一种雷达和侦察数字接收技术的设计与实现

方 旭，洪 伟

(中国船舶重工集团公司第723研究所，扬州 225001)



一种雷达和侦察数字接收技术的设计与实现

方 旭，洪 伟

(中国船舶重工集团公司第723研究所，扬州 225001)

中频数字接收部分是整个雷达和侦察设备的关键组成部分。基于雷达和侦察的数字接收技术包括窄带雷达处理和宽带侦察处理两部分。其中窄带处理包括幅相校正、窄带数字波束形成(DBF)和数字下变频部分,宽带处理包括数字信道化和宽带DBF部分。工程实现中，宽窄带处理在同一片板卡中实现，这样有利于设计和节约成本。最后，实验结果表明了该设计技术的正确性。

数字接收;数字信道化；数字波束形成；幅相校正

0 引 言

雷达是利用目标对电磁波的反射现象来发现目标并测定其位置的。侦察是利用雷达侦察设备探测、截获和测量敌方各种雷达电磁辐射信号的特征参数和技术参数，给作战指挥、威胁告警、雷达干扰和反辐射攻击等提供正确的信息。目前，现代战争中雷达和侦察的需求越来越强烈。同一套接收机设备，当工作于主动探测时，发挥雷达目标探测功能；当工作于被动侦察时，发挥侦察机侦收电磁辐射源源信息功能。

利用接收天线阵列电子扫描的特点，可以形成全方位覆盖波束的优势,可以实现高的数据率。雷达和侦察的中频数字接收部分，经设计既能实现雷达功能的窄带数字接收，完成后续的雷达目标探测功能的实现[1]；又能实现侦察功能的宽带数字接收，完成后续的测频测向功能。因此，雷达和侦察的中频数字接收部分的设计，是实现雷达与侦察技术的关键。

本文首先研究了雷达和侦察的中频数字接收部分的框架组成，再讨论雷达窄带接收模块的设计实现，然后讨论侦察宽带接收的设计实现，最后给出结论。

1 雷达和侦察中频数字接收框架

雷达和侦察的中频数字接收部分大都采用多通道模/数(A/D)转换采样，然后对采样后的数字信号进行数字波束形成(DBF)来形成空间覆盖的接收波束。

本文的技术设计中，若工作于雷达功能时，空间接收波束指和差波束，对和差波束信号完成后续的雷达信号处理。若工作于侦察功能时，空间接收波束指宽带相邻二波束，对宽带相邻二波束信号完成后续的测频测向处理。在此，中频数字接收采用十通道A/D采样，A/D采样通道编号为0,1,2,…,9。考虑到方位接收波束覆盖问题，该10路A/D通道分为3组来使用。即编号为0,1,…,7的A/D通道为1组(记为Group 1)，编号为1,2,…,8的A/D通道为1组(记为Group 2)，编号为2,3,…,9的A/D通道为1组(记为Group 3)。以方位接收波束覆盖0°～ 45°为例，则Group 1对应0°～ 15°的方位接收波束，Group 2对应15°～ 30°的方位接收波束，Group 3对应30°～ 45°的方位接收波束。这样A/D通道分组处理，复用了硬件资源，提高了使用效率。10路A/D通道和方位接收波束的对应关系如图1所示。

图1 十路A/D通道和方位接收波束的对应关系

当划分好A/D采样通道与方位波束的对应关系后，从实现雷达和侦察功能的角度来考虑，中频数字接收的框架如图2所示。

模拟中频信号经A/D变换后，分2个支路处理。

当完成雷达功能时，经过数字下变频、幅相校正后，多路零中频信号作窄带DBF处理，形成和差波束，送给后续雷达信号处理模块，完成和差单脉冲测角、动目标指示(MTD)等处理。

当完成侦察功能时，经过数字信道化后，各信道数据作宽带DBF，之后形成相邻二波束，送给后续的测频测向脉冲描述字(PDW)形成模块，实现辐射源侦察功能。该中频数字接收框架的功能实现是在1块中频数字接收板中完成的，硬件资源利用率高。

另外，由于方位波束扫描时，波束间隔可以设计得较小(例如0.3°),因此无论是雷达处理的和差波束单脉冲测角，还是侦察处理的相邻波束比幅测角，该系统的测角精度都比较高。

2 雷达窄带接收的设计实现

2.1 数字下变频

信号处理前端对中频回波和相参时钟进行高速采样后，在数字域对ADC后的信号进行下变频，将其变换为基带的复信号形式。对中频信号和相参时钟的数字采样采用欠采样，公式如下：

(1)

式中：f0为中频频率；fs为采样频率；B为信号带宽，且fs≥2B；M为一正整数。

为保证频谱不混叠，f0、B和fs之间应严格满足式(1)的关系。

在满足式(1)条件下，对中频信号进行采样，可以得到：

x(n)=A(nT)cos[2πf0nT+φ(nT)+φt+Δφc]

(2)

式中：φt和Δφc分别为发射机随机相位和非相参采样引入的随机相位差。数控振荡器的频率设在f0，鉴相后中频信号输出为：

I1(n)=x(n)cos(2πf0nT)=

cos(4πf0nT+φ(nT)+φt+Δφc]

(3)

图2 雷达和侦察中频数字接收框图

Q1(n)=x(n)sin(2πf0nT)=

sin[4πf0nT+φ(nT)+φt+Δφc]}

(4)

I1(n)、Q1(n)分别经过有限冲激响应(FIR)低通滤波器后可得：

(5)

(6)

2.2 幅相校正

接收阵列各A/D接收通道之间存在幅度和相位特性不一致性，这对天线的波束合成增益、副瓣电平会造成很大影响，严重时可能会使波束方向图畸变，必须对其加以校正。

对于雷达窄带接收来说，由于频率响应函数是频率慢变的，可以近似认为幅相误差不随频率变化而变化，因此，只需要在中心频率上进行校正即可。在此采用频域校正方法[2-4]。假设第i个通道的频率响应为Fi(jω)，期望校正滤波器的频率响应为Hi(jω)，校正后的通道频率响应为Bi(jω)，则:

(7)

式中:M为需要校正的通道总数。

当所有的Bi(jω)都相等且等于参考通道的频率响应时，通道校正完成。设参考通道的频率响应为Fref(jω)，则第i个通道的校正器的频率响应为:

(8)

本文选择第0个通道为参考通道，所有通道校准到与第0个通道一致。首先，对0～9个通道的数字下变频(DDC)后复数据作傅里叶变换，以0通道的频域数据为基准，按式(8)分别得到1～9通道的幅相校正系数。

2.3 窄带数字波束形成

用数字技术实现波束形成，称数字波束形成(DBF)。对于十通道幅相校正后的数据，设输入的信号矢量x为:

(9)

第i个通道幅相校正后的数据为:

xi=Ii+jQi,i=1,2,…,10

(10)

接收和波束的加权矢量WΣ，接收差波束的加权矢量WΔ分别为:

(11)

(12)

加权后的复信号经过相加求和之后，得到和差波束的输出:

(13)

(14)

2.4 硬件实现

现场可编程门阵列(FPGA)的高速发展使得其在处理规模和速度方面都具有极大的优势，从而在雷达信号处理中占据了重要地位。本文研究基于FPGA的数字接收技术，雷达窄带接收的硬件实现如图3所示。

图3 雷达窄带接收的实现框图

3 侦察宽带接收的设计实现

3.1 数字信道化

信道化数字接收机能够处理瞬时接收带宽比较宽、动态范围较大、灵敏度高的目标信号，并且也能够同时处理多个到达信号，是电子侦察中重要的研究方向。信道划分的基本思想是把信号按频率均匀地分成p个子频段(即信道)，每个信道的中心频率为Wp。下面介绍基于多相滤波结构数字信道化接收机的基本原理。设第p个带通滤波器hp(n)，hp(n)与原型滤波器h(n)之间满足：

(15)

其对应的z变换为：

(16)

(17)

经等价变换，可得信道化的多相滤波形式如图4所示。

图4 信道化的多相滤波形式框图

3.2 宽带DBF

由于宽带信号波束形成器的形成波束宽度随信号频率变化，会造成处理后波束主瓣的宽度产生很大变化，使得信号失真，以至于无法达到实际的应用要求[5]。因此，电子侦察接收机中首先进行数字信道化处理，在划分后的信道(子频带)内，用各信道的信道权向量来进行类似窄带DBF的处理。本文的宽带DBF是在划分的16个信道中进行各信道加权来实现的，每个信道进行DBF后形成2个相邻波束，进而送到侦察信号处理的测频测向模块完成后续的测频测向。

3.3 硬件实现

本文的侦察宽带接收是在与雷达窄带接收处理同一块FPGA芯片中实现的，侦察宽带接收的硬件实现如图5所示。

图5中，32点逆快速傅里叶变换(IFFT)得到的信道数有冗余，因此只考虑前一半的0～15个信道。

图5 侦察宽带接收的实现框图

4 实验结果分析

雷达和侦察的中频数字接收的工程设计的主要工作参数为：中频500MHz，采样频率400MHz，雷达发射调频信号带宽40MHz；侦察接收信道化划分信道数为16个，侦察瞬时带宽为200MHz，宽带DBF形成2个相邻波束。

雷达窄带接收时，FPGA处理后的和波束的IQ数据结果如图6所示。

图6 和波束回波的IQ结果

侦察宽带接收时，当信号源输入500MHz中频信号(该输入信号是重复频率为40μs、脉宽为15μs的脉冲调制信号)，侦察宽带接收的各信道的某波束(以左波束为例)的求模后处理结果如图7、图8所示。从图7、图8中可知，信号落在第0个信道。

图7 信道0～3的中间波束求模后结果

当信号源输入515MHz中频信号时(该输入信号是重复频率为40μs、脉宽为15μs的脉冲调制信号)，侦察宽带接收的各信道的某波束(以左波束为例)的求模后处理结果如图9、图10所示。从图9、图10中可知，信号落在第1个信道。

图8 信道4～7的中间波束求模后结果

图9 信道0～3的中间波束求模后结果

图10 信道4～7的中间波束求模后结果

5 结束语

雷达和侦察的中频数字接收技术是整个雷达和侦察设备的关键部分。本文介绍的雷达和侦察的中频数字接收技术的算法设计合理，工程实现中宽窄带处理在同一片板卡中实现，硬件资源优化使用，有利于工程设计和节约成本。

[1 ] 路彬彬.圆环阵新体制雷达的研究与应用[D].南京:南京理工大学,2012.

[2] 李国梁.阵列幅相误差校正算法及其工程实现[D].西安:西安电子科技大学,2012.

[3] 陈刚.通道均衡在宽带数字阵列雷达中的技术研究[D].成都:电子科技大学,2008.

[4] 吴洹,张玉洪,吴顺君.用于阵列信号处理的自适应均衡器的研究[J].现代雷达,1994,16(1)：49-56.

[5] 李雅梅.稳健的宽带波束形成器研究[D].西安:西安电子科技大学,2004.

The Design and Implementation of Digital Receiving Technology for Radar and Reconnaissance

FANG Xu,HONG Wei

(The 723 Institute of CSIC,Yangzhou 225001,China)

The intermediate frequency digital receiving part is the key component of radar and reconnaissance equipments.In this paper,the digital receiving technology based on radar and reconnaissance includes two parts：narrowband radar processing and broadband reconnaissance processing.Narrowband processing includes amplitude phase correction,narrowband DBF and digital down frequency conversion.Broadband processing includes digital channelization and broadband DBF.In engineering realization,broadband/narrowband processing is realized in the same printed card，which is helpful for design and cost savings.Finally,the experimental results show that the correctness of the proposed design techniques.

digital receiving;digital channelization;digital beam forming;amplitude and phase correction

2016-05-17

TN971

A

CN32-1413(2016)04-0082-06

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2016.04.019