數(shù)字陣列雷達系統(tǒng)的基本框架和工作原理

1、概述

數(shù)字陣列雷達系統(tǒng)在發(fā)射端通過天線向空間發(fā)射同時多波束信號進來多目標 探測。其中，數(shù)字波束形成技術(shù)是一種以數(shù)字信號的形式來實現(xiàn)在某個指定方向或 多個不同方向形成波束的技術(shù)。該技術(shù)通過使用軟件來控制權(quán)向量，從而更容易地 改變波束的指向，并利用數(shù)字處理方式的優(yōu)勢，提高了波束的分辨率和低副瓣的性 能，同時提高波束的抗干擾能力。DBF技術(shù)一開始主要運用在雷達系統(tǒng)的接收端， 但經(jīng)過研究分析發(fā)現(xiàn)數(shù)字多波束形成技術(shù)也可在發(fā)射端使用。本章首先介紹數(shù)字 陣列雷達系統(tǒng)的基本框架，同時介紹基于均勻矩形平面陣列的發(fā)射陣列信號模型， 然后介紹發(fā)射數(shù)字多波束形成的基本原理和三種計算多波束權(quán)向量的算法，最后 給出不同算法的波束形成功率圖。

該數(shù)字陣列雷達系統(tǒng)主要由陣列天線、射頻模塊、數(shù)字T/R組件、多波束發(fā)射 信號模塊、接收信號處理模塊、數(shù)據(jù)處理模塊及控制單元等幾個部分組成。其中多 波束發(fā)射信號模塊根據(jù)探測多波束的需求，使用不同的波束形成算法來計算或查 表得到多波束發(fā)射的權(quán)值，再結(jié)合基帶信號的形式（如線性調(diào)頻信號）得到各發(fā)射 通道需要的多波束發(fā)射信號，然后通過數(shù)字T/R組件將發(fā)射信號送到射頻模塊， 完成射頻調(diào)制后通過陣列天線將信號發(fā)射出去；當發(fā)射多波束信號遇到目標以及 地海平面時，數(shù)字陣列雷達系統(tǒng)的接收機接收到由目標和地海平面反射回來的信 號，然后各個陣元將接收到的射頻信號經(jīng)過射頻模塊變頻和數(shù)字T/R組件采樣后 得到數(shù)字中頻信號，最后將該接收信號送入數(shù)字信號處理機進行接收信號處理，主 要通過對接收信號使用多波束形成技術(shù)得到多個波束通道，然后針對每個波束通 道進行空時信號處理與雜波抑制，從而實現(xiàn)目標檢測，檢測到目標后使用基于壓縮 感知理論的測角技術(shù)進行目標角度測量，然后控制單元根據(jù)處理結(jié)果實施相應(yīng)的 控制。

各個陣列通道的射頻信號經(jīng)過數(shù)字 T/R組件采樣和數(shù)字下變頻后得到了數(shù)字基帶信號；在完成通道校正后，根據(jù)發(fā)射 多波束的方向進行接收數(shù)字多波束形成，得到P個波束通道；然后針對每個波束通 道，依次完成匹配濾波、空時雜波處理和目標檢測；檢測到目標后，針對目標所在 距離單元進行超分辨測角，最終將目標檢測結(jié)果及參數(shù)測量信息輸出，送數(shù)據(jù)處理 模塊完成后續(xù)處理。

數(shù)字陣雷達發(fā)射數(shù)字波束的形成過程是通過改變發(fā)射信號的相位和幅度，從 而讓每個天線陣元的信號獲得相位補償后，利用天線陣元將發(fā)射信號輻射出去，然 后在空間的某個方向形成波束。

在基帶分別對發(fā)射信號進行幅度和相位加權(quán)以實現(xiàn)陣元相位補償，若想進一步降低副瓣可以通過使用加窗函數(shù)的方法來控制權(quán) 向量的幅度。數(shù)字配相法可根據(jù)不同需求在空間形成單個波束或者同時形成多個 波束指向不同且波束形狀可不相同的波束，從而實現(xiàn)發(fā)射數(shù)字多波束形成。

基于數(shù)字配相法的發(fā)射多波束形成只要已知陣列的結(jié)構(gòu)和信號對應(yīng)的陣列導 向矢量，就可以輕易計算出每組權(quán)向量的值。該方法使用的是靜態(tài)權(quán)向量，所以該 方法更適合發(fā)射信號之間相互獨立的情況，此時各個波束之間是相互獨立的關(guān)系。但是當發(fā)射信號相關(guān)時，多波束形成時的和功率方向圖不等于每個發(fā)射信號的功 率方向圖相加，此時還需加上信號之間相關(guān)分量對應(yīng)的功率方向圖，對于發(fā)射信號 是相同信號時，此時多波束形成的多個權(quán)向量疊加作為單一信號的新權(quán)向量。

2、功率放大器對發(fā)射同時數(shù)字多波束的影響

數(shù)字陣列雷達系統(tǒng)的發(fā)射同時多波束形成技術(shù)的研究可知，數(shù)字 陣列雷達系統(tǒng)的發(fā)射機在發(fā)射信號時需要利用功率放大器將輸入信號放大后再輸 出。實際上射頻功放的最大特點是其非線性特性，若輸入混合信號的電平越大，由 非線性產(chǎn)生的失真分量越多，發(fā)射信號的畸變越嚴重。根據(jù)上一章發(fā)射同時多波束 形成的原理可知，天線陣元發(fā)射的信號是多個信號進行加權(quán)疊加后的和信號，此時 和信號的包絡(luò)不是固定不變的。如果功率放大器在線性區(qū)域工作，此時功率較小從 而導致工作效率低，如果功率放大器在非線性區(qū)域工作，混合信號作為輸入信號經(jīng) 過功放后會產(chǎn)生互調(diào)分量，從而對發(fā)射同時數(shù)字多波束產(chǎn)生一定的影響。為了從理 論上更好地分析發(fā)射數(shù)字多波束場景下的功放非線性特性的影響，首先要對功率 放大器建立合適的數(shù)學模型，然后分析輸入信號經(jīng)過無記憶功放行為模型得到的 輸出信號，通過頻譜圖分析第二章的三種波束形成算法的特點，設(shè)計期望信號波束 形成的峰值功率與互調(diào)分量波束形成的峰值功率的比值作為指標，利用該指標分 析功放的非線性特性對數(shù)字陣雷達發(fā)射同時多波束的影響。

數(shù)字陣雷達系統(tǒng)發(fā)射信號時通常需要借助功率放大器將輸入信號功率放大后， 再通過天線將輸入混合信號輻射到空間，因此功率放大器的特性會對發(fā)射信號所 攜帶的信息產(chǎn)生影響。眾所周知，非線性特性是功率放大器固有的特點，其會導致 信號的波形產(chǎn)生失真，通常表現(xiàn)在新頻率的出現(xiàn)，除了原始信號的頻率分量外，還 會包含很多高次諧波分量以及由各信號頻率與它們諧波分量之間的和頻率或差頻 率即互調(diào)分量。那么在數(shù)字陣發(fā)射同時多波束形成系統(tǒng)中，其發(fā)射信號通常是多個 不同信號疊加后的和信號，由于功率放大器始終存在著非線性特性，一旦功率放大 器工作在非線性區(qū)時，那么輸入混合信號通過功率放大器放大后的輸出信號中不 僅包括原始的輸入混合信號的信息，還會存在與新頻率對應(yīng)的互調(diào)分量與諧波分 量。若是從雷達發(fā)射多波束進行目標探測的角度來看，互調(diào)分量對應(yīng)的信號就變成 了干擾，那么就有可能導致發(fā)射同時多波束的功率方向圖發(fā)生畸變，且會增大雜波 信號的能量，在一定程度上會影響主波束對目標的探測。

3、基于同時接收多波束的空時雜波抑制算法

全數(shù)字化的陣列雷達系統(tǒng)可實現(xiàn)多目標檢測、搜索、定位、跟蹤、尋找等一體 化雷達技術(shù)。發(fā)射多波束形成是實現(xiàn)雷達技術(shù)一體化的重要實現(xiàn)途徑。在接收端對 每個發(fā)射波束的回波進行同時接收處理，可提高系統(tǒng)信號處理效率。在雷達系統(tǒng)接 收到的回波信號中，其中目標信號是感興趣的信號，而摻雜的干擾信號和雜波信號 是不感興趣的信號，此時需要將干擾和雜波等不感興趣信號進行濾波抑制，從而避 免其對目標信號檢測的影響。本章首先介紹陣列接收信號模型和雜波空時信號模 型，根據(jù)發(fā)射同時多波束信號進行多目標探測的需求，對回波信號進行多波束形成 技術(shù)形成多個波束通道，然后分別對每個波束通道進行空時信號處理與雜波抑制。因此，介紹非自適應(yīng)處理和STAP自適應(yīng)處理這兩種雜波抑制算法，最后根據(jù)不同 場景給出實驗仿真。

表示同時多波束形成框架下進行雜波抑制的非自適應(yīng)處理過程，首先對 回波信號在空域上進行同時多波束形成，得到多個波束通道后，分別對每個波束通 道進行匹配濾波，MTD處理和CFAR檢測，若存在目標，則輸出目標所在的距離 和多普勒信息，最后用超分辨方法進行角度測量。因此，在發(fā)射同時多波束的框架 下可以實現(xiàn)同時多目標檢測。當發(fā)射信號是獨立信號時，通過對回波信號進行波束 形成和匹配濾波可以減少其他波束的干擾，但當發(fā)射信號是相同信號時，對回波信 號進行波束形成和匹配濾波并不能完全避免其他波束的干擾。

空時自適應(yīng)處理的原理是根據(jù)最后輸出的信雜噪比（Signal to Clutter Noise Ratio, SCNR）取得最大值的準則計算出一組最優(yōu)權(quán)向量，然后對每個脈沖的匹配 濾波輸出數(shù)據(jù)進行權(quán)向量加權(quán)后求和。

若陣列陣元數(shù)或者脈沖數(shù)過多時，常規(guī)的空時自適應(yīng)處理計算量大，在實際工 程中實現(xiàn)困難，因此實際應(yīng)用中通常會考慮使用降維STAP處理。JDL降維STAP 算法[ 26]主要是選取一個主通道，然后選擇主通道臨近的一些輔助通道來消除目標 所在位置的雜波信號。

數(shù)字陣雷達陣列接收到的回波信號經(jīng)過匹配濾波后的數(shù)據(jù)一般稱為空域-時域 數(shù)據(jù)，降維STAP算法需要通過FFT變換將空域-時域數(shù)據(jù)變換到角度-多普勒域。均勻矩形平面陣陣列的接收數(shù)據(jù)經(jīng)過FFT變換后共有MNK個通道，每個通道對應(yīng) 著不同的角度-多普勒頻域。因為目標所在的通道存在著一定的雜波信號，因此可 借助目標通道附近的輔助通道來對消主通道的雜波，從而更好地實現(xiàn)目標檢測。而 降維STAP的關(guān)鍵是降維矩陣T的構(gòu)建，一般選擇的波束域不同，那么選擇的輔助 通道也不同，即從1T抽取得到T的方法不同。

圖4-8 JDL3×3角度-多普勒二維波束選擇示意圖

綜上，同時多波束框架下進行雜波抑制的降維空時自適應(yīng)處理流程如圖4-9所 示。首先構(gòu)造降維矩陣T，將回波數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為角度-多普勒域數(shù)據(jù)Tx，然后再對數(shù)據(jù)T x做匹配濾波，使用匹配濾波輸出數(shù)據(jù)估計協(xié)方差矩陣，從而計算最優(yōu)權(quán)向量， 使用最優(yōu)權(quán)向量對數(shù)據(jù)Tx進行加權(quán)處理后實現(xiàn)雜波抑制，最后進行CFAR檢測。 為降低運算量，不直接對陣列接收到的回波數(shù)據(jù)做匹配濾波，先通過降維矩陣T實 現(xiàn)降維后再進行匹配濾波。若發(fā)射多波束個數(shù)為4時，接收的主波束通道也為4， 使用JDL3×3降維STAP算法，每個主波束通道還應(yīng)有兩個相鄰的輔助通道，則 需要的波束通道數(shù)總共為12個，匹配濾波器的數(shù)量由原來的陣元通道數(shù)降低為12 個，從而降低了計算量。

審核編輯：湯梓紅