(中國電子科技集團(tuán)公司第二十研究所,陜西西安710068)

0 引言

由于現(xiàn)代戰(zhàn)爭作戰(zhàn)方式多變和戰(zhàn)爭形態(tài)復(fù)雜的特點(diǎn),需要拓新雷達(dá)技術(shù)性能和提高雷達(dá)生存能力,盡可能地降低軍備經(jīng)費(fèi)投入。為了滿足雷達(dá)多功能、多任務(wù)的工作方式,數(shù)字波束形成技術(shù)是目前相控陣?yán)走_(dá)發(fā)展最具潛質(zhì)的技術(shù)[1]。通過對(duì)國外前沿技術(shù)的跟蹤,相控陣?yán)走_(dá)向著數(shù)字化、軟件化加速發(fā)展,擴(kuò)頻數(shù)字波束形成(SSDBF)技術(shù)能夠最大限度地降低數(shù)字多波束雷達(dá)硬件成本,實(shí)現(xiàn)天線薄片化設(shè)計(jì),克服常規(guī)數(shù)字多波束(CDBF)雷達(dá)的體積、重量、散熱、頻率(X到Ka或更高)、帶寬(100 MHz以上)和子陣尺寸(每個(gè)子陣有100個(gè)以上單元)可擴(kuò)展問題[2],是一種“高性價(jià)比”的新體制相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng),具有相控陣?yán)走_(dá)發(fā)展前瞻性。

本文將根據(jù)國外近幾年研制的SSDBF技術(shù),對(duì)實(shí)現(xiàn)CDBF相控陣?yán)走_(dá)能力進(jìn)行研究,為后續(xù)的工程研制驗(yàn)證提供理論支撐。

1 CDBF雷達(dá)工程實(shí)現(xiàn)存在的不足

(1)常規(guī)的相控陣?yán)走_(dá)中收發(fā)波束形成所需的幅度相位加權(quán)是在射頻端通過衰減器和移相器來實(shí)現(xiàn)的[3],其幅度和相位控制的精確性較低、功率損耗較大;

(2)隨著陣列單元數(shù)增加,陣列的通道數(shù)也隨之增加,帶來通道一致性問題,使整個(gè)陣列頻繁校準(zhǔn);

(3)由于MMIC T/R組件和通道數(shù)的增加,導(dǎo)致實(shí)現(xiàn)CDBF技術(shù)的成本高、尺寸大、重量重、功率高、熱量大、采集總數(shù)據(jù)量大問題;

(4)對(duì)于高頻應(yīng)用(如X、Ku、Ka波段),CDBF頻率擴(kuò)展性主要受限于每個(gè)陣列單元“后面”的電子設(shè)備的體積,特別受限于可用于散熱的區(qū)域,導(dǎo)致頻率擴(kuò)展性問題;

(5)對(duì)于大帶寬應(yīng)用,CDBF主要受限為ADC的高速采樣速率[2],帶來數(shù)據(jù)總線的高速率、大容量和復(fù)雜度;

(6)對(duì)于大型陣列的可擴(kuò)展性而言,CDBF的相關(guān)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)問題是在“真實(shí)”溫度(MMIC和放大器等引起的內(nèi)部溫度波動(dòng))范圍內(nèi)所有收發(fā)器的同步(在載波級(jí)和ADC采樣頻率與定時(shí)級(jí))問題。

2 SSDBF雷達(dá)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

具有提高通信系統(tǒng)可靠傳輸信息能力的擴(kuò)頻技術(shù),應(yīng)用在實(shí)現(xiàn)常規(guī)數(shù)字多波束相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)中,能夠克服CDBF上述問題。SSDBF雷達(dá)發(fā)射信號(hào)基于天線單元基帶產(chǎn)生和多路復(fù)用、高頻解復(fù)用,克服了天線移相器和多波束雷達(dá)多通道問題,解決了通道一致性和數(shù)據(jù)采集量大的問題;天線發(fā)射/接收單元的二相調(diào)制開關(guān),使天線可實(shí)現(xiàn)薄片化設(shè)計(jì)和頻率、帶寬可擴(kuò)展,降低系統(tǒng)復(fù)雜度。采用SSDBF技術(shù)可以大幅降低全數(shù)字陣列多波束雷達(dá)的硬件成本、天線熱耗、體積并提高其頻率和帶寬。

鑒于擴(kuò)頻數(shù)字波束形成技術(shù)的上述優(yōu)點(diǎn),可將其應(yīng)用于對(duì)重量、體積、散熱、成本要求較高的相控陣?yán)走_(dá)裝備上。對(duì)高頻發(fā)射信號(hào)進(jìn)行基于各個(gè)天線單元(或子陣單元)真正移位正交碼(TSOC)調(diào)制,可以擴(kuò)展為MIMO雷達(dá)和對(duì)LPD/LPI要求的雷達(dá)中。對(duì)帶寬、頻率的擴(kuò)展應(yīng)用,可以作為合成孔徑雷達(dá),進(jìn)行視場成像。另外,由于該體制天線上的高頻二相調(diào)制器,可以芯片設(shè)計(jì),在不降低天線口徑和副瓣電平的情況下,進(jìn)行MIMO虛擬陣列設(shè)計(jì)。該體制可以應(yīng)用在多基地雷達(dá),構(gòu)建天地空布防系統(tǒng)等。尤其在地質(zhì)環(huán)境差、工作條件復(fù)雜的情況下可以進(jìn)行機(jī)動(dòng)靈活的站位工作。

該技術(shù)能大幅降低數(shù)字多波束相控陣?yán)走_(dá)的硬件成本并提升其性能,具有靈活動(dòng)態(tài)發(fā)射信號(hào)、子陣規(guī)劃配置特點(diǎn),具有重大軍事、經(jīng)濟(jì)意義和廣闊的應(yīng)用前景。

3 SSDBF技術(shù)重構(gòu)CDBF相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)

3.1 擴(kuò)頻解擴(kuò)

擴(kuò)頻通信技術(shù)是指待傳輸信息信號(hào)的頻譜用某個(gè)特定的擴(kuò)頻函數(shù)擴(kuò)展頻譜后成為寬頻帶信號(hào),然后送入信道中傳輸;在接收端再利用相應(yīng)的技術(shù)或手段將展寬的頻譜進(jìn)行壓縮,恢復(fù)為原來待傳輸信息的帶寬,從而達(dá)到傳輸信息目的通信系統(tǒng)[4]。傳輸同樣信息信號(hào)所需要的傳輸帶寬,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過常規(guī)通信中各種調(diào)制方式所要求的帶寬。信息已經(jīng)不再是決定傳輸信號(hào)帶寬的重要因素,傳輸信號(hào)的帶寬主要由擴(kuò)頻函數(shù)決定[4]。擴(kuò)頻通信系統(tǒng)主要有兩個(gè)特點(diǎn):一是傳輸信號(hào)的帶寬遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于被傳輸原始信息信號(hào)的帶寬;二是傳輸信號(hào)的帶寬主要由擴(kuò)頻函數(shù)決定。擴(kuò)頻函數(shù)通常是偽隨機(jī)(偽噪聲)編碼信號(hào)[5]。

3.2 多路復(fù)用解復(fù)用

多路復(fù)用解復(fù)用是通過對(duì)偽隨機(jī)序列碼的選取,選擇TSOC,TSOC具有良好的自相關(guān)特性、互相關(guān)函數(shù)有處處為0的互相關(guān)值,有足夠的復(fù)雜度,并易于產(chǎn)生和處理的特性,因此SSDBF將TSOC用作雷達(dá)波形編碼及陣列回波信號(hào)再調(diào)制和多路復(fù)用的傳輸工具。由于TSOC具有時(shí)域、頻域移位正交性[2],因此在基帶利用TSOC,以擴(kuò)頻處理增益(TSOC碼長)檢測(cè)旋轉(zhuǎn)相關(guān)器輸出信號(hào),同時(shí)可完整再現(xiàn)雷達(dá)信號(hào)探測(cè)目標(biāo)的延時(shí)、衰減、多路徑等變換。TSOC還具有碼長任意性,和一個(gè)碼長具有任意個(gè)不同的TSOC族,可以應(yīng)用在一些對(duì)LPD/LPI要求的雷達(dá)中。

由于上述TSOC的特性,雷達(dá)發(fā)射信號(hào)基帶產(chǎn)生并多路復(fù)用,天線高頻二相調(diào)制解復(fù)用;接收天線高頻回波二相調(diào)制多路復(fù)用,信號(hào)處理數(shù)字域旋轉(zhuǎn)相關(guān)解復(fù)用,應(yīng)用多路復(fù)用解復(fù)用有效實(shí)現(xiàn)數(shù)字陣多波束相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)僅采用一個(gè)發(fā)射通道、一個(gè)接收通道、天線高頻二相調(diào)制開關(guān)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

3.3 SSDBF 技術(shù)機(jī)理仿真

SSDBF技術(shù)系統(tǒng)的發(fā)射信號(hào)是由軟件產(chǎn)生基于各個(gè)輻射天線單元n發(fā)射基帶信號(hào)sn(t),通過TSOC編碼cn(t)擴(kuò)頻技術(shù)處理合成后,實(shí)現(xiàn)發(fā)射信號(hào)復(fù)用。復(fù)用的發(fā)射信號(hào)通過各個(gè)單元相關(guān)解復(fù)用提取各自的發(fā)射信號(hào)。接收信號(hào)是發(fā)射的逆過程,接收復(fù)用信號(hào)再由旋轉(zhuǎn)相關(guān)解復(fù)用檢測(cè),應(yīng)用算法軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)字多波束。

以下是通過產(chǎn)生16(n=16)組m序列擴(kuò)頻碼,對(duì)具有16個(gè)賦權(quán)發(fā)射信號(hào)s1(t)～s16(t),進(jìn)行調(diào)制、合成,然后再通過16組擴(kuò)頻碼c1(t)～c16(t)相關(guān)解擴(kuò)檢測(cè),通過算法實(shí)現(xiàn)波束形成。仿真頻率參數(shù)為100 M Hz,天線單元間距為0.5λ,掃描角度θ為0°。

仿真圖中只截取了4個(gè)單元仿真圖形進(jìn)行說明。擴(kuò)頻碼為m序列碼,擴(kuò)頻碼特征多項(xiàng)式為

式中,n=9,反饋系數(shù)Ci1=1 021,Ci2=1 055。

相位權(quán)為

幅度權(quán)為

仿真圖形如圖1～3所示。

圖1 4路發(fā)射信號(hào)的實(shí)部(時(shí)域圖形)

圖2 4路擴(kuò)頻后信號(hào)(時(shí)域圖形)

圖3 16路發(fā)射聚合信號(hào)(時(shí)域圖形)

圖4是通過對(duì)1路進(jìn)行發(fā)射通道處理過程的頻域仿真,其中包括原始信號(hào)頻譜、擴(kuò)頻碼的頻譜、擴(kuò)頻后信號(hào)頻譜、上變頻信號(hào)后的頻譜。

圖5是從聚合信號(hào)中提取1路權(quán)值的仿真過程。

從圖5中取其中的0.1μs放大,得到圖6。

圖7為圖5對(duì)應(yīng)的頻譜圖形。

波束形成:指向角θ=0°,16個(gè)天線單元的波束形成結(jié)果如圖8所示。

通過對(duì)TSOC編碼的選取,經(jīng)過仿真驗(yàn)證,無論是發(fā)射通道還是接收通道的擴(kuò)頻傳輸原理,都是經(jīng)過擴(kuò)頻TSOC編碼調(diào)制,然后用同樣的TSOC編碼解擴(kuò),能夠?qū)崿F(xiàn)擴(kuò)頻傳輸,實(shí)現(xiàn)數(shù)字波束形成。

圖4 頻域仿真圖

圖5 權(quán)值提取過程

圖6 權(quán)值提取過程(局部放大)

圖7 頻域仿真圖

圖8 波束形成結(jié)果

4 結(jié)束語

SSDBF技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)數(shù)字多波束相控陣?yán)走_(dá)性能,大幅降低數(shù)字多波束相控陣?yán)走_(dá)成本、體積、重量、熱量,以及解決在寬帶與頻率可擴(kuò)展性等問題,由于發(fā)射信號(hào)基帶產(chǎn)生,發(fā)射不同波形信號(hào)可靈活配置,通過TSOC編碼對(duì)高頻發(fā)射信號(hào)調(diào)制,可以擴(kuò)展為MIMO雷達(dá)和合成孔徑雷達(dá)。適用在對(duì)體積、重量、散熱、成本有特殊要求平臺(tái)裝備上,對(duì)頻率高、帶寬寬的雷達(dá)更能顯現(xiàn)優(yōu)勢(shì),適合未來一定時(shí)期的戰(zhàn)場軍備武器需要和民用需求。

[1]張光義,趙玉潔.相控陣?yán)走_(dá)技術(shù)[M].3版.北京:電子工業(yè)出版社,2010.

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