宽带单元数字阵雷达延时方法

朱张勤，郑万青

(南京电子技术研究所,　南京 210039)



宽带单元数字阵雷达延时方法

朱张勤，郑万青

(南京电子技术研究所,南京 210039)

针对宽带数字阵雷达相位扫描时的孔径渡越问题，分别研究了针对宽带线性调频信号的上行链路移频移相和下行链路整数和分数阶延时相结合的单元级数字延时方法，克服了宽带数字阵雷达由于方位大角度扫描导致的波束色散、增益下降问题，替代模拟延时线补偿方法，降低了雷达系统的结构复杂度和系统重量。文中通过分析并计算了上行链路需要的移频量和移相量、以及数字有限冲击响应滤波器延时的响应特性，并通过仿真验证了上、下行链路补偿的效果。

宽带数字阵雷达；孔径渡越；延时补偿

0　引　言

相控阵雷达技术的发展经历了从无源到有源，从一维到二维的发展。随着宽带微波器件、高速数字处理器和数字控制频率源等新技术的出现和发展，高分辨雷达的研制与应用越来越广[1]，以满足多种军事和民事的应用。

高分辨雷达必须发射宽带信号波形以获得雷达目标的成像。采用宽带信号是机载、空间载宽带相控阵雷达实现雷达遥感、检测地面或海面静止与运动目标的重要手段，也是地基或海基宽带相控阵雷达对空中或空间飞行目标进行逆合成孔径成像的前提条件，同时是解决多目标分辨、目标分类和识别、目标属性判别等难题的重要途径[2-4]。

大孔径雷达带宽较大时，进行大角度扫描，阵面两端发射或接收的信号由于目标的距离差会引起孔径渡越效应，影响波束合成[1,5-7]。为实现宽带宽角扫描，需采用真实时间延迟线 (TTD)取代常规相控阵雷达中的各天线单元的移相器[8]，但这给工程实现带

来困难，折中的方法是在相控阵雷达天线阵列中采用子阵划分的方法，在子阵级别上引入TTD，进行子阵级的延时补偿，为此系统将变得非常复杂。常见的实时延迟线有传统的波导和同轴延迟线、声表面波延迟线、电荷耦合器件和近年来研究较多的光纤延迟线。

本文根据宽带数字波束形成的原理，上行链路采用移频移相、下行链路采用整数延时和分数阶延时相结合的方法进行延时补偿替代延时线，在数字域上实现了宽带数字波束形成，降低了系统的复杂度并减轻系统重量。

1　算法描述

1.1宽带阵列扫描孔径渡越分析

宽带雷达信号可以表示为

(1)

第k号阵元接收到的回波信号形式为

(2)

下变频后基带信号xkb(t)为

(3)

可见数字波束合成需要对第二项进行数字移相补偿，对其第三项进行时延补偿，就可以使各个阵元接收到的信号同相叠加，进而在预期方向上形成波束。

1.2线性调频信号(LFM)上行移频移相技术

对于发射信号是LFM形式的宽带数字阵雷达，上行链路的孔径渡越补偿可以采用移频移相的方法实现，移频移相基本原理：

宽带LFM信号的形式为

s(t)=A(t)*exp(j2πf0t+jπkt2)

(4)

第i路上行链路由于孔径渡越导致的时间差设为ΔTi，上行链路信号为

s(t-ΔTi)=A(t-ΔTi)exp[j2πf0(t-ΔTi)+

jπk(t-ΔTi)2]=

(5)

其中，k为LFM信号斜率

(6)

式中：第一项为正常线性调频信号；第二项是由于时间差导致的相位偏移量即为移频移相中的移相补偿的相位差；第三项为移频项；第四项为延时的平方项为常数的小项，实际工程应用中可忽略。每路信号需要移的频率为

Δfi=-kΔTi

(7)

(8)

1.3下行链路的孔径渡越补偿技术

延时有限冲击响应(FIR)滤波器可以用以下公式表示，如果公式中D不是整数，则这种滤波器在物理上是不可实现的。通常可以采用的办法是对其进行加窗，将其变成因果可实现系统，即

(9)

式中：a(0

表1　FIR滤波器的幅频响应特性和群延时特性

根据模数转换(AD)采样时钟和信号带宽要求，可以确定最小FIR滤波器阶数。

宽带数字阵雷达进行宽角度扫描时，需要对各阵元信号的复包络信号进行精确时延补偿，同时进行传统的移相处理使各阵元数字信号能够在时间上对齐，从而实现各阵元信号同相相加，使阵列在期望方向上达到最佳的能量增益。

基于分数阶时延滤波的宽带DBF处理流程如图1所示。

图1　基于分数阶时延滤波的宽带DBF处理流程

2　实验与分析

本论文仿真S频段200MHz瞬时带宽下的宽带延时补偿性能，采样时钟为480MHz，AD数据通过下采样将I和Q通道降为240MHz数据率，阵面数目为96列×16行，单元间距为0.04m。根据FIR的幅频响应特性，选择32阶FIR滤波器进行分数阶延时，宽带数字阵扫描角设置为方位30°，俯仰0°。

2.1宽角扫描色散仿真

从仿真结果看，进行孔径渡越补偿前，200MHz瞬时带宽内各点频的波束指向存在色散，其中3.2GHz和3.4GHz频点相对于3.3GHz的中心频点波束指向偏差约1.2°，合成方向图后双程增益损失约1.8dB。

图2　孔径渡越补偿前各点频方向图

2.2上行链路延时补偿仿真

对于线性调频信号，上行链路的孔径渡越补偿可以通过移频移相的方法实现，仿真处理前后曲线如图3和图4所示。

图3　未进行孔径渡越处理的两路线性调频信号

图4　进行孔径渡越处理后的两种线性调频信号

从上面两图可以看出，未进行移频移相处理的两路LFM波形、起始和终止频率完全相同，唯一的差别是由于孔径渡越引起的发射信号存在一定的时延差，时延差会导致各单元的发射信号无法同频点形成波束。

移频移相处理后的两路信号起始和终止频率不同，但同一时刻各单元的信号频点相同。因此，虽然在孔径渡越时间内由于时间延时发射能量存在一定的损失，但发射波束可以有效形成，按照本论文的参数相扫60°时，其损失的能量比例不超过0.05%，对威力基本无影响。2.3下行链路延时补偿仿真

下行链路采用整数延时和分数阶延时相结合的方法，将每个单元需要延时的延时除以AD采样时钟，整数部分通过AD数据移动采样节拍来实现，而分数部分通过32阶FIR滤波器延时实现。

图5　宽带数字阵下行链路延时后200 MHz带宽内各点频方向图

从实验结果来看，通过整数阶和分数阶延时后，各点频在方位扫描角30°主波束已无色散，增益不损失。

3　结束语

宽带数子阵雷达进行宽角度扫描时存在孔径渡越现象，本文针对LFM宽带信号的渡越时间补偿问题，上行链路采用了移频移相的方法，下行链路采用整数延时与分数阶延时相结合的方法，有效补偿了单元间的延时差，消除了波束形成的色散和增益损失，为宽带数字阵的工程研制提供了依据。

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朱张勤男，1982年生，博士，高级工程师。研究方向为雷达电讯总体技术。

郑万青男，1981年生，硕士，高级工程师。研究方向为雷达电讯总体技术与技术管理。

Time-delayTechnologyforBroadbandDigitalArrayRadar

ZHUZhangqin，ZHENGWanqing

(NanjingResearchInstituteofElectronicsTechnology,Nanjing210039,China)

Tosolvetheaperturefilltimecausedbywideanglescanningofbroadbanddigitalarrayradar,themethodofdigitaltime-delaycompensationwasproposedforthetransmitandreceivingchaintothebroadbandline-frequencymodulation(LFM)signal.Themethodcanincreasethebeamformationqualityandreducethearraygainlosing.Byusingthedigitaltime-delaycompensation,thedelaylinecanbesubstitutedbydigitalchip,whichcansimplifythebroadbanddigitarraysystem.Inthispaper,thecompensationvalueoffrequencyandphaseisfiguredandtheresponsecharacteristicsofFRIfilterisanalyzed.Then,compensationaffectionoftransmitandreceivingchainissimulated.

broadbanddigitalarray;aperturefilltime;time-delaycompensation

朱张勤Email：zzqin@mail.ustc.edu.cn

2016-01-18

2016-03-20

TN957

A

1004-7859(2016)06-0027-03

·信号处理·DOI：10.16592/j.cnki.1004-7859.2016.06.007