一种天线配置软件定义雷达架构研究

娄宝芳

（中国电子科技集团公司第二十研究所，西安 710068）

0 引言

目前装备的雷达基本是面向任务进行开发研制，品种较多，雷达功能单一，使得某一种特定雷达只能完成某一特定任务，不可避免地造成雷达品种多、成本高、结构复杂。若需要对某一种雷达系统技术参数调整，势必要更改系统硬件实现，不能满足系统快速升级和快速适应战事要求变化，这样已经无法满足现代战争多变的需要。数字化、软件化的开放式雷达系统是未来新型雷达系统架构的研究方向。软件化雷达区别于数字雷达的主要特征是雷达的功能主要是软件定义的，而不是简单的由软件控制的数字化雷达。更为经济的是通过简单加入小的硬件模块，获得更高性能的开放式系统，而不再需要提升整个雷达系统。

雷达的发展方向主要取决于作战需求和相关技术的发展。未来的新型雷达系统是数字化的、开放式的、软件化的架构，面临的主要挑战是能够在恶劣极端电子对抗中生存。为了适应目标隐身技术和反辐射武器的发展，低截获特性是雷达必须具备能力。另外，雷达多功能集成，同一部雷达在同一个时刻可以执行两种以上功能的任务，如在对导弹进行制导的同时还可以进行通信和电子对抗，以及可以同时发射多频段、多极化的各种雷达波形等能力。通过配置各种雷达的波形信号，则需要雷达的架构具有可重构性，甚至无需更换硬件，只需更换系统软件即可重新定义雷达能力。实现系统、功能独立升级，硬件系统快速集成。无论是未来的智能化雷达，还是网络节点雷达，软件化雷达是未来雷达发展的必然趋势[2]，软件化雷达的技术发展为后续智能化雷达的发展奠定坚实的技术基础。

1 基于天线配置软件定义雷达

软件定义雷达的关键功能是软件定义的。也就意味可以通过控制软件、或通过加载新的功能软件可以很灵活改变雷达在工作期间的工作模式。本技术是通过基带软件控制，产生移位正交二相编码，产生对基于相控阵天线每个单元发射信号幅相权值算法，控制配置天线单元发射信号，软件扩频调制后通过一路发射通道，在天线每个射频端同时分别提取；回波信号进入每个接收阵列单元，软件控制移位正交二相编码扩频调制，经一路接收通道，在数字域软件解扩提取每个单元回波信号，软件算法实现接收回波算法数字波束形成。基带软件控制产生发射信号、编码调制信号、数字波束形成等，按照雷达功能的要求，完成对阵列天线规模、形式、极化的配置。采用高度复杂的、良好移位正交二相编码，实现对整个阵列天线系统的动态配置。采用通信扩频/解扩原理[4]实现数字波束形成的收/发系统的单通道，克服了通道一致性、通道频繁校准问题，同时实现雷达功能软件定义与天线动态配置。由于这种新型的软件定义相控阵雷达功能可被下载，天线可以通过正交二相编码码组，基于天线单元规模，控制对应天线单元的码组数量。每个码组由数个正交编码组成，所以雷达阵列天线工作模式是多功能的、可选择的、可扩展的、可裁剪的[1]，实现编码对阵列天线规模重构。通过系统功能配置天线单元放大能力，配置有源的、无源的天线单元硬件模块，和发射信号形式。除了常规雷达功能之外，可以软件定义为MIMO、合成孔径、认知、雷达通信一体化等。

2 雷达系统架构

本架构研究就是多路复用数字波束形成相控阵雷达技术[3]，采用的是软件定义开放式架构。面向用户功能层，面向管理软件控制层、面向加载软件雷达设备层。根据雷达功能发射信号通过算法基于天线阵列单元（或子阵）由软件算法产生，通过具有与天线单元相对应数量的移位正交二相编码，对相应天线单元（或子阵）的发射信号调制复用一路，软件控制加载到一路D/A，任意产生一个中频编码复用发射信号。发射单通道传输。在每个阵列天线单元同时刻通过二相调制器和滤波器，解扩实现发射信号多路解复用，提取各自天线单元发射信号。若在每个天线单元后端再增加配置正交编码调制器，配置的编码调制器通过不同移位正交编码可以实现发射多波束，以及可以产生抗干扰、低截获信号；若配置的编码调制器采用的编码是相同的，则是常规的编码发射信号或与频合器配合产生码组捷变、码元捷变频抗干扰低截获信号。发射信号与天线单元编码软件动态配置，灵活可控。意味着雷达系统通过软件控制可以实现天线工作模式与发射信号的灵活改变。雷达接收工作时，各个天线接收辐射回波信号，每个天线单元同时刻经过正交二相编码调制后多路复用为1路。接收回波信号采用1路A/D数据采集，1路数字下变频，数字域解扩频，解复用提取各自天线单元信号，采用软件算法任意数字波束形成，以及信号处理、检测。

图1 天线配置软件定义雷达架构图

图2(a) 聚合时域图

图2(b) 聚合频域图

图2(c) 聚合时域图

图3 D/A产生聚合信号

本技术架构的机理仿真分析见图2，机理可行。图3为本系统软件控制 D/A产生 4路聚合信号120MHz，示波器测试图。

2.1 硬件平台

软件化雷达与数字雷达的主要区别在于雷达的功能主要由软件定义，而不是简单的由软件控制的数字化雷达。硬件平台必须具有通用性和可扩展性。多路复用数字波束相控阵雷达硬件平台是由天线系统、波块（高频二相编码调制器）系统、一路发射/接收系统通道、数据/信号处理系统、中心计算机组成。

图4 软件定义雷达硬件平台架构

多路复用数字波束相控阵雷达阵列单元后端不再采用T/R组件[3]，而是采用波块（即高频二相编码调制器）。发射波块作为多路解复用，进行信号提取；接收波块作为多路复用。发射系统通道由1路上变频、一路功放；接收系统通道由1路高频接收、1路下变频组成。数据/信号处理系统由1路A/D、1路D/A、1路DDC、2路传输接口和存贮器等组成。天线通过一定数量的编码可以直接对本技术天线平台进行码组控制，实现系统扩展，灵活动态配置。

2.2 软件平台

通常雷达功能和软件结构紧密，根据不同雷达功能，软件的体系结构也相应不同。多路复用数字波束相控阵雷达通过标准、规范、协议的制定，使得系统不同层次的开发具有较强的独立性，形成不同软件模块，实现了软件模块可移植，系统功能可开放。仿真数据与系统中间数据、系统检测结果数据可比对。

图5 软件定义雷达软件平台架构

3 关键技术

3.1 多路复用技术

软件定义雷达的功能可定义，通过控制层的软件实现功能层的雷达功能，面向设备层加载软件到雷达传感器的天线，实现从信号级动态配置天线的能力。这就意味着采用高度复杂的、良好相关的移位正交二相编码[5]，实现对整个系统信号与雷达天线的灵活配置。

多路复用数字波束形成技术的实现依赖于通道多路复用及解复用。完全移位正交二相编码（TSOC）的选择，是攻克多路复用数字波束形成技术体制相控阵雷达多路复用与解复用的关键技术。

完全移位正交二相编码（TSOC）是伪随机序列码[6]，该编码既要满足具有尖锐的自相关性，较小的互相关性，码元平衡度，又要具有足够的正交码组数和序列的复杂度。

3.2 天线重构

通常雷达天线是具有功能独立的结构方式。采用多路复用数字波束形成技术相控阵雷达天线，通过对完全正交二相编码TSOC的设计，即基于雷达功能要求，通过软件对编码组数与天线单元或子阵数的划分控制，对发射信号形式的控制，以及对天线发射波块的再调制编码设计，可以满足天线与信号的动态配置，实现相控阵天线的任意扩展、裁剪、选择，和MIMO能力，实现软件定义雷达的天线重构。

3.3 波块技术

为了和常规相控阵雷达天线中的T/R组件区分，本技术相控阵雷达天线中不再使用T/R组件，而是采用高速二相编码调制器对高频微波信号直接调制，实现多通道复用/解复用，将实现微波调制器功能模块自定义为波块。波块不具有常规相控阵移相功能。本技术将常规相控阵雷达天线幅度、移相能力放到数据域通过软件幅相算法加权实现。多路复用数字波束形成技术相控阵雷达实现发射/接收的多通道信号多路复用，关键技术之一是通过阵列单元所对应的多个高速二相调制器，通过扩频/解扩频原理，将发射多路复用信号在高频直接解扩频，即解复用提取各自单元发射信号的发射波块；接收是将多路回波高频信号通过高速二相调制器，直接扩频即多路复用，接收波块是很小的硬件设计。图6为本项目研制的4路接收波块。发射波块主要由二相调制器、滤波器组成。接收波块主要由LNA、二相调制器组成。目前接收波块研制完成见图6，性能指标满足系统要求，并且在系统平台上得以验证。基于芯片级的无源接收波块正在研制。发射波块研制前期论证仿真结果可行，正在进行基于芯片级的开发。

图6 4路接收波块

4 性能优势

多路复用数字波束形成技术相控阵雷达具有的性能优势：

（1）实现发射信号与天线动态配置；

（2）大幅降低天线系统成本、体积、重量、热功耗问题；

（3）高频、大带宽应用具有性能优势；

（4）具有低截获、抗干扰能力；

（5）提高各通道幅相“相对”精度，克服大带宽应用受限于 ADC的高速采样速率、多通道等带来数据总线的高速率、复杂度、同步同相、通道频繁校准、以及波束形成性能受通道一致性影响较大等问题；

（6）克服相控阵天线高频通道互耦和高频互扰问题，提高天线测试精度和效率，降低设计开发、工艺加工、调试测试难度，大大提高系统可靠性。

图7 天线方位方向分析图

5 验证结果

目前已经完成了基于多路复用数字波束形成技术相控阵雷达接收系统的机理验证试验平台的研制，通过了天线方向图测试，天线增益分析、雷达威力测试、反射体测试、地物探测等试验，达到系统设计技术指标要求。验证了软件对发射信号灵活设计，动态配置天线。同时对发射系统进行机理仿真论证，并正在进行发射波块研制开发。通过试验和仿真论证，表明基于软件定义的多路复用数字波束相控阵雷达应用可行。图7是接收系统相关验证结果。

6 结束语

天线配置软件定义雷达系统架构开发的多路复用数字波束形成相控阵雷达，机理验证可行，软件功能定义雷达可行。系统仿真与实际测试数据拟合。可以通过软件模块加载，灵活配置硬件模块，系统功能可扩展、可裁剪。除了开发成为常规相控阵雷达外，可以开发MIMO、合成孔径、认知、雷达通信一体化等工作模式。是一种高效能、高可靠性的雷达系统架构。