宽带通道合成噪声位截断设计研究

2019-04-11张宇

火控雷达技术 2019年1期

张宇

(南京电子技术研究所南京 210039)

0 引言

相控阵雷达一般有几十个至几千个接收通道。近年来，国外一些发达国家在宽带数字阵列雷达方面，取得了许多技术上的突破性进展。国外已有一些采用数字波束形成技术的实验系统和数字阵雷达系统，主要包括：用于BMD(弹道导弹防御系统)，可同时对目标进行跟踪与分辨的宽带数字阵雷达。该雷达采用大型阵列，以提高角度分辨率；采用宽带技术以提高距离分辨率；用于SAR (合成孔径雷达)成像的宽带数字阵雷达；采用宽带STAP(空时自适应处理)技术的机载或天基雷达； MIMO(多输入多输出)雷达和认知雷达；共用口径的宽带阵列，可同时应用于雷达系统，通信系统和电子战系统[1-7]。

宽带波束形成，受阵面孔径、带宽、扫描角度和带内起伏等因素影响，不能再采用传统窄带相控阵雷达中的移相技术来实现，而必须采用数字时延补偿来替代[8-10]。DBF(数字波束形成)需要完成海量数据汇集与并行乘法计算。为了获得较高速率的数据通过率，加权处理一般采用FPGA(现场可编程门阵列)定点运算平台。但是定点运算动态范围较小，为了避免溢出，通常采用截位方法，可能降低计算的精度，本文针对宽带定点运算进行研究，为宽带数字阵列雷达工程化提供仿真支持。

1 宽带合成数学模型

不失一般性，考虑信号波形sc(t)是载频为fc的带通LFM(线性调频)信号：

(1)

用基带复信号sZ(t)表示为：

(2)

其I，Q通道信号，分别表示为：

sI(t)=L{cos(2πfct+kπt2)cos(2πfct)}=cos(kπt2)

sQ(t)=L{cos(2πfct+kπt2)sin(2πfct)}=sin(kπt2)

(3)

其中L表示低通滤波。

则复包络sZ(t)为：

(4)

=cos(2πfc(t-τ)+kπ(t-τ)2)

(5)

(1)鼓励企业兼并重组，淘汰落后产能，提高技术和装备水平。发挥行业联盟作用，开展联盟企业座谈会，互通信息、交流经验、研究存在困难和问题及时的协调解决。

(6)

(7)

=exp(-jkπ(t-τk)2)exp(-j2πfcτk)

=sZ(t-τk)exp(-j2πfcτk)

(8)

对于窄带信号，数字阵列可以采用基于相移处理的窄带阵列波束形成方法。但对于宽带信号，窄带波束形成方法将导致宽带波束方向图出现频域不一致性等问题，使得波束方向图的主波束发生偏移和畸变，造成信号处理增益降低，因此必须对宽带信号进行时延补偿。

2 工程实现分析

假定宽带相控阵雷达组件基本构成如图1所示，组件内有8个数字接收通道，组件数字板中完成波束合成后，进行回波数据下传。

图1 组件基本构成示意

针对雷达AD(模数转换)后简化的数字处理流程如下图，在宽带波束合成采用多大位宽输出对系统硬件资源影响较大，需评估截断影响。采用以下处理流程仿真截断噪声位对信噪比的影响，处理流程如图2。

图2 数字处理流程示意

假设AD有效位14，经过DDC(数字下变频)，由于DDC中滤波器增益采取归一化处理，增益为1，所以DDC输出16位，其中有效位为低14位，高2位无效。因此认为经过DDC的滤波器后噪声位宽仍保留4位。

初级DBF如图3所示，主要完成通道均衡、时延滤波和波束加权合成等处理。考虑通带起伏5-6dB，幅频响应模型如图3，均衡滤波器输入和输出均为16位，则通道起伏对噪声位影响为1位。时延滤波器增益也采取归一化处理，幅频响应模型如图4，当输入和输出均为16位时，认为对噪声位没有影响。

图3 组件初级DBF处理

图4 均衡滤波前后幅频响应变化

图5 时延滤波器幅频响应

初级DBF中波束合成完成8合1，设8个通道分别对应N行M列的面阵，行列间距都为d，俯仰角和方向角分别为θ、φ；权值提供的沿面阵行、列的阵内相移值分别为α、β；fd为多普勒频率；wlxly代表通道(lx，ly)，即lx行ly列，所对应的幅度加权；As、Aw分别为接收信号和权值的量化幅度，则阵元接收信号和权值分别为：

(9)

Wlxly=Awwlxlye-j(lx·α+ly·β)

(10)

波束形成输出为：

(11)

式(11)所表示的就是t时刻的波束形成的结果。合成幅度如下：

(12)

由式(12)可见，当波束指向与回波方向相同且2πfdt=kπ/2时，输出的I或Q信号取得最大值。因此，在接收信号和权值的幅度一定的情况下，输出的I/Q信号的最大值取决于各天线通道锥销权的和值。

假定阵列和波束锥销值加权采用泰勒权，针对Aw量化幅度采用归一化处理，那么8通道合一，噪声位增加3位；考虑通道起伏的影响1位，综合看，截断成16位后，噪声位可舍弃2位。