基于chirp信号的宽频带相控阵雷达数字补偿技术

刘海波，牛阳，任晓远，王珣

(北京理工大学 信息与电子学院，北京 100081)



基于chirp信号的宽频带相控阵雷达数字补偿技术

刘海波，牛阳，任晓远，王珣

(北京理工大学 信息与电子学院，北京 100081)

针对宽频带大口径相控阵雷达孔径渡越时间问题，提出了一种直接宽带数字中频的宽频带相控阵雷达实现框架，并基于chirp信号提出了使用数字去斜技术补偿孔径渡越时间，使用数字本振相位调整补偿射频通道一致性的信号处理方法. 结合实际硬件系统验证了方法的有效性和工程可实现性，结果表明本文方法可有效补偿孔径渡越时间和射频通道的不一致性.

宽频带相控阵雷达；孔径渡越时间；射频通道不一致性；数字补偿

宽频带相控阵雷达是我国国防现代化建设的重要装备，为实现远的探测距离，需要相控阵雷达具有大的口径；为实现大角度空域覆盖，需要相控阵雷达具有宽角扫描能力；为实现空间目标识别，需要相控阵雷达具有高的距离分辨力，即雷达发射信号要具有大的带宽. 但是，随着天线口径和发射信号带宽的增加，相控阵雷达的孔径效应越来越严重[1]，若不进行孔径渡越时间补偿，将导致合成后的回波信号能量损失，进而造成雷达探测威力下降.

针对孔径渡越时间问题，经典解决办法是在子阵级使用实时延迟线(true time delay，TTD)，但由于延迟线体积大、价格高、量化精度低，在宽温范围内难以做到高精度延时等问题[2]，使雷达系统成本、重量和设计复杂度增加，因此国内外雷达设计者致力于寻找替代模拟延迟线的解决方法.

针对宽频带相控阵中常用的chirp信号形式，Rabidean[3]提出了一种子阵模拟去斜处理方法，在各接收通道用模拟器件产生不同时延的去斜本振信号，对去斜后信号进行通道间相参合成. 但由于各通道去斜本振采用模拟器件产生，其延时精度较低，因此会影响去斜后各通道间信号的相参性. 文树梁等[4]中对于通道孔径渡越时间的补偿也采用模拟去斜处理方式，并对合成后的去斜信号在数字域进行补偿处理，但并未对补偿处理过程中数字滤波器设计及补偿性能进行深入分析.

随着数字器件的飞速发展，GHz量级的ADC和DAC芯片已成熟商用，已能够支持GHz带宽瞬时宽带信号的数字产生和采样，因此用数字方法实现宽带相控阵信号处理已成为可能. 本文提出一种直接宽带数字中频的宽频带相控阵雷达实现框图，并在此基础上采用数字去斜方法补偿了孔径渡越时间，采用数字本振相位调整方法补偿了不同通道的一致性.

1 基于直接宽带数字中频的宽频带相控阵雷达体制

由于硬件水平的限制，传统相控阵雷达的数字TR只能实现多通道窄带信号的数字化处理，而宽带信号的数字化只能在通道合成后进行. 钱丽[5]研究了单通道宽带信号数字化处理方法，通过数字波形预失真处理来补偿射频通道的幅相特性失真，修正了模拟器件对宽带信号幅相特性的影响. 本文在此基础上，提出了一种适用于相控阵体制的多通道宽带数字化雷达实现框架，如图1所示. 本文以chirp信号为例，介绍了该体制下的孔径渡越时间和通道一致性的数字补偿方法.

2 孔径渡越时间补偿

2.1 回波信号模型

假设第0号阵元射频回波信号表达式为[6]:

(1)

(2)

阵元i接收到的回波信号s(t-αi)中的时延αi≡Δ+βi，其中Δ是目标到天线参考阵元的时延，对于一个距离为R的静止点目标，Δ=2R/c，c为光速，所有阵元的Δ是相同的；βi为回波到i号阵元与到参考阵元的延时差，它与波束指向、天线结构(子阵间距)及阵元号i有关. 经过模拟下变频后第i个通道的中频回波信号可以表示为

(3)

2.2 回波信号处理

由于线性调频信号具有时间频率对应的特点，多通道数字去斜的处理框图如图2所示，主要分为数字去斜和数字下变频两个处理步骤.

2.2.1 数字去斜处理

各阵元接收到的中频回波信号sI_i(t)与一个延时为Γ的参考信号sref(t-Γ)进行混频，

(4)

式中：Γ为各通道相同的参考信号延时量，是Δ的估计值(可通过窄带引导获得的一个粗略的目标距离估计)；fL为第二中频的频率值；Tref为参考信号脉宽，混频后各通道的信号可表示为

(5)

混频后的信号经低通滤波器(LPF)后，仅保留与目标距离有关的正弦单频信号，即

(6)

式中

2.2.2 数字下变频处理

根据上文分析，经过去斜处理后，各通道信号可以表示为频率和初相不同的单频信号，在数字下变频处理过程中，不同通道的NCO根据孔径渡越时间设置为不同的频率和初相，则可以保证混频后的信号同频同相，从而实现相参叠加. 假设第i个通道的NCO信号表达式为

(7)

其中τri=Γ+βi，混频滤波后忽略包络项可得

(8)

式(8)表明，不同通道数字下变频后的信号频率都变为2πk(Γ-Δ)，与通道数无关，即频偏得到修复. 不同通道的初相为

(9)

从式(9)中可以看到只有等号右侧第二项随着通道的改变而变化，以8 m天线口径，扫描角±45°，去斜后信号带宽5 MHz为典型参数，可以计算得到，等号右侧第二项引入的不同通道初相变化最大为33°，引入的相参叠加损失约为0.5 dB，因此2πk(Δ-Γ)βi项可忽略，式(9)中相移可近似写为

(10)

观察到式(10)右侧相移已与通道数i无关. 因此，不同通道数字延迟滤波的输出相位差变化为0，可以实现相参处理，从而在接收工作方式下实现了孔径渡越时间的补偿.

3 射频通道一致性补偿

在相控阵雷达系统中由于各通道射频器件和传输线的差异性，各通道接收到的混频输出信号会存在相位误差，如不进行补偿会影响多路信号的相参性能. 在中频数字化处理过程中，通过调整NCO的初始相位，可以灵活补偿不同通道由于射频器件和传输线差异引入的相位误差. 以两个通道为例，接收信号处理过程如图3所示，假设两通道射频信号传播路径延时分别为tc1和tc2，射频本振提供给1通道和2通道的本振信号初始相位分别为φ1和φ2，混频后的中频信号传播路径延时分别为tL1和tL2.

假设从两路天线输入的chirp信号表示为

(忽略包络项).

式中:fI为中频载频；fc为射频载频；B为信号带宽；k为调频斜率.

则通道1和通道2经过数字去斜和数字下变频处理后的信号可分别表示为式(11)和式(12)：

(11)

(12)

若以通道1为基准通道，为了使得两个通道输出的信号相参叠加，通道2 NCO需要调整的频率为

(13)

需要调整的相位为

(14)

式中：Δtc=tc1-tc2为两通道中频信号传播路径延时差；ΔtL=tL1-tL2为两通道中频信号传播路径延时差；Δφ=φ1-φ2为射频本振提供给两通道的本振信号初始相位差.

实际工作过程中，Δtc、ΔtL、Δφ的值可以通过标校的方法获得：系统接收频率为f1的单频信号，进过模拟和数字两级下变频后，可以分析得到两通道信号的相位差为

(15)

系统接收频率为f2的单频信号，进过模拟和数字两级下变频后，可分析得到两通道信号的相位差为

(16)

4 基于实际硬件系统的实验验证

为验证本文提出方法的有效性和工程可实现性，构建某宽带中频数字TR系统样机. 系统由8路发射和8路接收通道组成，产生中心频率1.2GHz，带宽600MHz信号，系统实物如图4所示.

利用该样机并结合C波段模拟TR组件，本文开展了实验验证. 为了保证实验的准确性和可操作性，以图4中的4个通道为例，实验中分别用不同长度线缆模拟相控阵天线波束指向偏离法线时的孔径渡越时间，实验框图如图5所示，补偿前后的去斜结果如图6所示.

从图6中可以看到，补偿前由于孔径渡越时间的影响，两通道信号处理后的频率不同，经过补偿后两通道频率完全相同可以实现相参叠加. 从图6(c)可以看出由于补偿前各通道去斜后的信号频率和相位存在差异，叠加后将导致一维距离像主瓣展宽大约4倍，影响测距精度；而补偿后合成频谱的最大值大约179 dB，而补偿前合成的频谱大约167 dB，即4个接收通道相参叠加后频谱幅度增加了12 dB左右与理论值一致.

5 结 论

宽频带大口径相控阵雷达宽角扫描时孔径渡越时间限制信号瞬时带宽，本文提出了基于大带宽数字中频的宽带相控阵雷达体制，并基于chirp信号采用了数字去斜技术补偿了孔径渡越时间，采用了数字本振相位补偿了不同射频通道的一致性，最后结合实际硬件系统对处理算法进行了实验验证. 实验结果表明本文提出的方法可以有效地补偿孔径渡越时间和射频通道的不一致性，使各通道回波信号相参叠加，保证了雷达威力和距离分辨力.

[1] 张光义，赵玉洁.相控阵雷达技术[M].北京：电子工业出版社，2006.

Zhang Guangyi， Zhao Yujie. Technology of phased array radar[M]. Beijing: Publishing House of Electronics Industry， 2006. (in Chinese)

[2] 张光义.相控阵雷达系统[M].北京：国防工业出版社，2006.

Zhang Guangyi. System of phased array radar[M]. Beijing: Publishing House of National Defense Industry， 2006. (in Chinese)

[3] Rabideau D J. Improved wideband time delay beam-steering[C]∥Proceedings of IEEE Conference Record of the Asilomar Conference on Signals， Systems and Computers. [S.l.]: IEEE， 2001:1385-1390.

[4] 文树梁，袁起，毛二可，等.宽带相控阵雷达Stretch处理孔径渡越时间数字补偿技术[J].电子学报，2005，33(6):961-964.

Wen Shuliang， Yuan Qi， Mao Erke， et al. Digital compensation technique of aperture fill time for wideband phased array radar stretch processing[J]. Acta Electronica Sinica， 2005，33(6):961-964. (in Chinese)

[5] 钱丽.大成像窗口幅相失真的全线性修正[J].现代雷达，2011，33(5):77-81.

Qian Li. Entirely linearization modification for amplitude and phase distortion of large imaging windows system[J]. Morden Radar， 2011，33(5):77-81. (in Chinese)

[6] 汪欣，陈海红.宽带信号全数字去斜与脉压方法研究[J].现代雷达，2011，33(9):34-41.

Wang Xin， Chen Haihong. A study on method of full digital dechirp pulse compression for wide-band signals[J]. Modern Radar， 2011，33(9):34-41. (in Chinese)

(责任编辑：刘芳)

Digital Compensation Technology of Wideband Phased Array Radar Based on Chirp Signal

LIU Hai-bo，NIU Yang，REN Xiao-yuan，WANG Xun

(School of Information and Electronic， Beijing Institute of Technology， Beijing 100081, China)

A wideband PAR (phased array radar) implementation framework was proposed based on wide band digital intermediate frequency to solve aperture full time problem. A method was presented to compensate the aperture full time by digital stretch processing of chirp signal. A compensation approach was also put forward for RF (radio frequency) channels phase consistency with phase adjustment of digital oscillator. Experiment results based on hardware system indicate that the method is effective and engineering realizable, it can effectively compensate the inconsistency of aperture fulltime and RF channels.

wideband PAR; aperture full time; inconsistency of RF channels; digital compensation

2014-06-23

刘海波(1980—)，男，博士，讲师，E-mail：haibolhb@bit.edu.cn.

TN 957.5

A

1001-0645(2016)09-0966-05

10.15918/j.tbit1001-0645.2016.09.016