一种高性价比的相控阵雷达新技术∗

(中国电子科技集团公司第二十研究所,陕西西安710068)

0 引言

由于现代战争作战方式多变和战争形态复杂的特点,需要拓新雷达技术性能和提高雷达生存能力,尽可能地降低军备经费投入。为了满足雷达多功能、多任务的工作方式,数字波束形成技术是目前相控阵雷达发展最具潜质的技术[1]。通过对国外前沿技术的跟踪,相控阵雷达向着数字化、软件化加速发展,扩频数字波束形成(SSDBF)技术能够最大限度地降低数字多波束雷达硬件成本,实现天线薄片化设计,克服常规数字多波束(CDBF)雷达的体积、重量、散热、频率(X到Ka或更高)、带宽(100 MHz以上)和子阵尺寸(每个子阵有100个以上单元)可扩展问题[2],是一种“高性价比”的新体制相控阵雷达系统,具有相控阵雷达发展前瞻性。

本文将根据国外近几年研制的SSDBF技术,对实现CDBF相控阵雷达能力进行研究,为后续的工程研制验证提供理论支撑。

1 CDBF雷达工程实现存在的不足

(1)常规的相控阵雷达中收发波束形成所需的幅度相位加权是在射频端通过衰减器和移相器来实现的[3],其幅度和相位控制的精确性较低、功率损耗较大;

(2)随着阵列单元数增加,阵列的通道数也随之增加,带来通道一致性问题,使整个阵列频繁校准;

(3)由于MMIC T/R组件和通道数的增加,导致实现CDBF技术的成本高、尺寸大、重量重、功率高、热量大、采集总数据量大问题;

(4)对于高频应用(如X、Ku、Ka波段),CDBF频率扩展性主要受限于每个阵列单元“后面”的电子设备的体积,特别受限于可用于散热的区域,导致频率扩展性问题;

(5)对于大带宽应用,CDBF主要受限为ADC的高速采样速率[2],带来数据总线的高速率、大容量和复杂度;

(6)对于大型阵列的可扩展性而言,CDBF的相关设计和实现问题是在“真实”温度(MMIC和放大器等引起的内部温度波动)范围内所有收发器的同步(在载波级和ADC采样频率与定时级)问题。

2 SSDBF雷达技术的优势

具有提高通信系统可靠传输信息能力的扩频技术,应用在实现常规数字多波束相控阵雷达系统中,能够克服CDBF上述问题。SSDBF雷达发射信号基于天线单元基带产生和多路复用、高频解复用,克服了天线移相器和多波束雷达多通道问题,解决了通道一致性和数据采集量大的问题;天线发射/接收单元的二相调制开关,使天线可实现薄片化设计和频率、带宽可扩展,降低系统复杂度。采用SSDBF技术可以大幅降低全数字阵列多波束雷达的硬件成本、天线热耗、体积并提高其频率和带宽。

鉴于扩频数字波束形成技术的上述优点,可将其应用于对重量、体积、散热、成本要求较高的相控阵雷达装备上。对高频发射信号进行基于各个天线单元(或子阵单元)真正移位正交码(TSOC)调制,可以扩展为MIMO雷达和对LPD/LPI要求的雷达中。对带宽、频率的扩展应用,可以作为合成孔径雷达,进行视场成像。另外,由于该体制天线上的高频二相调制器,可以芯片设计,在不降低天线口径和副瓣电平的情况下,进行MIMO虚拟阵列设计。该体制可以应用在多基地雷达,构建天地空布防系统等。尤其在地质环境差、工作条件复杂的情况下可以进行机动灵活的站位工作。

该技术能大幅降低数字多波束相控阵雷达的硬件成本并提升其性能,具有灵活动态发射信号、子阵规划配置特点,具有重大军事、经济意义和广阔的应用前景。

3 SSDBF技术重构CDBF相控阵雷达系统

3.1 扩频解扩

扩频通信技术是指待传输信息信号的频谱用某个特定的扩频函数扩展频谱后成为宽频带信号,然后送入信道中传输;在接收端再利用相应的技术或手段将展宽的频谱进行压缩,恢复为原来待传输信息的带宽,从而达到传输信息目的通信系统[4]。传输同样信息信号所需要的传输带宽,远远超过常规通信中各种调制方式所要求的带宽。信息已经不再是决定传输信号带宽的重要因素,传输信号的带宽主要由扩频函数决定[4]。扩频通信系统主要有两个特点:一是传输信号的带宽远远大于被传输原始信息信号的带宽;二是传输信号的带宽主要由扩频函数决定。扩频函数通常是伪随机(伪噪声)编码信号[5]。

3.2 多路复用解复用

多路复用解复用是通过对伪随机序列码的选取,选择TSOC,TSOC具有良好的自相关特性、互相关函数有处处为0的互相关值,有足够的复杂度,并易于产生和处理的特性,因此SSDBF将TSOC用作雷达波形编码及阵列回波信号再调制和多路复用的传输工具。由于TSOC具有时域、频域移位正交性[2],因此在基带利用TSOC,以扩频处理增益(TSOC码长)检测旋转相关器输出信号,同时可完整再现雷达信号探测目标的延时、衰减、多路径等变换。TSOC还具有码长任意性,和一个码长具有任意个不同的TSOC族,可以应用在一些对LPD/LPI要求的雷达中。

由于上述TSOC的特性,雷达发射信号基带产生并多路复用,天线高频二相调制解复用;接收天线高频回波二相调制多路复用,信号处理数字域旋转相关解复用,应用多路复用解复用有效实现数字阵多波束相控阵雷达系统仅采用一个发射通道、一个接收通道、天线高频二相调制开关的总体结构设计。

3.3 SSDBF 技术机理仿真

SSDBF技术系统的发射信号是由软件产生基于各个辐射天线单元n发射基带信号sn(t),通过TSOC编码cn(t)扩频技术处理合成后,实现发射信号复用。复用的发射信号通过各个单元相关解复用提取各自的发射信号。接收信号是发射的逆过程,接收复用信号再由旋转相关解复用检测,应用算法软件实现数字多波束。

以下是通过产生16(n=16)组m序列扩频码,对具有16个赋权发射信号s1(t)～s16(t),进行调制、合成,然后再通过16组扩频码c1(t)～c16(t)相关解扩检测,通过算法实现波束形成。仿真频率参数为100 M Hz,天线单元间距为0.5λ,扫描角度θ为0°。

仿真图中只截取了4个单元仿真图形进行说明。扩频码为m序列码,扩频码特征多项式为

式中,n=9,反馈系数Ci1=1 021,Ci2=1 055。

相位权为

幅度权为

仿真图形如图1～3所示。

图1 4路发射信号的实部(时域图形)

图2 4路扩频后信号(时域图形)

图3 16路发射聚合信号(时域图形)

图4是通过对1路进行发射通道处理过程的频域仿真,其中包括原始信号频谱、扩频码的频谱、扩频后信号频谱、上变频信号后的频谱。

图5是从聚合信号中提取1路权值的仿真过程。

从图5中取其中的0.1μs放大,得到图6。

图7为图5对应的频谱图形。

波束形成:指向角θ=0°,16个天线单元的波束形成结果如图8所示。

通过对TSOC编码的选取,经过仿真验证,无论是发射通道还是接收通道的扩频传输原理,都是经过扩频TSOC编码调制,然后用同样的TSOC编码解扩,能够实现扩频传输,实现数字波束形成。

图4 频域仿真图

图5 权值提取过程

图6 权值提取过程(局部放大)

图7 频域仿真图

图8 波束形成结果

4 结束语

SSDBF技术可以实现数字多波束相控阵雷达性能,大幅降低数字多波束相控阵雷达成本、体积、重量、热量,以及解决在宽带与频率可扩展性等问题,由于发射信号基带产生,发射不同波形信号可灵活配置,通过TSOC编码对高频发射信号调制,可以扩展为MIMO雷达和合成孔径雷达。适用在对体积、重量、散热、成本有特殊要求平台装备上,对频率高、带宽宽的雷达更能显现优势,适合未来一定时期的战场军备武器需要和民用需求。

[1]张光义,赵玉洁.相控阵雷达技术[M].3版.北京:电子工业出版社,2010.

[2]BERGAMO M A.Spread Spectrum Digital Beamforming(SSDBF)Radar[C]∥2010 IEEE International Symposium on Phased Array Systems and Technology,[S.l.]:IEEE,2010:665-672.

[3]斯科尼克.雷达系统导论[M].3版.左群声,徐国良,马林,等译.北京:电子工业出版社,2010.

[4]田日才.扩频通信[M].北京:清华大学出版社,2007.

[5]暴宇,李新民.扩频通信技术及应用[M].西安:西安电子科技大学出版社,2011.