jù)。經(jīng)過理論加權(quán)序列對天線陣列傳輸信號進行加權(quán)后，各個通道在實際空間中輻射形成的合成波束會存在一定程度的畸變，而通過重復(fù)多次采集數(shù)據(jù)、修正、驗證的過程，最終獲取形成的理想波束的補償數(shù)據(jù)。

三部分的網(wǎng)絡(luò)加權(quán)系數(shù)相結(jié)合完成對發(fā)射/接收數(shù)據(jù)進行加權(quán)，最終實現(xiàn)輻射信號的波束合成。如圖2所示。

4 空管二次雷達數(shù)字波束形成

4.1 發(fā)射波束形成

空管二次雷達發(fā)射波束包括輻射詢問信號的和波束以及用于旁瓣抑制的控制波束。和波束主要將能量集中與主瓣，同時需對波束寬度進行適當(dāng)控制，而控制波束則是用于詢問旁瓣抑制，合成的波束為等幅同相的胖波束，故兩者的區(qū)別在于理論加權(quán)系數(shù)序列的不同。

由于和通道輻射的波束包含P1、P3脈沖，控制通道輻射波束為P2脈沖，3兩組脈沖由于不是在同一時刻輻射，故通過同一組陣列天線進行分時復(fù)用即可實現(xiàn)一組天線陣列輻射兩個不同類型波束的目的。

4.2 接收波束形成

相控陣雷達相對于傳統(tǒng)機械雷達優(yōu)勢更為明顯的一點，即同一組天線接收的數(shù)據(jù)通過調(diào)用不同的接收加權(quán)參數(shù)即可實現(xiàn)多個接收波束的合成，每個波束的形成都是獨立并行且互不干擾的。這在二次雷達領(lǐng)域的和接收波束、控制接收波束、差接收波束的形成上得到充分的應(yīng)用。

圖3即為空管二次雷達和通道數(shù)據(jù)經(jīng)過接收波束合成后產(chǎn)生的正交數(shù)據(jù)。

參考文獻

[1]相控陣雷達原理.張光義[M].國防工業(yè)出版社，2014.

[2][美]BassemR.Mahafza等著.雷達系統(tǒng)設(shè)計MATLAB仿真[M].中國工信集團出版社/電子工業(yè)出版社，2011.