相控陣?yán)走_(dá)探通一體化關(guān)鍵技術(shù)研究

邢文革，周傳睿，周 程

（1.東南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210096；2.南京電子技術(shù)研究所，江蘇 南京 210039）

0 引 言

相控陣?yán)走_(dá)在先進(jìn)軍事裝備上的大量運(yùn)用為射頻資源的一體化應(yīng)用創(chuàng)造了條件。美國將探通一體化作為雷達(dá)等裝備的優(yōu)先發(fā)展方向，如F22的APG77雷達(dá)已可實(shí)現(xiàn)探通一體工作，還有SPY-6雷達(dá)也進(jìn)行了相關(guān)技術(shù)研究。國內(nèi)起步相對較晚，相關(guān)科研院所和高校對于相控陣?yán)走_(dá)的探通一體技術(shù)也進(jìn)行了深入研究，集中在波形設(shè)計(jì)及處理、探通架構(gòu)體系研究等方面，也在試驗(yàn)室條件下開展了工程樣機(jī)研究，但大多數(shù)成果對裝備建設(shè)參考意義有限。此外，我國雖進(jìn)行了相關(guān)能力演示，但典型的時(shí)分復(fù)用探通工作機(jī)制導(dǎo)致通信能力受限，資源利用率不高，傳統(tǒng)的雷達(dá)射頻前端難以支撐高階通信方式。因此，探通一體工程研究亟需豐富探通工作機(jī)制、對資源調(diào)度和射頻前端設(shè)計(jì)等技術(shù)進(jìn)一步開展研究。

1 工程框架設(shè)計(jì)

基于現(xiàn)有的雷達(dá)結(jié)構(gòu)，本文提出了一種探測通信一體化的處理架構(gòu)。通信專用設(shè)備為網(wǎng)絡(luò)管理和調(diào)制解調(diào)，前者負(fù)責(zé)通信業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的處理，后者完成上下行通信數(shù)據(jù)的調(diào)制和解調(diào)。

目前已發(fā)表的研究成果中，絕大部分關(guān)于探通一體的工作機(jī)制可以分為4種，分別是時(shí)分復(fù)用、頻分復(fù)用、空分復(fù)用以及特殊波形。其中，時(shí)分復(fù)用即雷達(dá)和通信分別在獨(dú)立的時(shí)間段里實(shí)現(xiàn)各自的功能，此類工作機(jī)制易于實(shí)現(xiàn)，運(yùn)用廣泛，研究成果較多。頻分復(fù)用為雷達(dá)和通信分別在不同的頻域進(jìn)行各自射頻信號的生成，兩者疊加之后同時(shí)收發(fā)。國內(nèi)外學(xué)者對于多載波工作和頻帶間隙工作等方式進(jìn)行了相關(guān)研究。空分復(fù)用是指利用數(shù)字相控陣?yán)走_(dá)的多波束能力，在不同的波束方向分別實(shí)現(xiàn)探測和通信功能。國內(nèi)外學(xué)者對于主副瓣復(fù)用，多波束復(fù)用等方向開展了研究。特殊波形是指采用綜合化波形實(shí)現(xiàn)目標(biāo)探測和數(shù)據(jù)傳輸功能，此種方式局限性較高，離工程應(yīng)用尚有距離。

為了更好地在現(xiàn)有雷達(dá)架構(gòu)下實(shí)現(xiàn)探測通信結(jié)合，本文提出了一種“時(shí)分復(fù)用為主，頻分復(fù)用和空分復(fù)用為輔”的工作機(jī)制。

2 關(guān)鍵性工程設(shè)計(jì)

結(jié)合相控陣?yán)走_(dá)的基礎(chǔ)架構(gòu)和探通工作機(jī)制，首先要梳理探通一體化工程設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)中的一些重點(diǎn)和難點(diǎn)。圖1為本文所提探通一體化處理架構(gòu)示意圖，其中，通信專用部分（網(wǎng)管和調(diào)制解調(diào)）在通信設(shè)備中運(yùn)用廣泛，實(shí)現(xiàn)成熟；雷達(dá)的處理、控制、波形及波束形成部分與探測通信要求一致，無需特別設(shè)計(jì)；而發(fā)射 接收（transmit／receive，T／R）組件和后端資源調(diào)度若要實(shí)現(xiàn)探通一體化工作，則需要考慮到探測和通信兩方面的需求進(jìn)行新的設(shè)計(jì)，這是工程實(shí)現(xiàn)的重難點(diǎn)。

圖1 探通一體實(shí)現(xiàn)功能框圖Fig.1 Detection and communication integration implementation function diagram

對于資源調(diào)度，相控陣?yán)走_(dá)需設(shè)計(jì)統(tǒng)一的資源調(diào)度，以保證探測和通信的協(xié)調(diào)工作，由于通信的強(qiáng)時(shí)序性要求，該資源調(diào)度模塊還需要考慮到全局的通信需求，需要在調(diào)度成功率和資源利用率兩方面達(dá)到預(yù)計(jì)指標(biāo)。

對于T／R組件，探測通信需求有所異同，關(guān)鍵性需求也有所區(qū)別，具體列舉如表1所示。分析可得，T／R組件需要在保證帶內(nèi)高平坦度和大帶寬工作的前提下兼顧探測所需的飽和發(fā)射通信所需的線性發(fā)射。面對此問題，需要重點(diǎn)設(shè)計(jì)T／R的發(fā)射鏈路與接收鏈路。

表1 探通一體對T／R組件需求比較Table 1 Comparison of T／R modulation requirements of detection and communication integration

2.1 一體化資源調(diào)度設(shè)計(jì)

2.1.1 一體化資源調(diào)度設(shè)計(jì)概述

目前經(jīng)典的相控陣資源調(diào)度思想是時(shí)間窗和雙門限調(diào)度。在此基礎(chǔ)上，有研究人員結(jié)合各種優(yōu)化思想做出了研究，但對于探通一體相控陣?yán)走_(dá)所需的通信（強(qiáng)同步任務(wù)）和探測（單平臺任務(wù)）一體化調(diào)度的研究很少。在本工程設(shè)計(jì)中，針對多平臺之間任務(wù)的全局調(diào)度問題，考慮到通信收發(fā)雙方時(shí)隙嚴(yán)格對準(zhǔn)的需求，本文設(shè)計(jì)了一種基于異步雙時(shí)間指針的探通同時(shí)多任務(wù)資源調(diào)度算法。

探通一體的資源調(diào)度首先需要與“時(shí)分為主，頻分和空分為輔”的工作機(jī)制相匹配，其次調(diào)度設(shè)計(jì)需要考慮如下3項(xiàng)原則。

（1）優(yōu)先級原則，即有限的資源優(yōu)先分給高優(yōu)先級任務(wù)。典型的任務(wù)優(yōu)先級排序?yàn)槟繕?biāo)跟蹤＞多站通信＞有源搜索＞無源搜索＞自檢工作。

（2）時(shí)間利用原則，即

式中：SI為當(dāng)前調(diào)度時(shí)間間隔總長度；為當(dāng)前調(diào)度間隔內(nèi)調(diào)度成功的任務(wù)個(gè)數(shù)；dwell T 為任務(wù)駐留時(shí)間長度。時(shí)間利用原則要求在一個(gè)調(diào)度間隔內(nèi)盡可能地安排更多的任務(wù)，使得其空閑時(shí)間盡可能少，提高系統(tǒng)時(shí)間資源利用率。

（3）期望時(shí)間原則：

式中：exp T 為任務(wù)期望執(zhí)行時(shí)刻；excu T 為任務(wù)實(shí)際執(zhí)行時(shí)刻。期望時(shí)間原則要求每個(gè)任務(wù)請求的實(shí)際執(zhí)行時(shí)刻盡可能靠近其期望執(zhí)行時(shí)刻。建立系統(tǒng)任務(wù)模型：＝｛taskID，Tasktype，pri，exp T，dwell T，win T，excu T｝，模 型中各參數(shù)的含義如表2所示。

表2 模型參數(shù)Table 2 Model parameter

其中，excu T∈［exp T-win T，exp T＋win T］，exp Twin T為最早可執(zhí)行時(shí)間；exp T＋win T為最晚可執(zhí)行時(shí)間或截止時(shí)間。

還需定義單個(gè)任務(wù)收益模型，記為（），定義如下：

式中：pri表示優(yōu)先級貢獻(xiàn)的調(diào)度收益；等號右側(cè)第二項(xiàng)表明時(shí)間緊迫性貢獻(xiàn)的調(diào)度收益。

建立任務(wù)模型和調(diào)度收益模型之后，構(gòu)建該算法流程。定義兩類時(shí)間指針：全局通信時(shí)間指針和異步獨(dú)立時(shí)間指針。全局通信時(shí)間指向當(dāng)前的分析時(shí)刻，按照調(diào)度收益選擇適宜執(zhí)行任務(wù)。在此基礎(chǔ)上，各平臺獨(dú)立擁有一個(gè)異步獨(dú)立時(shí)間指針，從單站任務(wù)中，按照調(diào)度收益選擇與通信任務(wù)不沖突的單站任務(wù)。本算法通過調(diào)度成功率和資源利用率評價(jià)算法性能，并迭代優(yōu)化至后續(xù)調(diào)度周期。

2.1.2 一體化資源調(diào)度設(shè)計(jì)試驗(yàn)驗(yàn)證

測試場景：構(gòu)建兩平臺通信、探測的算法驗(yàn)證場景，在每一個(gè)調(diào)度周期內(nèi)，首先固定產(chǎn)生一個(gè)通信任務(wù)，完成平臺間必要信息的共享，然后隨機(jī)產(chǎn)生2～3個(gè)通信任務(wù)，通信任務(wù)的駐留時(shí)間在2～10 ms內(nèi)隨機(jī)生成。同時(shí)，各節(jié)點(diǎn)隨機(jī)生成單雷達(dá)任務(wù)，優(yōu)先級和駐留時(shí)間均隨機(jī)生成。

測試結(jié)果：調(diào)度仿真結(jié)果如圖2所示，橫軸代表統(tǒng)計(jì)時(shí)間，縱軸代表任務(wù)優(yōu)先級。通信傳輸任務(wù)優(yōu)先度最高，用紅色矩形標(biāo)出。藍(lán)色矩形代表了其他探測任務(wù)。從結(jié)果看，雙站之間的通信任務(wù)保持了嚴(yán)格同步，其他探測任務(wù)由各自平臺獨(dú)立調(diào)度完成。整體平均時(shí)間資源利用率達(dá)到98%以上，資源利用性能良好。

圖2 任務(wù)調(diào)度情況Fig.2 Task scheduling

圖3中，縱軸是調(diào)度成功率，對于通信任務(wù)，調(diào)度成功率為100%，高優(yōu)先度任務(wù)的調(diào)度成功率大于等于99%。從試驗(yàn)結(jié)果看，探測和通信一體化調(diào)度成功率高，資源調(diào)度排布合理。

圖3 不同類型任務(wù)調(diào)度成功率Fig.3 Success rate of different types of task scheduling

2.2 一體化T／R前端設(shè)計(jì)

2.2.1 一體化T／R前端工程設(shè)計(jì)原理

在發(fā)射時(shí)，面對兼顧探測所需的飽和放大和通信所需的線性放大的需求，典型解決方案是“飽和工作線性回退”。傳統(tǒng)的線性功率放大器效率低，典型值為20%，且在功率回退處的效率更低。為了實(shí)現(xiàn)更高的效率，可使用開關(guān)型功率放大器并結(jié)合線性化技術(shù)。常用的線性化技術(shù)有前／后反饋、預(yù)失真、包絡(luò)消除和恢復(fù)等。除此之外，還可以專門設(shè)計(jì)有飽和收發(fā)通道和線性收發(fā)通道兩個(gè)工作支路，飽和通道用于雷達(dá)工作，而增益較小的線性通道用于雷達(dá)通信。

一體化T／R前端設(shè)計(jì)以直接數(shù)字頻率合成（direct digital frequency synthesis，DDS）式組件為例，如圖4所示。在探測發(fā)射時(shí)，切換到飽和發(fā)射路，激勵信號經(jīng)過多級功率放大器進(jìn)行飽和放大，最終輸出；通信發(fā)射時(shí)，使用線性支路，無需經(jīng)過多級功率放大，在發(fā)射驅(qū)放后直接由環(huán)形器輸出，同時(shí)配合前述的線性化技術(shù)實(shí)現(xiàn)T／R組件的線性工作。在接收時(shí)，限幅低噪放環(huán)節(jié)考慮探測和通信時(shí)動態(tài)需求的不同，設(shè)計(jì)有“高增益低噪聲”和“大動態(tài)低增益”兩種工作模式，對探測和通信接收分別處理。

圖4 一體化T／R前端設(shè)計(jì)原理（以DDS式組件為例）Fig.4 Design principle of integrated T／R front end（taking DDS type component as an example）

2.2.2 一體化T／R前端試驗(yàn)驗(yàn)證

首先對帶內(nèi)平坦度和工作線性度進(jìn)行驗(yàn)證，使用T／R組件和測試儀器搭建測試場景，如圖5所示。

圖5 T／R前端平坦度和線性度測試場景Fig.5 Flatness and linearity test scenarios of T／R front end

帶內(nèi)平坦度測試方法：將射頻通道的激勵輸入、發(fā)射驅(qū)放輸出和功率放大輸出引出，接到頻譜儀中進(jìn)行測量，記錄數(shù)據(jù)并分析結(jié)果。

指標(biāo)描述：使用帶內(nèi)增益起伏Δ描述，為在設(shè)計(jì)通帶內(nèi)最大增益和最小增益之差：Δ＝-。

工作線性度測試方法：將功率回退3 d B間隔的1 M Hz的雙音信號使用功率合成器合成為滿功率信號輸入T／R組件，將功率放大輸出接至頻譜儀測量。

指標(biāo)描述：使用三階互調(diào)分量（third-order intermodulation，IMD3）和基頻分量之差描述。

測試結(jié)果如下。

（1）帶內(nèi)平坦度

圖6是一次測試中單通道通帶內(nèi)射頻功放的帶內(nèi)增益曲線，增益幅度起伏控制在0.8 d B內(nèi)。統(tǒng)計(jì)多通道測試數(shù)據(jù)，最終的帶內(nèi)增益幅度起伏小于等于1 dB。

圖6 射頻功放的帶內(nèi)增益曲線Fig.6 Inband gain curve of radio frequency power amplifier

（2）工作線性度

測試得到三階互調(diào)小于等于-25 dBc。從試驗(yàn)結(jié)果看，T／R組件的關(guān)鍵性指標(biāo)滿足探測通信工作的要求。然后對探通工作進(jìn)行驗(yàn)證。

測試場景：測試T／R前端在探測和通信兩種工作模式下的輸出信號，驗(yàn)證能否正常工作，關(guān)鍵指標(biāo)是否符合要求。

測試結(jié)果：實(shí)測結(jié)果如圖7所示，圖7（a）和圖7（c）分別為探測工作測試的頻譜圖和時(shí)域圖，圖7（b）和圖7（d）分別為通信工作測試的頻譜圖和時(shí)域圖。在探測模式下，T／R前端能夠?qū)崿F(xiàn)窄帶寬脈沖式工作，增益滿足要求。在通信模式下，T／R前端能夠?qū)崿F(xiàn)大帶寬，近連續(xù)波工作（依幀調(diào)度的連續(xù)波），波形相關(guān)指標(biāo)符合要求。整體測試結(jié)果表明，該T／R前端設(shè)計(jì)能夠滿足探測通信一體化工作。

圖7 探通一體工作實(shí)測圖Fig.7 Detection and communication integration work measurement

3 探通一體工作整體性能驗(yàn)證

3.1 試驗(yàn)場景

采用兩部探通一體的數(shù)字相控陣?yán)走_(dá)構(gòu)建探測和通信場景，驗(yàn)證探通一體的工程設(shè)計(jì)，如圖8所示。場景中，兩部雷達(dá)通信一體化設(shè)備部署于視距內(nèi)，對空中目標(biāo)獨(dú)立進(jìn)行探測；與此同時(shí)，利用相控陣陣面建立通信鏈路，傳輸探測等信息。

圖8 試驗(yàn)驗(yàn)證場景Fig.8 Experiment verification scenario

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)期間，通信的傳輸瞬時(shí)速率達(dá)到了百兆比特量級，誤碼率在10以下，部分試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。通過對接收信號的信噪比進(jìn)行分析，通信性能如圖9所示，和理論性能相比損失2.5 d B。

表3 誤碼率Table 3 Bit error rate

圖9 系統(tǒng)通信性能曲線Fig.9 System communication performance curve

試驗(yàn)期間，兩節(jié)點(diǎn)目標(biāo)探測的統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表4所示。兩節(jié)點(diǎn)雷達(dá)搜索、跟蹤數(shù)據(jù)率均和單雷達(dá)探測性能一致，探測任務(wù)順利完成。

表4 探測性能Table 4 Detection performance

在試驗(yàn)過程中，兩站點(diǎn)數(shù)字相控陣?yán)走_(dá)實(shí)現(xiàn)了一體化的探測和通信，期間在保證探測能力的前提下實(shí)現(xiàn)了高通信效率傳輸。

4 結(jié)束語

本文利用數(shù)字相控陣?yán)走_(dá)的波束控制敏捷、時(shí)頻資源豐富、調(diào)度處理強(qiáng)大的優(yōu)勢，提出了一種“時(shí)分復(fù)用為主，頻分復(fù)用和空分復(fù)用為輔”的工作機(jī)制，設(shè)計(jì)并完成了射頻綜合工程設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字相控陣?yán)走_(dá)探通一體工作，實(shí)測結(jié)果顯示，該設(shè)計(jì)能滿足探通一體化工作的相關(guān)要求。未來隨著相控陣?yán)走_(dá)新技術(shù)的不斷運(yùn)用，可進(jìn)一步擴(kuò)展雷達(dá)的通信能力，為網(wǎng)絡(luò)化作戰(zhàn)提供靈活柔性的鏈接手段；同時(shí)可加強(qiáng)探通一體雷達(dá)的作戰(zhàn)應(yīng)用研究，豐富網(wǎng)絡(luò)化雷達(dá)作戰(zhàn)理論。