寬帶通道合成噪聲位截?cái)嘣O(shè)計(jì)研究

張 宇

(南京電子技術(shù)研究所 南京 210039)

0 引言

相控陣?yán)走_(dá)一般有幾十個(gè)至幾千個(gè)接收通道。近年來(lái)，國(guó)外一些發(fā)達(dá)國(guó)家在寬帶數(shù)字陣列雷達(dá)方面，取得了許多技術(shù)上的突破性進(jìn)展。國(guó)外已有一些采用數(shù)字波束形成技術(shù)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和數(shù)字陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)，主要包括：用于BMD(彈道導(dǎo)彈防御系統(tǒng))，可同時(shí)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行跟蹤與分辨的寬帶數(shù)字陣?yán)走_(dá)。該雷達(dá)采用大型陣列，以提高角度分辨率；采用寬帶技術(shù)以提高距離分辨率；用于SAR (合成孔徑雷達(dá))成像的寬帶數(shù)字陣?yán)走_(dá)；采用寬帶STAP(空時(shí)自適應(yīng)處理)技術(shù)的機(jī)載或天基雷達(dá)； MIMO(多輸入多輸出)雷達(dá)和認(rèn)知雷達(dá)；共用口徑的寬帶陣列，可同時(shí)應(yīng)用于雷達(dá)系統(tǒng)，通信系統(tǒng)和電子戰(zhàn)系統(tǒng)[1-7]。

寬帶波束形成，受陣面孔徑、帶寬、掃描角度和帶內(nèi)起伏等因素影響，不能再采用傳統(tǒng)窄帶相控陣?yán)走_(dá)中的移相技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，而必須采用數(shù)字時(shí)延補(bǔ)償來(lái)替代[8-10]。DBF(數(shù)字波束形成)需要完成海量數(shù)據(jù)匯集與并行乘法計(jì)算。為了獲得較高速率的數(shù)據(jù)通過(guò)率，加權(quán)處理一般采用FPGA(現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列)定點(diǎn)運(yùn)算平臺(tái)。但是定點(diǎn)運(yùn)算動(dòng)態(tài)范圍較小，為了避免溢出，通常采用截位方法，可能降低計(jì)算的精度，本文針對(duì)寬帶定點(diǎn)運(yùn)算進(jìn)行研究，為寬帶數(shù)字陣列雷達(dá)工程化提供仿真支持。

1 寬帶合成數(shù)學(xué)模型

不失一般性，考慮信號(hào)波形sc(t)是載頻為fc的帶通LFM(線性調(diào)頻)信號(hào)：

(1)

用基帶復(fù)信號(hào)sZ(t)表示為：

(2)

其I，Q通道信號(hào)，分別表示為：

sI(t)=L{cos(2πfct+kπt2)cos(2πfct)}=cos(kπt2)

sQ(t)=L{cos(2πfct+kπt2)sin(2πfct)}=sin(kπt2)

(3)

其中L表示低通濾波。

則復(fù)包絡(luò)sZ(t)為：

(4)

=cos(2πfc(t-τ)+kπ(t-τ)2)

(5)

(1)鼓勵(lì)企業(yè)兼并重組，淘汰落后產(chǎn)能，提高技術(shù)和裝備水平。發(fā)揮行業(yè)聯(lián)盟作用，開(kāi)展聯(lián)盟企業(yè)座談會(huì)，互通信息、交流經(jīng)驗(yàn)、研究存在困難和問(wèn)題及時(shí)的協(xié)調(diào)解決。

(6)

(7)

=exp(-jkπ(t-τk)2)exp(-j2πfcτk)

=sZ(t-τk)exp(-j2πfcτk)

(8)

對(duì)于窄帶信號(hào)，數(shù)字陣列可以采用基于相移處理的窄帶陣列波束形成方法。但對(duì)于寬帶信號(hào)，窄帶波束形成方法將導(dǎo)致寬帶波束方向圖出現(xiàn)頻域不一致性等問(wèn)題，使得波束方向圖的主波束發(fā)生偏移和畸變，造成信號(hào)處理增益降低，因此必須對(duì)寬帶信號(hào)進(jìn)行時(shí)延補(bǔ)償。

2 工程實(shí)現(xiàn)分析

假定寬帶相控陣?yán)走_(dá)組件基本構(gòu)成如圖1所示，組件內(nèi)有8個(gè)數(shù)字接收通道，組件數(shù)字板中完成波束合成后，進(jìn)行回波數(shù)據(jù)下傳。

圖1 組件基本構(gòu)成示意

針對(duì)雷達(dá)AD(模數(shù)轉(zhuǎn)換)后簡(jiǎn)化的數(shù)字處理流程如下圖，在寬帶波束合成采用多大位寬輸出對(duì)系統(tǒng)硬件資源影響較大，需評(píng)估截?cái)嘤绊憽２捎靡韵绿幚砹鞒谭抡娼財(cái)嘣肼曃粚?duì)信噪比的影響，處理流程如圖2。

圖2 數(shù)字處理流程示意

假設(shè)AD有效位14，經(jīng)過(guò)DDC(數(shù)字下變頻)，由于DDC中濾波器增益采取歸一化處理，增益為1，所以DDC輸出16位，其中有效位為低14位，高2位無(wú)效。因此認(rèn)為經(jīng)過(guò)DDC的濾波器后噪聲位寬仍保留4位。

初級(jí)DBF如圖3所示，主要完成通道均衡、時(shí)延濾波和波束加權(quán)合成等處理。考慮通帶起伏5-6dB，幅頻響應(yīng)模型如圖3，均衡濾波器輸入和輸出均為16位，則通道起伏對(duì)噪聲位影響為1位。時(shí)延濾波器增益也采取歸一化處理，幅頻響應(yīng)模型如圖4，當(dāng)輸入和輸出均為16位時(shí)，認(rèn)為對(duì)噪聲位沒(méi)有影響。

圖3 組件初級(jí)DBF處理

圖4 均衡濾波前后幅頻響應(yīng)變化

圖5 時(shí)延濾波器幅頻響應(yīng)

初級(jí)DBF中波束合成完成8合1，設(shè)8個(gè)通道分別對(duì)應(yīng)N行M列的面陣，行列間距都為d，俯仰角和方向角分別為θ、φ；權(quán)值提供的沿面陣行、列的陣內(nèi)相移值分別為α、β；fd為多普勒頻率；wlxly代表通道(lx，ly)，即lx行l(wèi)y列，所對(duì)應(yīng)的幅度加權(quán)；As、Aw分別為接收信號(hào)和權(quán)值的量化幅度，則陣元接收信號(hào)和權(quán)值分別為：

(9)

Wlxly=Awwlxlye-j(lx·α+ly·β)

(10)

波束形成輸出為：

(11)

式(11)所表示的就是t時(shí)刻的波束形成的結(jié)果。合成幅度如下：

(12)

由式(12)可見(jiàn)，當(dāng)波束指向與回波方向相同且2πfdt=kπ/2時(shí)，輸出的I或Q信號(hào)取得最大值。因此，在接收信號(hào)和權(quán)值的幅度一定的情況下，輸出的I/Q信號(hào)的最大值取決于各天線通道錐銷權(quán)的和值。

假定陣列和波束錐銷值加權(quán)采用泰勒權(quán)，針對(duì)Aw量化幅度采用歸一化處理，那么8通道合一，噪聲位增加3位；考慮通道起伏的影響1位，綜合看，截?cái)喑?6位后，噪聲位可舍棄2位。

3 仿真實(shí)驗(yàn)

假定雷達(dá)系統(tǒng)仿真參數(shù)如下：

項(xiàng)目信號(hào)形式PRF(脈沖重復(fù)頻率)脈寬單幀駐留脈沖數(shù)占空比帶寬AD噪聲位備注參數(shù)LFM信號(hào)16k62.5μs120ms192010%180MHz4位

仿真處理過(guò)程如下：

1)產(chǎn)生高斯噪聲信號(hào)；

2)在5000距離門處疊加目標(biāo)回波；

3)產(chǎn)生各天線單元接收回波；

4)完成組件內(nèi)8合1處理；

5)完成DBF+DPC(數(shù)字脈壓)+PD(脈沖多普勒處理)，DBF、DPC、PD均不加窗；

6)完成目標(biāo)SNR(信噪比)提取。

針對(duì)8通道合成進(jìn)行仿真研究。在該情況下DBF+DPC+PD處理理論得增益共9+34+32=75dB。

3.1 仿真1

針對(duì)單通道信噪比-62～-50dB，噪聲位保留1-8位的情況，相參積累后信噪比如下，可見(jiàn)噪聲位4位以上，信噪比損失可以忽略。

圖6 不同信噪比仿真

3.2 仿真2

噪聲位保留1-8位，分別仿真單通道信噪比-62～-50dB，相參積累后信噪比如下，可見(jiàn)噪聲位3位以上，損失很小， 4位以上，信噪比損失可以忽略。

圖7 不同噪聲位寬仿真

綜合上述兩組試驗(yàn)結(jié)果可以看出，針對(duì)寬帶通道合成噪聲位截?cái)嘣O(shè)計(jì)，針對(duì)噪聲位保留1-8位時(shí)，分別仿真單通道信噪比-62～-50dB，相參積累后信噪比，可見(jiàn)噪聲位3位以上，損失很小，4位以上，信噪比損失可以忽略。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)寬帶通道合成時(shí)定點(diǎn)計(jì)算截位進(jìn)行仿真，通過(guò)比較不同信噪比和不同噪聲位寬時(shí)信號(hào)積累后的信噪比，具有工程應(yīng)用參考價(jià)值。