數字陣列實時信號處理在船舶通信中的應用分析

歐陽軼 李菁 李楊 中國船舶重工集團有限公司第七二二研究所

引言：社會經濟的高速發展以及科學技術的不斷創新與應用促進了我國航海事業的進步與發展。雷達作為船舶通信體系中的重要組成部分，是保證船舶海上穩定與安全運行，實現船舶信息有效溝通的關鍵。而在航海事業進步與發展的同時，不同類型通信設備被應用到船舶設計中，在一定程度上增強了海上電磁干擾性，對船舶通信提出了更高要求。對此，為降低干擾信號的影響，將數字列陣實時信號處理技術應用與雷達通信系統設計中可有效提升系統抗干擾能力。對此，加強數字列陣實時信號處理在船舶通信中應用的研究具有重要現實意義。

1 數字陣列實時信號處理在船舶通信中的應用原理

1.1 船舶通信中數字列陣雷達基本原理

雷達是船舶通信系統中的重要組成部分，通過利用電磁波探測設備向探測目標發出電磁波并進行回波收集，根據電磁波反饋信息，獲取目標距離、位置變化情況等信息，實現船舶通信。因此，提升船舶通信系統抗電磁波信號干擾能力至關重要。而基于數字列陣下的船舶雷達系統的設計與應用，可有效滿足上述需求，降低電磁波干擾信號對船舶通信的影響。通常情況下，數字列陣雷達系統主要由列陣天線模塊、數字列陣實時信號處理模塊共同構成。其中船舶雷達通信系統數字列陣時信號處理模塊的信號列陣，可分為“數字陣列”與“模擬陣列”兩種形式。數字陣列（DAU）主要由數字T/R組件、數據傳輸系統（包括N-Rx組建通道、時鐘、Tx波形等）、數據處理系統（DBF處理設備、波形發生器等）共同組成。其主要工作原理為：當系統啟動后（處于發射模式）船舶雷達信號處理系統將對獲取一定的發射波束相位與掃描范圍并經由數據傳輸系統實現預設相位與發射波束掃描范圍的產生，并在上變頻以及相關裝置的作用下進行信號發出實現信號合成。此外，在接收器、下變頻、信號處理器等的作用下，實現信號處理確定目標，掌握目標運行情況。

1.2 陣列天線處理基礎理論

在船舶數字列陣雷達通信系統中，多數信號的處理是應用通過數字列陣進行具體體現的（波束合成除外）。基于此，在應用數字列陣實施信號處理技術時需對列陣天線處理的基本理論具有充分的掌握與了解。一般情況下，列陣天線的組成結構主要可分為“平面陣結構”與“直線陣結構”兩種形式。例如，圖1所表示的結構則為一維直線陣結構，在該結構中字母N代表天線陣元的總體數量，字母d主要代表著陣元與陣元之間的間距。當明確單元相對進步相位與電流幅值時，可依據有關公式對直線陣結構輻射情況具有一定的認知與掌握，包括天線輻射值的最值位置、旁瓣值最值位置等等。

圖1 直線陣結構

如圖2所示的二維平面陣結構則是基于直線陣結構上的延伸結構，該結構通常由多個天線單元共同組成，通過科學布設各天線單元之間的縱向與橫向位置，可建立數字計算模型，通過模型計算與分析對陣列天線的幅度、相位值等具有全面、準確的掌握與了解。在此基礎上根據實際情況與需求，可進行數字陣列波束自適應能力的調節，從而實現數字列陣的科學設計，保證數字列陣實時信號處理技術在船舶通信中應用的科學性與合理性，提升船舶通信系統整體性能與科學水平。

圖2 平面陣結構

2 數字陣列實時信號處理在船舶通信中的應用設計

基于數字陣列實時信號處理在船舶通信中的應用原理，結合船舶運行實際情況與需求，設計一種圓柱超短波相控天線陣列，用以進行通信系統自適應能力的提升，保障船舶通信質量與效率。在此過程中將船舶通信系統原有的套筒偶極子結構進行了改造，實現套筒偶極子和雙錐天線的有機結合，構成全新的套筒偶極子天線結構，用以保證天線結構對艦載通信需求的有效滿足。與此同時，由于圓柱陣具有良好的對稱性，可在一定程度上提升波束方向的穩定性。而通過數字陣列實時信號處理技術應用的性能仿真實驗，表示圓柱超短波相控天線陣列的設計與應用取得了一定增益成效，例如，當頻率在300Hz時，增益了2.99dBi。

3 結論

綜上所述，數字列陣實時信號處理在船舶通信中的有效應用，對提升船舶通信系統整體的自適應能力具有積極影響作用。本文從數字列陣實時信號處理技術的基礎理論出發，在此基礎上設計利用圓柱形陣列組織結構設計出了艦載超短波相控天線陣列并將其應用于船舶通信系統中，有效提升了系統電磁信號抗干擾能力，保證船舶通信的穩定與安全。