寬頻帶相控陣?yán)走_(dá)子陣數(shù)字調(diào)制新技術(shù)

龍 騰，毛二可，張洪綱，曾 濤，劉海波，劉泉華

(北京理工大學(xué)雷達(dá)技術(shù)研究所， 北京100081)

0 引言

寬頻帶相控陣?yán)走_(dá)是我國(guó)現(xiàn)代化國(guó)防建設(shè)、航空航天事業(yè)發(fā)展的急迫需求。在大掃描角空間目標(biāo)探測(cè)背景下，為了探測(cè)目標(biāo)可能的空域，要求相控陣?yán)走_(dá)具有寬角掃描能力;為了識(shí)別高速飛行的空間目標(biāo)，要求相控陣?yán)走_(dá)具有高的距離分辨力和角分辨力，即雷達(dá)發(fā)射信號(hào)要具有大帶寬，相控陣天線(xiàn)要具有大口徑。

在大掃描角情況下，寬頻帶相控陣?yán)走_(dá)天線(xiàn)掃描波束隨著頻率變化會(huì)發(fā)生指向的偏移，稱(chēng)為相控陣天線(xiàn)的孔徑效應(yīng)［1］。隨著天線(xiàn)口徑的增加，不同天線(xiàn)單元之間雷達(dá)波的傳輸時(shí)間差將不可忽略，發(fā)射和接收信號(hào)將無(wú)法相參疊加，這就是孔徑渡越時(shí)間問(wèn)題［1］。若不進(jìn)行有效補(bǔ)償，將導(dǎo)致雷達(dá)回波信號(hào)幅度損失，造成雷達(dá)威力下降，嚴(yán)重影響雷達(dá)系統(tǒng)性能。

針對(duì)上述問(wèn)題，通常使用實(shí)時(shí)延遲線(xiàn)和移相器共同實(shí)現(xiàn)波束控制。考慮到在每個(gè)天線(xiàn)單元進(jìn)行補(bǔ)償設(shè)備量過(guò)多，工程上多在子陣級(jí)采用實(shí)時(shí)延遲線(xiàn)、在子陣內(nèi)采用移相器［1-2］。如美國(guó)AN/FPS-108相控陣?yán)走_(dá)在96個(gè)子天線(xiàn)陣上采用實(shí)時(shí)延遲線(xiàn)，保證了在L波段200 MHz上的瞬時(shí)信號(hào)帶寬［1］。傳統(tǒng)的模擬延遲線(xiàn)體積大、價(jià)格昂貴、量化精度低，在寬溫范圍內(nèi)難以做到高精度延時(shí)。即便在子陣級(jí)別上采用實(shí)時(shí)延遲線(xiàn)，其數(shù)量仍然十分龐大，這就增加了系統(tǒng)的成本、重量和復(fù)雜度。近年來(lái)，光實(shí)時(shí)延遲線(xiàn)逐漸受到重視，相比于傳統(tǒng)的模擬延遲線(xiàn)，它可以減小雷達(dá)系統(tǒng)體積、重量，改善傳輸特性，提高雷達(dá)的可靠性、機(jī)動(dòng)性［3］。但就目前而言，該項(xiàng)技術(shù)遠(yuǎn)未達(dá)到實(shí)際應(yīng)用階段，因?yàn)樵诰唧w工程實(shí)現(xiàn)時(shí)，需要解決光延遲線(xiàn)微波信號(hào)雜散大、相噪差等問(wèn)題;此外，光電子器件需適應(yīng)寬溫范圍，造價(jià)昂貴也是影響其應(yīng)用的原因。

美國(guó)麻省理工學(xué)院林肯實(shí)驗(yàn)室提出了一種基于瞬時(shí)寬帶線(xiàn)性調(diào)頻(Chirp)信號(hào)，通過(guò)兩次延時(shí)完成波束發(fā)散補(bǔ)償?shù)淖雨嚾バ?DeChirp或 Stretch)方法［4-7］。文獻(xiàn)［8］給出了基于該方法的二次延時(shí)的改進(jìn)方法，文獻(xiàn)［9］提出了一種基于線(xiàn)性調(diào)頻信號(hào)的固態(tài)相控陣?yán)走_(dá)多通道孔徑渡越時(shí)間數(shù)字補(bǔ)償技術(shù)。這兩種方法均不使用模擬延遲線(xiàn)，在子陣級(jí)仍采用工程中常見(jiàn)的模擬去斜體制，對(duì)去斜后的信號(hào)進(jìn)行采樣，大大降低了采樣率和運(yùn)算量。但由于調(diào)頻非線(xiàn)性、寬帶系統(tǒng)幅相失真等具有移變特性，即幅相失真因子隨著距離的變化而改變，難以完全補(bǔ)償，會(huì)大大影響成像結(jié)果，因此，模擬去斜體制的相控陣?yán)走_(dá)成像窗口只有百米量級(jí)［10］。如用于空間目標(biāo)群的檢測(cè)、跟蹤、成像，其成像窗口無(wú)法覆蓋空間目標(biāo)群的分布范圍。

在工作模式上，目前的寬頻帶相控陣?yán)走_(dá)多采用窄頻帶-寬頻帶交替工作方式，即首先發(fā)射窄帶信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)跟蹤，穩(wěn)定跟蹤目標(biāo)后再發(fā)射寬帶信號(hào)進(jìn)行成像處理，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行目標(biāo)識(shí)別［11］。在窄頻帶-寬頻帶交替工作方式時(shí)，窄帶跟蹤目標(biāo)存在距離誤差，造成寬帶回波起始時(shí)刻抖動(dòng)，因此，無(wú)法在寬頻帶通道進(jìn)行多普勒測(cè)速和微多普勒頻率測(cè)量等相參處理［12］。這種非相參效應(yīng)在信噪比高時(shí)可通過(guò)包絡(luò)對(duì)齊和自聚焦消除，但信噪比低時(shí)脈沖間相參處理難以實(shí)現(xiàn)［13］。這將嚴(yán)重影響二維ISAR成像和三維成像的作用距離，無(wú)法為目標(biāo)識(shí)別提供足夠準(zhǔn)確的特征信息。

文獻(xiàn)［14］提出了一種去斜體制下通過(guò)數(shù)字相位旋轉(zhuǎn)、使各子陣接收信號(hào)能夠在距離波門(mén)內(nèi)任意距離相參疊加的方法，該方法可實(shí)現(xiàn)脈沖間信號(hào)相參。但受模擬去斜體制的限制，成像窗口較小。文獻(xiàn)［15］提出了一種模擬去斜體制下通過(guò)回波相位補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)相參化的方法，補(bǔ)償相位利用基準(zhǔn)信號(hào)和參考信號(hào)數(shù)字去斜來(lái)提取，其中，基準(zhǔn)信號(hào)通過(guò)軟件產(chǎn)生，參考信號(hào)去載頻后直接采樣得到。

以上問(wèn)題都是當(dāng)前寬頻帶相控陣?yán)走_(dá)用于空間目標(biāo)群檢測(cè)、跟蹤、成像時(shí)的特殊問(wèn)題，嚴(yán)重影響雷達(dá)成像距離和目標(biāo)識(shí)別準(zhǔn)確度。這需要通過(guò)雷達(dá)體制創(chuàng)新，研究新體制的大成像窗口寬頻帶相參相控陣?yán)走_(dá)加以解決。

1 解決思路

寬帶相控陣?yán)走_(dá)子陣數(shù)字調(diào)制技術(shù)是利用Chirp信號(hào)時(shí)頻耦合特性，在子陣級(jí)通過(guò)數(shù)字頻率調(diào)制，來(lái)進(jìn)行不同通道的精細(xì)信號(hào)延遲，從而達(dá)到各子陣的信號(hào)相參合成，解決寬頻帶雷達(dá)寬角掃描波束發(fā)散問(wèn)題。對(duì)于非Chirp的其他寬帶信號(hào)形式，可以通過(guò)非整數(shù)延時(shí)濾波器來(lái)實(shí)現(xiàn)高精度時(shí)延。其硬件基礎(chǔ)是發(fā)射過(guò)程各子陣采用高速直接數(shù)字頻率合成(Direct Digital Synthesizer，DDS)器件產(chǎn)生寬帶中頻信號(hào)，接收過(guò)程各子陣采用高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)器件對(duì)高中頻回波進(jìn)行采樣。通過(guò)數(shù)字調(diào)制技術(shù)，能夠?qū)ψ雨囬g的時(shí)延進(jìn)行精確補(bǔ)償;通過(guò)數(shù)字去斜技術(shù)，能夠降低數(shù)據(jù)量，滿(mǎn)足實(shí)時(shí)處理要求;通過(guò)多通道精細(xì)同步技術(shù)，能夠保證子陣信號(hào)的一致性。此外，在該新體制下，經(jīng)過(guò)和差三通道精確校正后，可以替換原有的寬窄交替模式，使用寬帶進(jìn)行檢測(cè)、跟蹤，不僅可以解決寬帶回波起始時(shí)刻抖動(dòng)問(wèn)題，還可以提高雷達(dá)時(shí)間資源利用率。基于子陣頻率調(diào)制的寬帶相控陣?yán)走_(dá)體制架構(gòu)如圖1所示。

圖1 子陣頻率調(diào)制寬帶相控陣?yán)走_(dá)體制架構(gòu)

子陣數(shù)字調(diào)制相控陣?yán)走_(dá)體制可實(shí)現(xiàn)如下能力:

(1)抗波束發(fā)散:由于Chirp信號(hào)具有時(shí)頻耦合特性，通過(guò)對(duì)數(shù)字去斜本振信號(hào)的中心頻率的調(diào)整，能夠?qū)崿F(xiàn)去斜后信號(hào)的頻率調(diào)整，再通過(guò)相位補(bǔ)償，能夠?qū)崿F(xiàn)子陣信號(hào)相參疊加，從而解決孔徑渡越時(shí)間引起的波束發(fā)散問(wèn)題。相比傳統(tǒng)的模擬延遲線(xiàn)，該方案信號(hào)延遲調(diào)整精度更高、性能更加穩(wěn)定。

(2)脈間相參:子陣級(jí)直接采樣處理能夠在相參處理周期內(nèi)固定采樣觸發(fā)時(shí)刻，數(shù)字去斜的數(shù)字化本振能夠相參產(chǎn)生，從而避免了本振觸發(fā)的隨機(jī)性帶來(lái)的脈間不相參問(wèn)題，能夠?qū)崿F(xiàn)多脈沖相參處理。

(3)大成像窗口:由于該體制在信號(hào)接收過(guò)程對(duì)子陣輸出信號(hào)直接進(jìn)行采樣，因而能夠通過(guò)數(shù)字處理方法對(duì)系統(tǒng)幅相特性的非理想特性進(jìn)行補(bǔ)償，其成像窗口不受帶內(nèi)幅相失真的限制，可實(shí)現(xiàn)大的成像窗口。

(4)多波束:采用寬帶多波束形成方法可以充分利用波束能量提高雷達(dá)的搜索數(shù)據(jù)率和跟蹤數(shù)據(jù)率。當(dāng)信號(hào)環(huán)境中存在多個(gè)目標(biāo)時(shí)，利用多波束技術(shù)可實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)目標(biāo)的探測(cè)和跟蹤。

(5)抗干擾:采用寬帶波束零點(diǎn)形成方法，可針對(duì)寬帶信號(hào)形成天線(xiàn)方向圖零點(diǎn)，從而抑制旁瓣干擾。

(6)距離速度聚焦:通過(guò)目標(biāo)精確速度測(cè)量、回波調(diào)頻斜率補(bǔ)償、回波幅相補(bǔ)償?shù)忍幚恚軌虮ＷC補(bǔ)償后的回波與參考函數(shù)匹配，避免距離維和多普勒維回波的主瓣展寬，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)距離和速度的聚焦。

(7)檢測(cè)前聚焦處理［16］:采用空時(shí)二維瑞登傅里葉變換(Space-Time Radon-Fourier Transform，ST-RFT)新方法，能夠?qū)崿F(xiàn)在“孔徑渡越”和“跨距離單元”條件下的空時(shí)二維聯(lián)合相參積累，即空時(shí)二維檢測(cè)前聚焦處理。

2 寬頻帶相控陣?yán)走_(dá)子陣數(shù)字調(diào)制關(guān)鍵技術(shù)

2.1 基于數(shù)字去斜的寬帶直采信號(hào)處理技術(shù)

針對(duì)接收過(guò)程，采用基于數(shù)字去斜的寬帶直采回波處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)框圖如圖2所示，各子陣采用高速ADC器件對(duì)高中頻回波進(jìn)行采樣，在數(shù)字域進(jìn)行數(shù)字去斜與延時(shí)處理，以減小運(yùn)算量，滿(mǎn)足實(shí)時(shí)處理要求。

圖2 基于數(shù)字去斜的直采回波處理實(shí)現(xiàn)框圖

假設(shè)相控陣?yán)走_(dá)發(fā)射Chirp信號(hào)，第i個(gè)通道接收到的回波信號(hào)經(jīng)過(guò)混頻濾波、二次時(shí)延后輸出信號(hào)為

式中:k為調(diào)頻斜率;t為時(shí)間;Δ+βi為通道i接收到的回波信號(hào)相對(duì)發(fā)射時(shí)刻的時(shí)間延遲量(對(duì)應(yīng)圖2中的αi)，其中，Δ為目標(biāo)相對(duì)于參考通道的時(shí)間延遲量，與通道i無(wú)關(guān);βi為通道i與參考通道的時(shí)延，僅與波束指向、天線(xiàn)結(jié)構(gòu)、通道i有關(guān);Γ為估計(jì)出的目標(biāo)與參考通道真實(shí)距離的時(shí)延，與通道i無(wú)關(guān);T為脈沖寬度;φ(Γ+βi，Δ+βi)為輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)一次時(shí)延后與 βi相關(guān)的相位項(xiàng)。二次時(shí)延后輸出信號(hào)的相位可表示為

式中:f0為中心頻率。由式(2)可知，兩次時(shí)延后的信號(hào)相位與通道i無(wú)關(guān)，各通道間的信號(hào)能夠?qū)崿F(xiàn)相參合成。相比于模擬延時(shí)線(xiàn)，該技術(shù)采用全數(shù)字處理，成本低、精度高，可有效保證通道間幅相一致性，從而提升雷達(dá)成像質(zhì)量與參數(shù)測(cè)量精度。

2.2 基于數(shù)字調(diào)制的子陣時(shí)延精確補(bǔ)償技術(shù)

寬頻帶相控陣?yán)走_(dá)子陣數(shù)字調(diào)制技術(shù)在子陣級(jí)采用高速DDS器件產(chǎn)生寬帶高中頻信號(hào)，通過(guò)數(shù)字頻率調(diào)制技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)不同子陣間時(shí)延的精確補(bǔ)償;對(duì)于回波信號(hào)采用高速ADC器件進(jìn)行采樣，經(jīng)過(guò)數(shù)字去斜處理后，通過(guò)數(shù)字頻率調(diào)制技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)子陣間回波信號(hào)時(shí)延精確補(bǔ)償。

2.2.1 基于數(shù)字調(diào)制的子陣發(fā)射信號(hào)時(shí)延精確補(bǔ)償

為了保證各個(gè)天線(xiàn)的發(fā)射信號(hào)在空間目標(biāo)處同時(shí)同相疊加，需要對(duì)不同天線(xiàn)通道的信號(hào)進(jìn)行時(shí)延，以補(bǔ)償由于天線(xiàn)波束指向偏離法線(xiàn)帶來(lái)的波程差。

由于各子陣射頻本振源同相，因此，只要在不同子陣的DDS單元通過(guò)數(shù)字頻率調(diào)制技術(shù)產(chǎn)生經(jīng)過(guò)數(shù)字調(diào)制的中頻發(fā)射信號(hào)，即可實(shí)現(xiàn)子陣間時(shí)延的精確補(bǔ)償。

2.2.2 基于數(shù)字調(diào)制的子陣接收信號(hào)時(shí)延精確補(bǔ)償

子陣接收信號(hào)經(jīng)過(guò)去斜處理之后，要實(shí)現(xiàn)不同子陣信號(hào)相參處理，還必須進(jìn)行兩次時(shí)延處理:第一次時(shí)延通過(guò)調(diào)整單頻本振和寬帶本振參數(shù)設(shè)置來(lái)實(shí)現(xiàn)頻率變化，可消除通道間頻率偏移;第二次時(shí)延通過(guò)FIR數(shù)字濾波器實(shí)現(xiàn)，可消除通道間相位偏移，實(shí)現(xiàn)相參處理。

通過(guò)兩級(jí)時(shí)延消除測(cè)距模糊，能夠?qū)崿F(xiàn)相控陣?yán)走_(dá)子陣信號(hào)相參合成，可補(bǔ)償大口徑寬帶相控陣?yán)走_(dá)寬角掃描時(shí)孔徑渡越時(shí)間引起的波束發(fā)散，并且該體制具有精度高、成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。

2.3 高精度系統(tǒng)同步技術(shù)

相比模擬處理方式，子陣數(shù)字化處理對(duì)多子陣間信號(hào)產(chǎn)生和數(shù)據(jù)采集的同步性提出了較高的要求，在高速多通道采集/播放系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，主要通過(guò)嚴(yán)格控制時(shí)鐘同步、觸發(fā)同步兩個(gè)環(huán)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的精確同步。

若兩個(gè)通道采集時(shí)鐘存在延時(shí)，則導(dǎo)致兩個(gè)通道對(duì)于同一輸入信號(hào)的采集結(jié)果存在延時(shí)誤差。這種誤差會(huì)使得兩路信號(hào)出現(xiàn)相位差，導(dǎo)致處理結(jié)果不能完全相參，進(jìn)而使得信噪比下降。系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用時(shí)鐘偏斜和抖動(dòng)指標(biāo)性能好的、支持Zero-Delay的鎖相環(huán)對(duì)多通道采集/播放器件提供時(shí)鐘。此外，選擇的采集器件支持ps級(jí)別的采樣時(shí)延調(diào)整，進(jìn)一步提高同步性能，簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)復(fù)雜度。

空間目標(biāo)群探測(cè)相控陣?yán)走_(dá)工作在波門(mén)采樣模式，需要用脈沖觸發(fā)啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集，如果觸發(fā)信號(hào)到達(dá)各個(gè)模數(shù)采集器時(shí)刻不一致，則多個(gè)通道觸發(fā)不同步。在采樣時(shí)鐘非常高的情況下，相對(duì)觸發(fā)信號(hào)上升沿較緩慢，對(duì)于多通道觸發(fā)同步帶來(lái)挑戰(zhàn)。對(duì)觸發(fā)同步的設(shè)計(jì)中采用重采樣技術(shù)，能夠?qū)τ|發(fā)脈沖沿進(jìn)行整形，使得觸發(fā)沿變得更加陡峭且滿(mǎn)足與高頻時(shí)統(tǒng)同步，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)采集時(shí)刻的同步相參性。

通過(guò)時(shí)鐘同步和觸發(fā)同步的精細(xì)設(shè)計(jì)，可保證不同子陣產(chǎn)生信號(hào)和采集數(shù)據(jù)的相參性，從而保證數(shù)字去斜處理后各子陣信號(hào)相參合成。

2.4 寬頻帶雷達(dá)和差三通道精確校正技術(shù)

單脈沖雷達(dá)通過(guò)在方位和俯仰方向形成和、差波束來(lái)獲得目標(biāo)的角度信息，和支路、方位支路、俯仰支路三通道的幅相一致性是保證測(cè)角精度的關(guān)鍵因素。現(xiàn)有雷達(dá)基本上利用窄帶信號(hào)測(cè)角和跟蹤，對(duì)中心頻點(diǎn)的三通道幅相一致性進(jìn)行校正。

對(duì)于寬頻帶雷達(dá)，由于寬帶三通道信號(hào)幅相一致性隨著頻率變化，會(huì)產(chǎn)生天線(xiàn)方向圖零值深度變淺、測(cè)角精度下降等難點(diǎn)問(wèn)題。采用寬帶幅度相位全數(shù)字精細(xì)補(bǔ)償方法，提取雷達(dá)發(fā)射、接收鏈路的幅相誤差信號(hào)，在發(fā)射支路對(duì)發(fā)射信號(hào)進(jìn)行幅度相位預(yù)失真，在接收支路對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行幅度相位補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)寬頻帶和差三通道精確校正，其中，幅度補(bǔ)償、相位補(bǔ)償方法在收發(fā)通道的原理一致。

此外，去斜大成像窗口信號(hào)處理的主要瓶頸是對(duì)大去斜窗口回波信號(hào)的高精度預(yù)失真補(bǔ)償。系統(tǒng)幅相失真，會(huì)導(dǎo)致一維距離像主副瓣比惡化、主瓣展寬甚至嚴(yán)重變形等，因此，必須進(jìn)行幅度和相位補(bǔ)償以減輕這些失真對(duì)系統(tǒng)的影響。

經(jīng)過(guò)寬帶和差三通道幅度相位全數(shù)字精細(xì)補(bǔ)償，不僅可以減小線(xiàn)性調(diào)頻信號(hào)非線(xiàn)性失真，實(shí)現(xiàn)寬帶測(cè)角、跟蹤，還可以實(shí)現(xiàn)去斜體制下大成像窗口。

3 基于寬頻帶相控陣?yán)走_(dá)子陣數(shù)字調(diào)制技術(shù)的信號(hào)后處理關(guān)鍵技術(shù)

基于寬頻帶相控陣?yán)走_(dá)子陣數(shù)字調(diào)制技術(shù)的信號(hào)后處理關(guān)鍵技術(shù)包括寬帶數(shù)字多波束形成技術(shù)、寬帶波束零點(diǎn)形成技術(shù)和距離速度高分辨處理技術(shù)等。

采用寬帶多波束技術(shù)可以充分利用波束能量提高雷達(dá)的搜索數(shù)據(jù)率和跟蹤數(shù)據(jù)率。當(dāng)信號(hào)環(huán)境中存在多個(gè)目標(biāo)時(shí)，利用多波束技術(shù)可實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)目標(biāo)的探測(cè)和跟蹤。利用寬帶數(shù)字陣列的自適應(yīng)波束形成算法可以實(shí)現(xiàn)寬帶波束的零點(diǎn)形成，能夠有效地抑制旁瓣干擾。

雷達(dá)發(fā)射寬頻帶信號(hào)時(shí)，單個(gè)脈沖內(nèi)目標(biāo)的徑向高速運(yùn)動(dòng)會(huì)引起回波相位的變化，使得回波信號(hào)的脈壓濾波器失配，造成寬帶直采信號(hào)脈壓后的目標(biāo)距離像展寬和畸變，導(dǎo)致目標(biāo)成像質(zhì)量下降。通過(guò)寬帶信號(hào)測(cè)速算法精確估計(jì)目標(biāo)速度，利用該信息構(gòu)造二次相位補(bǔ)償因子，對(duì)目標(biāo)回波進(jìn)行補(bǔ)償，保證補(bǔ)償后的回波與參考函數(shù)匹配，可避免由于高速目標(biāo)多普勒效應(yīng)造成的距離像展寬和畸變，實(shí)現(xiàn)距離速度高分辨，保證成像質(zhì)量。

此外，采用ST-RFT新方法，能夠?qū)崿F(xiàn)在“孔徑渡越”和“跨距離單元”條件下空時(shí)二維檢測(cè)前聚焦處理。通過(guò)在距離-速度-方位角聯(lián)合處理，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)能量在多維空間中的能量“聚焦”，提高在復(fù)雜探測(cè)和目標(biāo)環(huán)境中雷達(dá)威力和探測(cè)性能。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果

為驗(yàn)證寬頻帶相控陣?yán)走_(dá)子陣數(shù)字調(diào)制新技術(shù)，本團(tuán)隊(duì)研制了高速數(shù)字收發(fā)單元并構(gòu)建了驗(yàn)證平臺(tái)，如圖3所示。該數(shù)字收發(fā)驗(yàn)證平臺(tái)包括兩個(gè)數(shù)字收發(fā)單元，每個(gè)單元包含四個(gè)工作頻率為1.6 GS/s高速ADC通道和四個(gè)工作頻率為1.6 GS/s高速數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)通道。該驗(yàn)證平臺(tái)產(chǎn)生的1.2 GHz中頻信號(hào)通道間相位一致性實(shí)測(cè)指標(biāo)小于2°，對(duì)應(yīng)時(shí)間同步精度為4.6 ps;采集1.2 GHz中頻信號(hào)的通道間相位一致性實(shí)測(cè)指標(biāo)小于4°，對(duì)應(yīng)時(shí)間同步精度為9.2 ps。

圖3 數(shù)字收發(fā)單元及數(shù)字收發(fā)驗(yàn)證平臺(tái)實(shí)物照片

4.1 基于數(shù)字調(diào)制的子陣發(fā)射信號(hào)時(shí)延精確補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

利用數(shù)字收發(fā)單元構(gòu)建的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景如圖4所示，使用等長(zhǎng)線(xiàn)纜將四個(gè)發(fā)射通道校準(zhǔn)。通道校準(zhǔn)后，采用四根不等長(zhǎng)的射頻線(xiàn)纜(1.6 m、2.0 m、2.4 m、2.8 m)將不同發(fā)射通道連接至示波器不同通道。發(fā)射Chirp信號(hào)，帶寬為600 MHz，分別用示波器采集記錄發(fā)射信號(hào)時(shí)延補(bǔ)償前后的波形，將通道1與通道2結(jié)果繪制于圖5。可以看出，經(jīng)過(guò)時(shí)延補(bǔ)償后，不同通道信號(hào)可以同相相參疊加。

圖4 發(fā)射信號(hào)時(shí)延精確補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)連接圖

4.2 基于數(shù)字去斜的寬帶直采信號(hào)處理實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

利用數(shù)字收發(fā)單元建立單目標(biāo)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景，如圖6所示。將發(fā)射通道1輸出的信號(hào)進(jìn)行濾波放大后，進(jìn)行一分四功率分配，使用等長(zhǎng)線(xiàn)纜校準(zhǔn)各接收通道。通道校準(zhǔn)后，采用四根不等長(zhǎng)的射頻線(xiàn)纜(1.6 m、2.0 m、2.4 m、2.8 m)將功分輸出信號(hào)連接至不同接收通道。發(fā)射Chirp信號(hào)，帶寬為600 MHz，采用四個(gè)通道分別接收信號(hào)并進(jìn)行寬帶直采數(shù)字去斜處理，對(duì)比接收信號(hào)時(shí)延精確補(bǔ)償前后的一維距離像，如圖7所示。從圖中可以看出，經(jīng)過(guò)對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行時(shí)延精確補(bǔ)償，基于數(shù)字去斜的寬帶直采信號(hào)處理可使不同通道信號(hào)相參疊加。

圖5 基于數(shù)字調(diào)制的子陣發(fā)射信號(hào)時(shí)延精確補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖6 寬帶直采數(shù)字去斜處理實(shí)驗(yàn)連接圖

圖7 基于數(shù)字去斜的寬帶直采信號(hào)處理實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4.3 寬頻帶幅相補(bǔ)償精確校正技術(shù)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

圖8 幅相補(bǔ)償前后回波頻譜的幅度譜與相位譜誤差

基于接收信號(hào)對(duì)寬頻帶幅相補(bǔ)償精確校正技術(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，Chirp信號(hào)中心頻率為1 200 MHz，帶寬為600 MHz，脈寬為10 μs。幅相補(bǔ)償前后回波頻譜的幅度譜和回波相位如圖8所示，可以看出，經(jīng)過(guò)幅相補(bǔ)償，回波信號(hào)的幅相失真得到明顯改善，幅度譜誤差降低至2 dB左右，相位誤差降低至±4°以?xún)?nèi)。帶寬600 MHz的接收信號(hào)經(jīng)過(guò)數(shù)字去斜處理之后的結(jié)果如圖9所示，可以看出，經(jīng)過(guò)幅相補(bǔ)償之后，可大大改善一維距離像旁瓣不對(duì)稱(chēng)現(xiàn)象。

圖9 幅相補(bǔ)償前后數(shù)字去斜結(jié)果對(duì)比

5 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)探測(cè)遠(yuǎn)距離空間目標(biāo)群的大口徑寬頻帶相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，本文提出了寬頻帶相控陣?yán)走_(dá)子陣數(shù)字調(diào)制新技術(shù)，并突破了基于數(shù)字去斜的直采信號(hào)處理、基于數(shù)字調(diào)制的子陣時(shí)延精確補(bǔ)償及高精度系統(tǒng)同步等關(guān)鍵技術(shù)，可以替代模擬延時(shí)線(xiàn)，以解決寬頻帶相控陣?yán)走_(dá)寬角掃描波束發(fā)散難題，并支持寬頻帶相控陣?yán)走_(dá)大成像窗口、脈間相參。該技術(shù)可以結(jié)合后端寬帶數(shù)字多波束、寬帶波束零點(diǎn)形成、距離速度高分辨處理、檢測(cè)前聚焦等信號(hào)處理關(guān)鍵技術(shù)，以提高寬頻帶相控陣?yán)走_(dá)對(duì)遠(yuǎn)距離空間目標(biāo)群的探測(cè)能力和復(fù)雜電磁環(huán)境下的抗干擾能力。此外，經(jīng)過(guò)和差三通道精確校正，可以采用寬頻帶進(jìn)行檢測(cè)、跟蹤，提高雷達(dá)時(shí)間資源利用率。本文給出了基于數(shù)字調(diào)制的子陣發(fā)射信號(hào)時(shí)延精確補(bǔ)償、基于數(shù)字去斜的寬帶直采信號(hào)處理及寬頻帶幅相補(bǔ)償精確校正等關(guān)鍵技術(shù)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果，效果良好。后續(xù)可考慮將寬頻帶相控陣?yán)走_(dá)子陣數(shù)字調(diào)制新技術(shù)應(yīng)用于實(shí)際雷達(dá)系統(tǒng)，進(jìn)行關(guān)鍵技術(shù)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

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