數(shù)字陣列雷達(dá)系統(tǒng)的基本框架和工作原理

1、概述

數(shù)字陣列雷達(dá)系統(tǒng)在發(fā)射端通過(guò)天線向空間發(fā)射同時(shí)多波束信號(hào)進(jìn)來(lái)多目標(biāo) 探測(cè)。其中，數(shù)字波束形成技術(shù)是一種以數(shù)字信號(hào)的形式來(lái)實(shí)現(xiàn)在某個(gè)指定方向或 多個(gè)不同方向形成波束的技術(shù)。該技術(shù)通過(guò)使用軟件來(lái)控制權(quán)向量，從而更容易地 改變波束的指向，并利用數(shù)字處理方式的優(yōu)勢(shì)，提高了波束的分辨率和低副瓣的性 能，同時(shí)提高波束的抗干擾能力。DBF技術(shù)一開始主要運(yùn)用在雷達(dá)系統(tǒng)的接收端， 但經(jīng)過(guò)研究分析發(fā)現(xiàn)數(shù)字多波束形成技術(shù)也可在發(fā)射端使用。本章首先介紹數(shù)字 陣列雷達(dá)系統(tǒng)的基本框架，同時(shí)介紹基于均勻矩形平面陣列的發(fā)射陣列信號(hào)模型， 然后介紹發(fā)射數(shù)字多波束形成的基本原理和三種計(jì)算多波束權(quán)向量的算法，最后 給出不同算法的波束形成功率圖。

該數(shù)字陣列雷達(dá)系統(tǒng)主要由陣列天線、射頻模塊、數(shù)字T/R組件、多波束發(fā)射 信號(hào)模塊、接收信號(hào)處理模塊、數(shù)據(jù)處理模塊及控制單元等幾個(gè)部分組成。其中多 波束發(fā)射信號(hào)模塊根據(jù)探測(cè)多波束的需求，使用不同的波束形成算法來(lái)計(jì)算或查 表得到多波束發(fā)射的權(quán)值，再結(jié)合基帶信號(hào)的形式（如線性調(diào)頻信號(hào)）得到各發(fā)射 通道需要的多波束發(fā)射信號(hào)，然后通過(guò)數(shù)字T/R組件將發(fā)射信號(hào)送到射頻模塊， 完成射頻調(diào)制后通過(guò)陣列天線將信號(hào)發(fā)射出去；當(dāng)發(fā)射多波束信號(hào)遇到目標(biāo)以及 地海平面時(shí)，數(shù)字陣列雷達(dá)系統(tǒng)的接收機(jī)接收到由目標(biāo)和地海平面反射回來(lái)的信 號(hào)，然后各個(gè)陣元將接收到的射頻信號(hào)經(jīng)過(guò)射頻模塊變頻和數(shù)字T/R組件采樣后 得到數(shù)字中頻信號(hào)，最后將該接收信號(hào)送入數(shù)字信號(hào)處理機(jī)進(jìn)行接收信號(hào)處理，主 要通過(guò)對(duì)接收信號(hào)使用多波束形成技術(shù)得到多個(gè)波束通道，然后針對(duì)每個(gè)波束通 道進(jìn)行空時(shí)信號(hào)處理與雜波抑制，從而實(shí)現(xiàn)目標(biāo)檢測(cè)，檢測(cè)到目標(biāo)后使用基于壓縮 感知理論的測(cè)角技術(shù)進(jìn)行目標(biāo)角度測(cè)量，然后控制單元根據(jù)處理結(jié)果實(shí)施相應(yīng)的 控制。

各個(gè)陣列通道的射頻信號(hào)經(jīng)過(guò)數(shù)字 T/R組件采樣和數(shù)字下變頻后得到了數(shù)字基帶信號(hào)；在完成通道校正后，根據(jù)發(fā)射 多波束的方向進(jìn)行接收數(shù)字多波束形成，得到P個(gè)波束通道；然后針對(duì)每個(gè)波束通 道，依次完成匹配濾波、空時(shí)雜波處理和目標(biāo)檢測(cè)；檢測(cè)到目標(biāo)后，針對(duì)目標(biāo)所在 距離單元進(jìn)行超分辨測(cè)角，最終將目標(biāo)檢測(cè)結(jié)果及參數(shù)測(cè)量信息輸出，送數(shù)據(jù)處理 模塊完成后續(xù)處理。

數(shù)字陣?yán)走_(dá)發(fā)射數(shù)字波束的形成過(guò)程是通過(guò)改變發(fā)射信號(hào)的相位和幅度，從 而讓每個(gè)天線陣元的信號(hào)獲得相位補(bǔ)償后，利用天線陣元將發(fā)射信號(hào)輻射出去，然 后在空間的某個(gè)方向形成波束。

在基帶分別對(duì)發(fā)射信號(hào)進(jìn)行幅度和相位加權(quán)以實(shí)現(xiàn)陣元相位補(bǔ)償，若想進(jìn)一步降低副瓣可以通過(guò)使用加窗函數(shù)的方法來(lái)控制權(quán) 向量的幅度。數(shù)字配相法可根據(jù)不同需求在空間形成單個(gè)波束或者同時(shí)形成多個(gè) 波束指向不同且波束形狀可不相同的波束，從而實(shí)現(xiàn)發(fā)射數(shù)字多波束形成。

基于數(shù)字配相法的發(fā)射多波束形成只要已知陣列的結(jié)構(gòu)和信號(hào)對(duì)應(yīng)的陣列導(dǎo) 向矢量，就可以輕易計(jì)算出每組權(quán)向量的值。該方法使用的是靜態(tài)權(quán)向量，所以該 方法更適合發(fā)射信號(hào)之間相互獨(dú)立的情況，此時(shí)各個(gè)波束之間是相互獨(dú)立的關(guān)系。但是當(dāng)發(fā)射信號(hào)相關(guān)時(shí)，多波束形成時(shí)的和功率方向圖不等于每個(gè)發(fā)射信號(hào)的功 率方向圖相加，此時(shí)還需加上信號(hào)之間相關(guān)分量對(duì)應(yīng)的功率方向圖，對(duì)于發(fā)射信號(hào) 是相同信號(hào)時(shí)，此時(shí)多波束形成的多個(gè)權(quán)向量疊加作為單一信號(hào)的新權(quán)向量。

2、功率放大器對(duì)發(fā)射同時(shí)數(shù)字多波束的影響

數(shù)字陣列雷達(dá)系統(tǒng)的發(fā)射同時(shí)多波束形成技術(shù)的研究可知，數(shù)字 陣列雷達(dá)系統(tǒng)的發(fā)射機(jī)在發(fā)射信號(hào)時(shí)需要利用功率放大器將輸入信號(hào)放大后再輸 出。實(shí)際上射頻功放的最大特點(diǎn)是其非線性特性，若輸入混合信號(hào)的電平越大，由 非線性產(chǎn)生的失真分量越多，發(fā)射信號(hào)的畸變?cè)絿?yán)重。根據(jù)上一章發(fā)射同時(shí)多波束 形成的原理可知，天線陣元發(fā)射的信號(hào)是多個(gè)信號(hào)進(jìn)行加權(quán)疊加后的和信號(hào)，此時(shí) 和信號(hào)的包絡(luò)不是固定不變的。如果功率放大器在線性區(qū)域工作，此時(shí)功率較小從 而導(dǎo)致工作效率低，如果功率放大器在非線性區(qū)域工作，混合信號(hào)作為輸入信號(hào)經(jīng) 過(guò)功放后會(huì)產(chǎn)生互調(diào)分量，從而對(duì)發(fā)射同時(shí)數(shù)字多波束產(chǎn)生一定的影響。為了從理 論上更好地分析發(fā)射數(shù)字多波束場(chǎng)景下的功放非線性特性的影響，首先要對(duì)功率 放大器建立合適的數(shù)學(xué)模型，然后分析輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)無(wú)記憶功放行為模型得到的 輸出信號(hào)，通過(guò)頻譜圖分析第二章的三種波束形成算法的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)期望信號(hào)波束 形成的峰值功率與互調(diào)分量波束形成的峰值功率的比值作為指標(biāo)，利用該指標(biāo)分 析功放的非線性特性對(duì)數(shù)字陣?yán)走_(dá)發(fā)射同時(shí)多波束的影響。

數(shù)字陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)發(fā)射信號(hào)時(shí)通常需要借助功率放大器將輸入信號(hào)功率放大后， 再通過(guò)天線將輸入混合信號(hào)輻射到空間，因此功率放大器的特性會(huì)對(duì)發(fā)射信號(hào)所 攜帶的信息產(chǎn)生影響。眾所周知，非線性特性是功率放大器固有的特點(diǎn)，其會(huì)導(dǎo)致 信號(hào)的波形產(chǎn)生失真，通常表現(xiàn)在新頻率的出現(xiàn)，除了原始信號(hào)的頻率分量外，還 會(huì)包含很多高次諧波分量以及由各信號(hào)頻率與它們諧波分量之間的和頻率或差頻 率即互調(diào)分量。那么在數(shù)字陣發(fā)射同時(shí)多波束形成系統(tǒng)中，其發(fā)射信號(hào)通常是多個(gè) 不同信號(hào)疊加后的和信號(hào)，由于功率放大器始終存在著非線性特性，一旦功率放大 器工作在非線性區(qū)時(shí)，那么輸入混合信號(hào)通過(guò)功率放大器放大后的輸出信號(hào)中不 僅包括原始的輸入混合信號(hào)的信息，還會(huì)存在與新頻率對(duì)應(yīng)的互調(diào)分量與諧波分 量。若是從雷達(dá)發(fā)射多波束進(jìn)行目標(biāo)探測(cè)的角度來(lái)看，互調(diào)分量對(duì)應(yīng)的信號(hào)就變成 了干擾，那么就有可能導(dǎo)致發(fā)射同時(shí)多波束的功率方向圖發(fā)生畸變，且會(huì)增大雜波 信號(hào)的能量，在一定程度上會(huì)影響主波束對(duì)目標(biāo)的探測(cè)。

3、基于同時(shí)接收多波束的空時(shí)雜波抑制算法

全數(shù)字化的陣列雷達(dá)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)檢測(cè)、搜索、定位、跟蹤、尋找等一體 化雷達(dá)技術(shù)。發(fā)射多波束形成是實(shí)現(xiàn)雷達(dá)技術(shù)一體化的重要實(shí)現(xiàn)途徑。在接收端對(duì) 每個(gè)發(fā)射波束的回波進(jìn)行同時(shí)接收處理，可提高系統(tǒng)信號(hào)處理效率。在雷達(dá)系統(tǒng)接 收到的回波信號(hào)中，其中目標(biāo)信號(hào)是感興趣的信號(hào)，而摻雜的干擾信號(hào)和雜波信號(hào) 是不感興趣的信號(hào)，此時(shí)需要將干擾和雜波等不感興趣信號(hào)進(jìn)行濾波抑制，從而避 免其對(duì)目標(biāo)信號(hào)檢測(cè)的影響。本章首先介紹陣列接收信號(hào)模型和雜波空時(shí)信號(hào)模 型，根據(jù)發(fā)射同時(shí)多波束信號(hào)進(jìn)行多目標(biāo)探測(cè)的需求，對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行多波束形成 技術(shù)形成多個(gè)波束通道，然后分別對(duì)每個(gè)波束通道進(jìn)行空時(shí)信號(hào)處理與雜波抑制。因此，介紹非自適應(yīng)處理和STAP自適應(yīng)處理這兩種雜波抑制算法，最后根據(jù)不同 場(chǎng)景給出實(shí)驗(yàn)仿真。

表示同時(shí)多波束形成框架下進(jìn)行雜波抑制的非自適應(yīng)處理過(guò)程，首先對(duì) 回波信號(hào)在空域上進(jìn)行同時(shí)多波束形成，得到多個(gè)波束通道后，分別對(duì)每個(gè)波束通 道進(jìn)行匹配濾波，MTD處理和CFAR檢測(cè)，若存在目標(biāo)，則輸出目標(biāo)所在的距離 和多普勒信息，最后用超分辨方法進(jìn)行角度測(cè)量。因此，在發(fā)射同時(shí)多波束的框架 下可以實(shí)現(xiàn)同時(shí)多目標(biāo)檢測(cè)。當(dāng)發(fā)射信號(hào)是獨(dú)立信號(hào)時(shí)，通過(guò)對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行波束 形成和匹配濾波可以減少其他波束的干擾，但當(dāng)發(fā)射信號(hào)是相同信號(hào)時(shí)，對(duì)回波信 號(hào)進(jìn)行波束形成和匹配濾波并不能完全避免其他波束的干擾。

空時(shí)自適應(yīng)處理的原理是根據(jù)最后輸出的信雜噪比（Signal to Clutter Noise Ratio, SCNR）取得最大值的準(zhǔn)則計(jì)算出一組最優(yōu)權(quán)向量，然后對(duì)每個(gè)脈沖的匹配 濾波輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行權(quán)向量加權(quán)后求和。

若陣列陣元數(shù)或者脈沖數(shù)過(guò)多時(shí)，常規(guī)的空時(shí)自適應(yīng)處理計(jì)算量大，在實(shí)際工 程中實(shí)現(xiàn)困難，因此實(shí)際應(yīng)用中通常會(huì)考慮使用降維STAP處理。JDL降維STAP 算法[ 26]主要是選取一個(gè)主通道，然后選擇主通道臨近的一些輔助通道來(lái)消除目標(biāo) 所在位置的雜波信號(hào)。

數(shù)字陣?yán)走_(dá)陣列接收到的回波信號(hào)經(jīng)過(guò)匹配濾波后的數(shù)據(jù)一般稱為空域-時(shí)域 數(shù)據(jù)，降維STAP算法需要通過(guò)FFT變換將空域-時(shí)域數(shù)據(jù)變換到角度-多普勒域。均勻矩形平面陣陣列的接收數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)FFT變換后共有MNK個(gè)通道，每個(gè)通道對(duì)應(yīng) 著不同的角度-多普勒頻域。因?yàn)槟繕?biāo)所在的通道存在著一定的雜波信號(hào)，因此可 借助目標(biāo)通道附近的輔助通道來(lái)對(duì)消主通道的雜波，從而更好地實(shí)現(xiàn)目標(biāo)檢測(cè)。而 降維STAP的關(guān)鍵是降維矩陣T的構(gòu)建，一般選擇的波束域不同，那么選擇的輔助 通道也不同，即從1T抽取得到T的方法不同。

圖4-8 JDL3×3角度-多普勒二維波束選擇示意圖

綜上，同時(shí)多波束框架下進(jìn)行雜波抑制的降維空時(shí)自適應(yīng)處理流程如圖4-9所 示。首先構(gòu)造降維矩陣T，將回波數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為角度-多普勒域數(shù)據(jù)Tx，然后再對(duì)數(shù)據(jù)T x做匹配濾波，使用匹配濾波輸出數(shù)據(jù)估計(jì)協(xié)方差矩陣，從而計(jì)算最優(yōu)權(quán)向量， 使用最優(yōu)權(quán)向量對(duì)數(shù)據(jù)Tx進(jìn)行加權(quán)處理后實(shí)現(xiàn)雜波抑制，最后進(jìn)行CFAR檢測(cè)。 為降低運(yùn)算量，不直接對(duì)陣列接收到的回波數(shù)據(jù)做匹配濾波，先通過(guò)降維矩陣T實(shí) 現(xiàn)降維后再進(jìn)行匹配濾波。若發(fā)射多波束個(gè)數(shù)為4時(shí)，接收的主波束通道也為4， 使用JDL3×3降維STAP算法，每個(gè)主波束通道還應(yīng)有兩個(gè)相鄰的輔助通道，則 需要的波束通道數(shù)總共為12個(gè)，匹配濾波器的數(shù)量由原來(lái)的陣元通道數(shù)降低為12 個(gè)，從而降低了計(jì)算量。

審核編輯：湯梓紅