宽频带相控阵雷达子阵数字调制新技术

龙 腾，毛二可，张洪纲，曾 涛，刘海波，刘泉华

(北京理工大学雷达技术研究所， 北京100081)

0 引言

宽频带相控阵雷达是我国现代化国防建设、航空航天事业发展的急迫需求。在大扫描角空间目标探测背景下，为了探测目标可能的空域，要求相控阵雷达具有宽角扫描能力;为了识别高速飞行的空间目标，要求相控阵雷达具有高的距离分辨力和角分辨力，即雷达发射信号要具有大带宽，相控阵天线要具有大口径。

在大扫描角情况下，宽频带相控阵雷达天线扫描波束随着频率变化会发生指向的偏移，称为相控阵天线的孔径效应［1］。随着天线口径的增加，不同天线单元之间雷达波的传输时间差将不可忽略，发射和接收信号将无法相参叠加，这就是孔径渡越时间问题［1］。若不进行有效补偿，将导致雷达回波信号幅度损失，造成雷达威力下降，严重影响雷达系统性能。

针对上述问题，通常使用实时延迟线和移相器共同实现波束控制。考虑到在每个天线单元进行补偿设备量过多，工程上多在子阵级采用实时延迟线、在子阵内采用移相器［1-2］。如美国AN/FPS-108相控阵雷达在96个子天线阵上采用实时延迟线，保证了在L波段200 MHz上的瞬时信号带宽［1］。传统的模拟延迟线体积大、价格昂贵、量化精度低，在宽温范围内难以做到高精度延时。即便在子阵级别上采用实时延迟线，其数量仍然十分庞大，这就增加了系统的成本、重量和复杂度。近年来，光实时延迟线逐渐受到重视，相比于传统的模拟延迟线，它可以减小雷达系统体积、重量，改善传输特性，提高雷达的可靠性、机动性［3］。但就目前而言，该项技术远未达到实际应用阶段，因为在具体工程实现时，需要解决光延迟线微波信号杂散大、相噪差等问题;此外，光电子器件需适应宽温范围，造价昂贵也是影响其应用的原因。

美国麻省理工学院林肯实验室提出了一种基于瞬时宽带线性调频(Chirp)信号，通过两次延时完成波束发散补偿的子阵去斜(DeChirp或 Stretch)方法［4-7］。文献［8］给出了基于该方法的二次延时的改进方法，文献［9］提出了一种基于线性调频信号的固态相控阵雷达多通道孔径渡越时间数字补偿技术。这两种方法均不使用模拟延迟线，在子阵级仍采用工程中常见的模拟去斜体制，对去斜后的信号进行采样，大大降低了采样率和运算量。但由于调频非线性、宽带系统幅相失真等具有移变特性，即幅相失真因子随着距离的变化而改变，难以完全补偿，会大大影响成像结果，因此，模拟去斜体制的相控阵雷达成像窗口只有百米量级［10］。如用于空间目标群的检测、跟踪、成像，其成像窗口无法覆盖空间目标群的分布范围。

在工作模式上，目前的宽频带相控阵雷达多采用窄频带-宽频带交替工作方式，即首先发射窄带信号进行检测跟踪，稳定跟踪目标后再发射宽带信号进行成像处理，并在此基础上进行目标识别［11］。在窄频带-宽频带交替工作方式时，窄带跟踪目标存在距离误差，造成宽带回波起始时刻抖动，因此，无法在宽频带通道进行多普勒测速和微多普勒频率测量等相参处理［12］。这种非相参效应在信噪比高时可通过包络对齐和自聚焦消除，但信噪比低时脉冲间相参处理难以实现［13］。这将严重影响二维ISAR成像和三维成像的作用距离，无法为目标识别提供足够准确的特征信息。

文献［14］提出了一种去斜体制下通过数字相位旋转、使各子阵接收信号能够在距离波门内任意距离相参叠加的方法，该方法可实现脉冲间信号相参。但受模拟去斜体制的限制，成像窗口较小。文献［15］提出了一种模拟去斜体制下通过回波相位补偿实现相参化的方法，补偿相位利用基准信号和参考信号数字去斜来提取，其中，基准信号通过软件产生，参考信号去载频后直接采样得到。

以上问题都是当前宽频带相控阵雷达用于空间目标群检测、跟踪、成像时的特殊问题，严重影响雷达成像距离和目标识别准确度。这需要通过雷达体制创新，研究新体制的大成像窗口宽频带相参相控阵雷达加以解决。

1 解决思路

宽带相控阵雷达子阵数字调制技术是利用Chirp信号时频耦合特性，在子阵级通过数字频率调制，来进行不同通道的精细信号延迟，从而达到各子阵的信号相参合成，解决宽频带雷达宽角扫描波束发散问题。对于非Chirp的其他宽带信号形式，可以通过非整数延时滤波器来实现高精度时延。其硬件基础是发射过程各子阵采用高速直接数字频率合成(Direct Digital Synthesizer，DDS)器件产生宽带中频信号，接收过程各子阵采用高速模数转换器(ADC)器件对高中频回波进行采样。通过数字调制技术，能够对子阵间的时延进行精确补偿;通过数字去斜技术，能够降低数据量，满足实时处理要求;通过多通道精细同步技术，能够保证子阵信号的一致性。此外，在该新体制下，经过和差三通道精确校正后，可以替换原有的宽窄交替模式，使用宽带进行检测、跟踪，不仅可以解决宽带回波起始时刻抖动问题，还可以提高雷达时间资源利用率。基于子阵频率调制的宽带相控阵雷达体制架构如图1所示。

图1 子阵频率调制宽带相控阵雷达体制架构

子阵数字调制相控阵雷达体制可实现如下能力:

(1)抗波束发散:由于Chirp信号具有时频耦合特性，通过对数字去斜本振信号的中心频率的调整，能够实现去斜后信号的频率调整，再通过相位补偿，能够实现子阵信号相参叠加，从而解决孔径渡越时间引起的波束发散问题。相比传统的模拟延迟线，该方案信号延迟调整精度更高、性能更加稳定。

(2)脉间相参:子阵级直接采样处理能够在相参处理周期内固定采样触发时刻，数字去斜的数字化本振能够相参产生，从而避免了本振触发的随机性带来的脉间不相参问题，能够实现多脉冲相参处理。

(3)大成像窗口:由于该体制在信号接收过程对子阵输出信号直接进行采样，因而能够通过数字处理方法对系统幅相特性的非理想特性进行补偿，其成像窗口不受带内幅相失真的限制，可实现大的成像窗口。

(4)多波束:采用宽带多波束形成方法可以充分利用波束能量提高雷达的搜索数据率和跟踪数据率。当信号环境中存在多个目标时，利用多波束技术可实现对多个目标的探测和跟踪。

(5)抗干扰:采用宽带波束零点形成方法，可针对宽带信号形成天线方向图零点，从而抑制旁瓣干扰。

(6)距离速度聚焦:通过目标精确速度测量、回波调频斜率补偿、回波幅相补偿等处理，能够保证补偿后的回波与参考函数匹配，避免距离维和多普勒维回波的主瓣展宽，实现目标距离和速度的聚焦。

(7)检测前聚焦处理［16］:采用空时二维瑞登傅里叶变换(Space-Time Radon-Fourier Transform，ST-RFT)新方法，能够实现在“孔径渡越”和“跨距离单元”条件下的空时二维联合相参积累，即空时二维检测前聚焦处理。

2 宽频带相控阵雷达子阵数字调制关键技术

2.1 基于数字去斜的宽带直采信号处理技术

针对接收过程，采用基于数字去斜的宽带直采回波处理技术，实现框图如图2所示，各子阵采用高速ADC器件对高中频回波进行采样，在数字域进行数字去斜与延时处理，以减小运算量，满足实时处理要求。

图2 基于数字去斜的直采回波处理实现框图

假设相控阵雷达发射Chirp信号，第i个通道接收到的回波信号经过混频滤波、二次时延后输出信号为

式中:k为调频斜率;t为时间;Δ+βi为通道i接收到的回波信号相对发射时刻的时间延迟量(对应图2中的αi)，其中，Δ为目标相对于参考通道的时间延迟量，与通道i无关;βi为通道i与参考通道的时延，仅与波束指向、天线结构、通道i有关;Γ为估计出的目标与参考通道真实距离的时延，与通道i无关;T为脉冲宽度;φ(Γ+βi，Δ+βi)为输入信号经过一次时延后与 βi相关的相位项。二次时延后输出信号的相位可表示为

式中:f0为中心频率。由式(2)可知，两次时延后的信号相位与通道i无关，各通道间的信号能够实现相参合成。相比于模拟延时线，该技术采用全数字处理，成本低、精度高，可有效保证通道间幅相一致性，从而提升雷达成像质量与参数测量精度。

2.2 基于数字调制的子阵时延精确补偿技术

宽频带相控阵雷达子阵数字调制技术在子阵级采用高速DDS器件产生宽带高中频信号，通过数字频率调制技术，可实现不同子阵间时延的精确补偿;对于回波信号采用高速ADC器件进行采样，经过数字去斜处理后，通过数字频率调制技术，可实现子阵间回波信号时延精确补偿。

2.2.1 基于数字调制的子阵发射信号时延精确补偿

为了保证各个天线的发射信号在空间目标处同时同相叠加，需要对不同天线通道的信号进行时延，以补偿由于天线波束指向偏离法线带来的波程差。

由于各子阵射频本振源同相，因此，只要在不同子阵的DDS单元通过数字频率调制技术产生经过数字调制的中频发射信号，即可实现子阵间时延的精确补偿。

2.2.2 基于数字调制的子阵接收信号时延精确补偿

子阵接收信号经过去斜处理之后，要实现不同子阵信号相参处理，还必须进行两次时延处理:第一次时延通过调整单频本振和宽带本振参数设置来实现频率变化，可消除通道间频率偏移;第二次时延通过FIR数字滤波器实现，可消除通道间相位偏移，实现相参处理。

通过两级时延消除测距模糊，能够实现相控阵雷达子阵信号相参合成，可补偿大口径宽带相控阵雷达宽角扫描时孔径渡越时间引起的波束发散，并且该体制具有精度高、成本低、结构简单等优点。

2.3 高精度系统同步技术

相比模拟处理方式，子阵数字化处理对多子阵间信号产生和数据采集的同步性提出了较高的要求，在高速多通道采集/播放系统设计中，主要通过严格控制时钟同步、触发同步两个环节来实现系统的精确同步。

若两个通道采集时钟存在延时，则导致两个通道对于同一输入信号的采集结果存在延时误差。这种误差会使得两路信号出现相位差，导致处理结果不能完全相参，进而使得信噪比下降。系统设计中采用时钟偏斜和抖动指标性能好的、支持Zero-Delay的锁相环对多通道采集/播放器件提供时钟。此外，选择的采集器件支持ps级别的采样时延调整，进一步提高同步性能，简化系统设计复杂度。

空间目标群探测相控阵雷达工作在波门采样模式，需要用脉冲触发启动数据采集，如果触发信号到达各个模数采集器时刻不一致，则多个通道触发不同步。在采样时钟非常高的情况下，相对触发信号上升沿较缓慢，对于多通道触发同步带来挑战。对触发同步的设计中采用重采样技术，能够对触发脉冲沿进行整形，使得触发沿变得更加陡峭且满足与高频时统同步，进而实现采集时刻的同步相参性。

通过时钟同步和触发同步的精细设计，可保证不同子阵产生信号和采集数据的相参性，从而保证数字去斜处理后各子阵信号相参合成。

2.4 宽频带雷达和差三通道精确校正技术

单脉冲雷达通过在方位和俯仰方向形成和、差波束来获得目标的角度信息，和支路、方位支路、俯仰支路三通道的幅相一致性是保证测角精度的关键因素。现有雷达基本上利用窄带信号测角和跟踪，对中心频点的三通道幅相一致性进行校正。

对于宽频带雷达，由于宽带三通道信号幅相一致性随着频率变化，会产生天线方向图零值深度变浅、测角精度下降等难点问题。采用宽带幅度相位全数字精细补偿方法，提取雷达发射、接收链路的幅相误差信号，在发射支路对发射信号进行幅度相位预失真，在接收支路对回波信号进行幅度相位补偿，实现宽频带和差三通道精确校正，其中，幅度补偿、相位补偿方法在收发通道的原理一致。

此外，去斜大成像窗口信号处理的主要瓶颈是对大去斜窗口回波信号的高精度预失真补偿。系统幅相失真，会导致一维距离像主副瓣比恶化、主瓣展宽甚至严重变形等，因此，必须进行幅度和相位补偿以减轻这些失真对系统的影响。

经过宽带和差三通道幅度相位全数字精细补偿，不仅可以减小线性调频信号非线性失真，实现宽带测角、跟踪，还可以实现去斜体制下大成像窗口。

3 基于宽频带相控阵雷达子阵数字调制技术的信号后处理关键技术

基于宽频带相控阵雷达子阵数字调制技术的信号后处理关键技术包括宽带数字多波束形成技术、宽带波束零点形成技术和距离速度高分辨处理技术等。

采用宽带多波束技术可以充分利用波束能量提高雷达的搜索数据率和跟踪数据率。当信号环境中存在多个目标时，利用多波束技术可实现对多个目标的探测和跟踪。利用宽带数字阵列的自适应波束形成算法可以实现宽带波束的零点形成，能够有效地抑制旁瓣干扰。

雷达发射宽频带信号时，单个脉冲内目标的径向高速运动会引起回波相位的变化，使得回波信号的脉压滤波器失配，造成宽带直采信号脉压后的目标距离像展宽和畸变，导致目标成像质量下降。通过宽带信号测速算法精确估计目标速度，利用该信息构造二次相位补偿因子，对目标回波进行补偿，保证补偿后的回波与参考函数匹配，可避免由于高速目标多普勒效应造成的距离像展宽和畸变，实现距离速度高分辨，保证成像质量。

此外，采用ST-RFT新方法，能够实现在“孔径渡越”和“跨距离单元”条件下空时二维检测前聚焦处理。通过在距离-速度-方位角联合处理，实现目标能量在多维空间中的能量“聚焦”，提高在复杂探测和目标环境中雷达威力和探测性能。

4 实验验证结果

为验证宽频带相控阵雷达子阵数字调制新技术，本团队研制了高速数字收发单元并构建了验证平台，如图3所示。该数字收发验证平台包括两个数字收发单元，每个单元包含四个工作频率为1.6 GS/s高速ADC通道和四个工作频率为1.6 GS/s高速数模转换器(DAC)通道。该验证平台产生的1.2 GHz中频信号通道间相位一致性实测指标小于2°，对应时间同步精度为4.6 ps;采集1.2 GHz中频信号的通道间相位一致性实测指标小于4°，对应时间同步精度为9.2 ps。

图3 数字收发单元及数字收发验证平台实物照片

4.1 基于数字调制的子阵发射信号时延精确补偿实验验证

利用数字收发单元构建的实验场景如图4所示，使用等长线缆将四个发射通道校准。通道校准后，采用四根不等长的射频线缆(1.6 m、2.0 m、2.4 m、2.8 m)将不同发射通道连接至示波器不同通道。发射Chirp信号，带宽为600 MHz，分别用示波器采集记录发射信号时延补偿前后的波形，将通道1与通道2结果绘制于图5。可以看出，经过时延补偿后，不同通道信号可以同相相参叠加。

图4 发射信号时延精确补偿实验连接图

4.2 基于数字去斜的宽带直采信号处理实验验证

利用数字收发单元建立单目标实验场景，如图6所示。将发射通道1输出的信号进行滤波放大后，进行一分四功率分配，使用等长线缆校准各接收通道。通道校准后，采用四根不等长的射频线缆(1.6 m、2.0 m、2.4 m、2.8 m)将功分输出信号连接至不同接收通道。发射Chirp信号，带宽为600 MHz，采用四个通道分别接收信号并进行宽带直采数字去斜处理，对比接收信号时延精确补偿前后的一维距离像，如图7所示。从图中可以看出，经过对接收信号进行时延精确补偿，基于数字去斜的宽带直采信号处理可使不同通道信号相参叠加。

图5 基于数字调制的子阵发射信号时延精确补偿实验结果

图6 宽带直采数字去斜处理实验连接图

图7 基于数字去斜的宽带直采信号处理实验结果

4.3 宽频带幅相补偿精确校正技术实验验证

图8 幅相补偿前后回波频谱的幅度谱与相位谱误差

基于接收信号对宽频带幅相补偿精确校正技术进行实验验证，Chirp信号中心频率为1 200 MHz，带宽为600 MHz，脉宽为10 μs。幅相补偿前后回波频谱的幅度谱和回波相位如图8所示，可以看出，经过幅相补偿，回波信号的幅相失真得到明显改善，幅度谱误差降低至2 dB左右，相位误差降低至±4°以内。带宽600 MHz的接收信号经过数字去斜处理之后的结果如图9所示，可以看出，经过幅相补偿之后，可大大改善一维距离像旁瓣不对称现象。

图9 幅相补偿前后数字去斜结果对比

5 结束语

针对探测远距离空间目标群的大口径宽频带相控阵雷达系统设计，本文提出了宽频带相控阵雷达子阵数字调制新技术，并突破了基于数字去斜的直采信号处理、基于数字调制的子阵时延精确补偿及高精度系统同步等关键技术，可以替代模拟延时线，以解决宽频带相控阵雷达宽角扫描波束发散难题，并支持宽频带相控阵雷达大成像窗口、脉间相参。该技术可以结合后端宽带数字多波束、宽带波束零点形成、距离速度高分辨处理、检测前聚焦等信号处理关键技术，以提高宽频带相控阵雷达对远距离空间目标群的探测能力和复杂电磁环境下的抗干扰能力。此外，经过和差三通道精确校正，可以采用宽频带进行检测、跟踪，提高雷达时间资源利用率。本文给出了基于数字调制的子阵发射信号时延精确补偿、基于数字去斜的宽带直采信号处理及宽频带幅相补偿精确校正等关键技术的实验验证结果，效果良好。后续可考虑将宽频带相控阵雷达子阵数字调制新技术应用于实际雷达系统，进行关键技术实验验证。

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