分布式全相參雷達系統(tǒng)時間與相位同步方案研究

曾 濤 殷丕磊* 楊小鵬 范華劍

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分布式全相參雷達系統(tǒng)時間與相位同步方案研究

曾 濤 殷丕磊楊小鵬 范華劍

(北京理工大學信息與電子學院 北京 100081)

分布式全相參雷達是一種新體制雷達，它解決了大口徑雷達難以機動部署、造價昂貴等問題，是下一代雷達的發(fā)展方向，目前實現(xiàn)分布式全相參雷達所面臨的關(guān)鍵技術(shù)問題是時間同步和相位同步。對此，該文分析了時間同步誤差和相位同步誤差的來源，建立了相應的數(shù)學模型，仿真了同步誤差對相參性能的影響，給出了時間同步誤差及相位同步誤差的指標要求。并基于有線傳輸?shù)姆窍嚓P(guān)傳輸方式提出了時間同步方案，基于定標的方式提出了相位同步方案，以分別實現(xiàn)分布式全相參雷達的時間同步和相位同步。該文所提出的分布式全相參雷達同步方案，對于這一新體制雷達的實現(xiàn)具有一定的指導意義。

分布式；全相參；同步；定標

1 引言

隨著人們對雷達探測威力及探測精度要求的不斷提高，由此產(chǎn)生了一批大口徑雷達，例如美國的SBX雷達，其雷達的天線口徑達22.1米，系統(tǒng)總重量5萬噸。如此龐大的雷達系統(tǒng)倘若布置在陸地上則難以機動部署，因此無法滿足戰(zhàn)時對雷達機動部署能力的要求。同時，大口徑雷達還具有造價成本高，對器件的工藝要求高等缺點。因此，為了克服大孔徑雷達的這些固有缺點，美國林肯實驗室在2003年提出了分布式孔徑全相參雷達的概念：將多個雷達或陣列分散布設，通過對多部雷達的回波進行信號層次的融合，達到大孔徑雷達的性能。一個由部單元雷達構(gòu)成的分布式全相參雷達，相對于單部雷達而言，其最大輸出信噪比可以提高倍。

分布式全相參雷達相對于常規(guī)大口徑雷達而言，由于其單元雷達天線口徑的減小，因而更容易實現(xiàn)機動部署。同時，還降低了雷達成本以及對器件的工藝復雜度和精度的要求等。然而，就系統(tǒng)的實現(xiàn)而言，相比于單基地雷達，分布式全相參雷達首當其沖的技術(shù)難點就是各單元雷達之間的時間、空間和相位的同步，本文主要討論時間和相位的同步問題。

關(guān)于雙(多)基地雷達的時間及相位同步方法已有較多的研究，最常用的是三大類方法：間接同步法、直接同步法和獨立式同步法。這些同步方法均能滿足雙(多)基地雷達的測距同步要求。然而，由于分布式全相參雷達要求各單元雷達的信號需要滿足時間和相位的相參性，因此對時間及相位的同步精度要求非常高，雙(多)基地雷達的基于無線電信號的同步方法不能直接應用于分布式雷達系統(tǒng)中。

相對于雙(多)基地雷達，在分布式全相參雷達系統(tǒng)中各單元雷達的間距較近，結(jié)合系統(tǒng)的這一結(jié)構(gòu)特點，我們提出了一種基于有線傳輸?shù)姆绞絹矸謩e實現(xiàn)時間和相位的同步。本文首先分析了分布式全相參雷達系統(tǒng)的同步誤差來源，建立了時間同步誤差和相位同步誤差的數(shù)學模型，提出了通過中心站向各單元雷達分發(fā)信號的方式來構(gòu)成各單元雷達的本振信號，從而消除了晶振頻率準確度及穩(wěn)定度對同步誤差的影響，減少了同步誤差的來源。本文仿真了同步誤差對相參性能的影響，給出了在分布式全相參雷達系統(tǒng)中對時間同步誤差及相位同步誤差的指標要求。文中基于有線傳輸?shù)姆窍嚓P(guān)傳輸方式提出了時間同步方案，基于定標的方式提出了相位同步方案，以分別實現(xiàn)分布式全相參雷達的時間同步和相位同步。

2 同步誤差的數(shù)學模型

在分布式全相參雷達系統(tǒng)中，兩個單元雷達均有自己獨立的本振系統(tǒng)，受晶振頻率準確度及頻率穩(wěn)定度的影響，兩個單元雷達的本振頻率會存在不一致誤差，可表示為

因此，隨著工作時間的增長，由于兩個單元雷達的頻率不一致所引起的時間同步誤差及相位同步誤差將逐漸增大，即

(3)

逐漸增大的同步誤差將影響分布式雷達的相參性能，必須予以控制。因此，為消除時間因素對同步誤差的影響，對單元雷達的本振系統(tǒng)構(gòu)成，我們提出如下同源本振構(gòu)成方案：在中心站設置一個高穩(wěn)時鐘，該時鐘可以是原子鐘或者高穩(wěn)石英晶體振蕩器，高穩(wěn)時鐘信號經(jīng)過光纖向兩單元雷達分發(fā)，在兩單元雷達分別對接收信號進行倍頻、分頻、鎖相，從而構(gòu)成兩單元雷達的本振信號。如圖1所示。

圖1 分布式雷達的同源本振構(gòu)成方案

利用上述同源本振構(gòu)成方案，我們消除了晶振頻率準確度和頻率穩(wěn)定度對同步誤差所帶來的影響，因此兩單元雷達的同步誤差將僅由初始時鐘差及初始相位差決定，若忽略掉噪聲的影響，則式(2)、式(3)簡化為

(5)

3 同步誤差的影響分析

在分布式全相參雷達中，需要對相參參數(shù)(兩單元雷達與目標的時延差及其相應的相位差)進行估計，從而利用相參參數(shù)估計值對兩單元雷達發(fā)射信號的時間和相位進行調(diào)整，以實現(xiàn)兩發(fā)射信號在目標處同時同相疊加，完成發(fā)射相參；然后對兩單元雷達的接收信號進行時延和相位的調(diào)整，以實現(xiàn)接收相參，從而完成整個系統(tǒng)的全相參工作。然而，當兩單元雷達存在時間同步誤差時，會導致時間差估計值存在2偏差，從而造成兩單元雷達接收回波的時間不一致。因此，若忽略掉其他因素的影響，當兩單元雷達僅存在時間同步誤差時，則兩單元雷達的回波信號經(jīng)匹配濾波后，可分別設為

(7)

兩信號的疊加輸出為

(9)

類似的，考慮相位同步誤差的影響。當兩單元雷達存在相位同步誤差時，會導致相位差估計值存在2的偏差，從而造成兩單元雷達的接收回波相位不一致。因此，當兩單元雷達僅存在相位同步誤差而不考慮其他誤差時，則兩單元雷達的回波經(jīng)過匹配濾波后，可分別設為

(11)

兩信號的疊加輸出為

(13)

從以上仿真可以看出，能量損失比隨時間同步誤差和相位同步誤差的增大而增大。若要求分布式全相參雷達的能量損失比小于0.3 dB，則應有：

(1) 時間同步誤差應小于0.16(t為脈壓后的脈沖寬度)；

從以上分析可以看出，分布式全相參雷達對于時間同步誤差及相位同步誤差的要求非常苛刻，因此，需要設計分布式全相參雷達的時間及相位的同步方案。目前現(xiàn)有的同步方法，按信號的傳輸方式來分，可以分為無線電信號法與有線通信法兩大類。相對于無線電信號同步方法而言，有線通信同步法具有精度高、穩(wěn)定性好、實時性好、系統(tǒng)使用簡單等優(yōu)點。同時，有線通信還無需考慮保密性、安全性、電磁干擾等其他諸多因素。因此，基于有線通信方式，我們提出非相關(guān)傳輸?shù)臅r間同步方案以及基于定標的相位同步方案。

4 時間同步方案

為實現(xiàn)分布式全相參雷達的時間同步，我們提出采用有線非相關(guān)傳輸?shù)姆椒▉砉烙嫊r間同步誤差，然后對兩單元雷達的發(fā)射信號進行時延補償，從而實現(xiàn)兩單元雷達的時間同步。

兩單元雷達通過光纖連接，有線非相關(guān)傳輸方法的示意圖如圖4所示。

其工作過程為：首先，單元雷達1向單元雷達2發(fā)射同步信號，經(jīng)過光纖通道傳輸?shù)絾卧走_2，在單元雷達2的計數(shù)器得到傳輸時間。然后，單元雷達2向單元雷達1發(fā)射同步信號，經(jīng)過同一段光纖通道傳輸?shù)絾卧走_1，在單元雷達1的計數(shù)器得到傳輸時間，其時間關(guān)系如圖5所示。

圖2 時間同步誤差引起的能量損失比

圖3 相位同步誤差引起的能量損失比

圖4 有線非相關(guān)傳輸法的示意圖

圖5 非相關(guān)傳輸?shù)臅r間關(guān)系示意圖

在單元雷達1處測得的信號傳輸時間為

在單元雷達2處測得的信號傳輸時間為

(15)

5 相位同步方案

采用第2節(jié)中我們所提出的同源的單元雷達本振系統(tǒng)方案，則兩單元雷達本振信號只存在一個初始相位差，因此可以設兩單元雷達的本振信號分別為

(18)

考慮電氣轉(zhuǎn)換儲能和可再生能源集成的微能源網(wǎng)多目標規(guī)劃//劉維康,王丹,余曉丹,馬莉,薛松,武澤辰//(16):11

我們提出采用定標的方法來估計相位同步誤差，然后對兩單元雷達的本振信號進行相位補償，從而實現(xiàn)兩單元雷達的相位同步。定標法估計相位同步誤差的步驟分為兩步：第1步是雷達內(nèi)的定標，第2步是雷達間的定標，下面分別介紹其原理。

5.1 雷達內(nèi)的定標

雷達內(nèi)定標的目的是測量雷達內(nèi)部各通道所引入的附加相位值，其示意圖如圖6所示。通過增加定標控制器模塊以控制雷達的定標回路，從而分別對雷達的發(fā)射通道、接收通道所引入的相位值進行標定。

通過定標控制器控制定標信號的傳輸路徑，可分別獲得雷達的接收定標回路和發(fā)射定標回路：

接收定標回路：1→2→3→4→5→6；

發(fā)射定標回路：1→2→7→8→5→6。

此處，以單元雷達1為例進行說明。

在接收定標回路，定標信號依次經(jīng)過本振上變頻，定標控制器，接收通道，本振下變頻，因此，可測得此過程所引入的相位為

在發(fā)射定標回路，定標信號依次經(jīng)過本振上變頻，發(fā)射通道，定標控制器，本振下變頻，則測得此過程所引入的相位為

從而獲得單元雷達1的接收通道和發(fā)射通道分別引入的相位值

(21)

類似的，也可獲得單元雷達2的接收通道相位 及發(fā)射通道所引入的相位值分別為

通過雷達內(nèi)的定標，獲得了兩單元雷達發(fā)射通道和接收通道所引入的相位值。下面，通過兩雷達間的定標獲得兩單元雷達本振的相位差。

5.2 雷達間的定標

兩單元雷達通過光纖連接以構(gòu)成雷達間的定標回路，如圖7所示。

圖7 雷達間的定標回路示意圖

下面介紹雷達間定標的過程。

首先，單元雷達1向單元雷達2發(fā)射定標信號，則定標信號依次經(jīng)過單元雷達1的本振1進行上變頻，發(fā)射通道1，光纖鏈路，單元雷達2的接收通道2，最后經(jīng)過單元雷達2的本振2進行下變頻，則測得此過程引入的相位為

然后，單元雷達2向單元雷達1發(fā)射定標信號，則信號依次經(jīng)過單元雷達2的本振2進行上變頻，發(fā)射通道2，光纖鏈路，單元雷達1的接收通道1，最后經(jīng)過單元雷達1的本振1進行下變頻，則測得此過程引入的相位為

從而得到兩單元雷達的本振相位差的估計值為

(25)

綜合雷達內(nèi)的定標及雷達間的定標這兩步定標處理，可得兩單元雷達的同步相位差估計值為

綜上所述，利用我們提出的基于有線傳輸?shù)姆窍嚓P(guān)傳輸時間同步方案和定標相位同步方案，可以分別實現(xiàn)分布式全相參雷達的時間同步和相位同步，從而為這一新體制雷達的工程實現(xiàn)提供了技術(shù)保證。

6 結(jié)束語

本文針對分布式全相參雷達這一新體制雷達技術(shù)的實現(xiàn)所面臨的同步問題，提出了基于中心站信號的同源單元雷達本振系統(tǒng)構(gòu)成方案，建立了時間同步誤差和相位同步誤差的數(shù)學模型，仿真了同步誤差對相參信號能量損失的影響，并給出了時間同步誤差和相位同步誤差的指標要求。基于有線傳輸?shù)姆窍嚓P(guān)傳輸方式提出了時間同步方案，基于定標的方式提出了相位同步方案，以分別實現(xiàn)分布式全相參雷達的時間同步和相位同步。本文的分析與研究對實現(xiàn)分布式全相參雷達這一新體制雷達，具有重要的理論和工程指導意義。

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Time and Phase Synchronization for Distributed Aperture Coherent Radar

Zeng Tao Yin Pi-lei Yang Xiao-peng Fan Hua-jian

(School of Information and Electronics, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China)

As a new radar technology, the distributed aperture coherent radar is expected to be the next generation radar, which is easier to transport and less expensive than the traditional large aperture radar. However, the time synchronization and phase synchronization are key issues to be addressed for the distributed aperture coherent radar. In this paper, the error sources of time synchronization and phase synchronization are analyzed, and the corresponding mathematical models are first derived. Then, the impact of synchronization errors on the coherent performance is simulated, and the accuracy of time and phase synchronization is presented based on the simulation results. Finally, the noncorrelation transmission scheme and the calibration scheme based on the wired transmission are proposed to realize the time and phase synchronization, respectively.Research of the synchronization problem could be very helpful to realize the new radar technology of distributed aperture coherent radar.

Distributed aperture coherent radar; Full coherent; Synchronization; Calibration

TN957

A

2095-283X(2013)01-0105-06

10.3724/SP.J.1300.2013.20104

曾 濤(1971-)，男，研究員，博士生導師，主要研究方向包括雷達系統(tǒng)、雷達信號處理等。

殷丕磊(1987-)，男，博士研究生，主要研究方向包括分布式雷達技術(shù)、自適應信號處理等。

楊小鵬(1976-)，男，副教授，碩士生導師，主要研究方向包括空時自適應處理、相控陣技術(shù)、雷達系統(tǒng)、探地雷達技術(shù)、分布式雷達系統(tǒng)和MIMO通信等。

范華劍(1990-)，男，碩士研究生，主要研究方向包括自適應信號處理、實時雷達信號處理等。

2012-12-21收到，2012-12-25改回；2012-12-31網(wǎng)絡優(yōu)先出版

國家自然科學基金(61001198, 61032009)資助課題

殷丕磊 yinpilei@gmail.com