寬帶單元數(shù)字陣?yán)走_(dá)延時(shí)方法

朱張勤，鄭萬(wàn)青

(南京電子技術(shù)研究所,　南京 210039)

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寬帶單元數(shù)字陣?yán)走_(dá)延時(shí)方法

朱張勤，鄭萬(wàn)青

(南京電子技術(shù)研究所,南京 210039)

針對(duì)寬帶數(shù)字陣?yán)走_(dá)相位掃描時(shí)的孔徑渡越問(wèn)題，分別研究了針對(duì)寬帶線(xiàn)性調(diào)頻信號(hào)的上行鏈路移頻移相和下行鏈路整數(shù)和分?jǐn)?shù)階延時(shí)相結(jié)合的單元級(jí)數(shù)字延時(shí)方法，克服了寬帶數(shù)字陣?yán)走_(dá)由于方位大角度掃描導(dǎo)致的波束色散、增益下降問(wèn)題，替代模擬延時(shí)線(xiàn)補(bǔ)償方法，降低了雷達(dá)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜度和系統(tǒng)重量。文中通過(guò)分析并計(jì)算了上行鏈路需要的移頻量和移相量、以及數(shù)字有限沖擊響應(yīng)濾波器延時(shí)的響應(yīng)特性，并通過(guò)仿真驗(yàn)證了上、下行鏈路補(bǔ)償?shù)男Ч?/p>

寬帶數(shù)字陣?yán)走_(dá)；孔徑渡越；延時(shí)補(bǔ)償

0　引　言

相控陣?yán)走_(dá)技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了從無(wú)源到有源，從一維到二維的發(fā)展。隨著寬帶微波器件、高速數(shù)字處理器和數(shù)字控制頻率源等新技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展，高分辨雷達(dá)的研制與應(yīng)用越來(lái)越廣[1]，以滿(mǎn)足多種軍事和民事的應(yīng)用。

高分辨雷達(dá)必須發(fā)射寬帶信號(hào)波形以獲得雷達(dá)目標(biāo)的成像。采用寬帶信號(hào)是機(jī)載、空間載寬帶相控陣?yán)走_(dá)實(shí)現(xiàn)雷達(dá)遙感、檢測(cè)地面或海面靜止與運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的重要手段，也是地基或?；鶎拵嗫仃?yán)走_(dá)對(duì)空中或空間飛行目標(biāo)進(jìn)行逆合成孔徑成像的前提條件，同時(shí)是解決多目標(biāo)分辨、目標(biāo)分類(lèi)和識(shí)別、目標(biāo)屬性判別等難題的重要途徑[2-4]。

大孔徑雷達(dá)帶寬較大時(shí)，進(jìn)行大角度掃描，陣面兩端發(fā)射或接收的信號(hào)由于目標(biāo)的距離差會(huì)引起孔徑渡越效應(yīng)，影響波束合成[1,5-7]。為實(shí)現(xiàn)寬帶寬角掃描，需采用真實(shí)時(shí)間延遲線(xiàn) (TTD)取代常規(guī)相控陣?yán)走_(dá)中的各天線(xiàn)單元的移相器[8]，但這給工程實(shí)現(xiàn)帶

來(lái)困難，折中的方法是在相控陣?yán)走_(dá)天線(xiàn)陣列中采用子陣劃分的方法，在子陣級(jí)別上引入TTD，進(jìn)行子陣級(jí)的延時(shí)補(bǔ)償，為此系統(tǒng)將變得非常復(fù)雜。常見(jiàn)的實(shí)時(shí)延遲線(xiàn)有傳統(tǒng)的波導(dǎo)和同軸延遲線(xiàn)、聲表面波延遲線(xiàn)、電荷耦合器件和近年來(lái)研究較多的光纖延遲線(xiàn)。

本文根據(jù)寬帶數(shù)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(shù)延時(shí)和分?jǐn)?shù)階延時(shí)相結(jié)合的方法進(jìn)行延時(shí)補(bǔ)償替代延時(shí)線(xiàn)，在數(shù)字域上實(shí)現(xiàn)了寬帶數(shù)字波束形成，降低了系統(tǒng)的復(fù)雜度并減輕系統(tǒng)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(dá)信號(hào)可以表示為

(1)

第k號(hào)陣元接收到的回波信號(hào)形式為

(2)

下變頻后基帶信號(hào)xkb(t)為

(3)

可見(jiàn)數(shù)字波束合成需要對(duì)第二項(xiàng)進(jìn)行數(shù)字移相補(bǔ)償，對(duì)其第三項(xiàng)進(jìn)行時(shí)延補(bǔ)償，就可以使各個(gè)陣元接收到的信號(hào)同相疊加，進(jìn)而在預(yù)期方向上形成波束。

1.2線(xiàn)性調(diào)頻信號(hào)(LFM)上行移頻移相技術(shù)

對(duì)于發(fā)射信號(hào)是LFM形式的寬帶數(shù)字陣?yán)走_(dá)，上行鏈路的孔徑渡越補(bǔ)償可以采用移頻移相的方法實(shí)現(xiàn)，移頻移相基本原理：

寬帶LFM信號(hào)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(dǎo)致的時(shí)間差設(shè)為ΔTi，上行鏈路信號(hào)為

s(t-ΔTi)=A(t-ΔTi)exp[j2πf0(t-ΔTi)+

jπk(t-ΔTi)2]=

(5)

其中，k為L(zhǎng)FM信號(hào)斜率

(6)

式中：第一項(xiàng)為正常線(xiàn)性調(diào)頻信號(hào)；第二項(xiàng)是由于時(shí)間差導(dǎo)致的相位偏移量即為移頻移相中的移相補(bǔ)償?shù)南辔徊?；第三?xiàng)為移頻項(xiàng)；第四項(xiàng)為延時(shí)的平方項(xiàng)為常數(shù)的小項(xiàng)，實(shí)際工程應(yīng)用中可忽略。每路信號(hào)需要移的頻率為

Δfi=-kΔTi

(7)

(8)

1.3下行鏈路的孔徑渡越補(bǔ)償技術(shù)

延時(shí)有限沖擊響應(yīng)(FIR)濾波器可以用以下公式表示，如果公式中D不是整數(shù)，則這種濾波器在物理上是不可實(shí)現(xiàn)的。通?？梢圆捎玫霓k法是對(duì)其進(jìn)行加窗，將其變成因果可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)，即

(9)

式中：a(0

表1　FIR濾波器的幅頻響應(yīng)特性和群延時(shí)特性

根據(jù)模數(shù)轉(zhuǎn)換(AD)采樣時(shí)鐘和信號(hào)帶寬要求，可以確定最小FIR濾波器階數(shù)。

寬帶數(shù)字陣?yán)走_(dá)進(jìn)行寬角度掃描時(shí)，需要對(duì)各陣元信號(hào)的復(fù)包絡(luò)信號(hào)進(jìn)行精確時(shí)延補(bǔ)償，同時(shí)進(jìn)行傳統(tǒng)的移相處理使各陣元數(shù)字信號(hào)能夠在時(shí)間上對(duì)齊，從而實(shí)現(xiàn)各陣元信號(hào)同相相加，使陣列在期望方向上達(dá)到最佳的能量增益。

基于分?jǐn)?shù)階時(shí)延濾波的寬帶DBF處理流程如圖1所示。

圖1　基于分?jǐn)?shù)階時(shí)延濾波的寬帶DBF處理流程

2　實(shí)驗(yàn)與分析

本論文仿真S頻段200MHz瞬時(shí)帶寬下的寬帶延時(shí)補(bǔ)償性能，采樣時(shí)鐘為480MHz，AD數(shù)據(jù)通過(guò)下采樣將I和Q通道降為240MHz數(shù)據(jù)率，陣面數(shù)目為96列×16行，單元間距為0.04m。根據(jù)FIR的幅頻響應(yīng)特性，選擇32階FIR濾波器進(jìn)行分?jǐn)?shù)階延時(shí)，寬帶數(shù)字陣掃描角設(shè)置為方位30°，俯仰0°。

2.1寬角掃描色散仿真

從仿真結(jié)果看，進(jìn)行孔徑渡越補(bǔ)償前，200MHz瞬時(shí)帶寬內(nèi)各點(diǎn)頻的波束指向存在色散，其中3.2GHz和3.4GHz頻點(diǎn)相對(duì)于3.3GHz的中心頻點(diǎn)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(bǔ)償前各點(diǎn)頻方向圖

2.2上行鏈路延時(shí)補(bǔ)償仿真

對(duì)于線(xiàn)性調(diào)頻信號(hào)，上行鏈路的孔徑渡越補(bǔ)償可以通過(guò)移頻移相的方法實(shí)現(xiàn)，仿真處理前后曲線(xiàn)如圖3和圖4所示。

圖3　未進(jìn)行孔徑渡越處理的兩路線(xiàn)性調(diào)頻信號(hào)

圖4　進(jìn)行孔徑渡越處理后的兩種線(xiàn)性調(diào)頻信號(hào)

從上面兩圖可以看出，未進(jìn)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(fā)射信號(hào)存在一定的時(shí)延差，時(shí)延差會(huì)導(dǎo)致各單元的發(fā)射信號(hào)無(wú)法同頻點(diǎn)形成波束。

移頻移相處理后的兩路信號(hào)起始和終止頻率不同，但同一時(shí)刻各單元的信號(hào)頻點(diǎn)相同。因此，雖然在孔徑渡越時(shí)間內(nèi)由于時(shí)間延時(shí)發(fā)射能量存在一定的損失，但發(fā)射波束可以有效形成，按照本論文的參數(shù)相掃60°時(shí)，其損失的能量比例不超過(guò)0.05%，對(duì)威力基本無(wú)影響。2.3下行鏈路延時(shí)補(bǔ)償仿真

下行鏈路采用整數(shù)延時(shí)和分?jǐn)?shù)階延時(shí)相結(jié)合的方法，將每個(gè)單元需要延時(shí)的延時(shí)除以AD采樣時(shí)鐘，整數(shù)部分通過(guò)AD數(shù)據(jù)移動(dòng)采樣節(jié)拍來(lái)實(shí)現(xiàn)，而分?jǐn)?shù)部分通過(guò)32階FIR濾波器延時(shí)實(shí)現(xiàn)。

圖5　寬帶數(shù)字陣下行鏈路延時(shí)后200 MHz帶寬內(nèi)各點(diǎn)頻方向圖

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，通過(guò)整數(shù)階和分?jǐn)?shù)階延時(shí)后，各點(diǎn)頻在方位掃描角30°主波束已無(wú)色散，增益不損失。

3　結(jié)束語(yǔ)

寬帶數(shù)子陣?yán)走_(dá)進(jìn)行寬角度掃描時(shí)存在孔徑渡越現(xiàn)象，本文針對(duì)LFM寬帶信號(hào)的渡越時(shí)間補(bǔ)償問(wèn)題，上行鏈路采用了移頻移相的方法，下行鏈路采用整數(shù)延時(shí)與分?jǐn)?shù)階延時(shí)相結(jié)合的方法，有效補(bǔ)償了單元間的延時(shí)差，消除了波束形成的色散和增益損失，為寬帶數(shù)字陣的工程研制提供了依據(jù)。

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朱張勤男，1982年生，博士，高級(jí)工程師。研究方向?yàn)槔走_(dá)電訊總體技術(shù)。

鄭萬(wàn)青男，1981年生，碩士，高級(jí)工程師。研究方向?yàn)槔走_(dá)電訊總體技術(shù)與技術(shù)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(hào)處理·DOI：10.16592/j.cnki.1004-7859.2016.06.007