学以致用深入浅出数字信号处理 pdf_数字阵列雷达--相控阵专题讲座之三

数字阵列雷达-相控阵专题讲座之三

从名词上看，数字阵列雷达，肯定是阵列雷达了，那么数字阵列与传统的相控阵雷达又有什么区别呢？传统的相控阵雷达，是依靠移相器、衰减器和微波合成网络来实现波束在空间扫描，其本质是一种在模拟域的基于射频器件和馈电网络构建的运算处理方式。

数字阵列雷达是种收、发均采用数字波束形成技术的全数字化相控阵雷达 ,它采取的是在数字域实现幅相加权(即数字波束形成）

数字阵列了对每个收发通道的信号进行数字化处理，实现了发射波形产生和接收信号处理的全数字化，其物理实现的基础就是基于DDS在数字域形成发射波形，采用AD转换器将接收的模拟信号转化为数字信号进行数据处理，所以对于数字阵列雷达而言，每个通道发射以及接收波形所需要的幅度相位数据等参数都是可以单独控制，波束的形成灵活，准确。

数字阵列雷达的基本工作原理是 :发射模式下信号处理机给出发射波束扫描所需的幅度和相位值送至数字收/发组件(DTR),DTR 在波形产生时预置相位和幅度 , 然后经过上变频和放大后经辐射单元发射出去在空间合成 ;接收模式下每个单元接收的信号经过下变频、DDC(数字下变频器)后 I/Q 信号送至信号处理机进行 DBF 处理和常规信号处理形成目标点迹。数字阵列雷达没有复杂的馈线网络 , 系统组成非常简单, 只有信号处理机和阵列天线(由 DTR 组成)两个部分 , DTR 和信号处理机之间通过光纤连接,所以系统有很高的重构性 。

DDS基本的工作原理：对于一个给定的系统时钟fc，相位累计器在每个时钟的上升沿与频率控制字K累加一次，当累加器我2N次运算后，相位累加器相当于做了一次模余运算。正弦查询表在每个时钟周期内，根据送给ROM的地址，取出存储在ROM表中与该地址对应的正弦幅值，最后将该值送给DAC和LPF实现量化幅值到一个纯净的正弦信号间的转换，同时正弦信号的相位和幅度可以根据需要分别进行控制。

在数字化T中，相控阵天线移相的最变为数字化过程，利用DDS技术完成对发射波形形成所需要的幅度和相位加权，从而实现对发射波束数字形成DBF。利用DDS可以对某一个固定频率进行精确的移相控制，模块之间的幅相校正只需要通过改变模块中的DDS控制因子来实现，不需要额外的校正元件。同时根据DDS的特性可以进行全数字方式控制的发射波束形成和扫描，波束扫描速度更快，控制更加灵活；可以实现超低副瓣的发射波束和发射波束的零点形成。

接收的数字波束形成DBF，就是用一定形状的波束接收有用信号或者需要方向信号，抑制不需要的方向信号的干扰。

对于一个固定天线阵列，由于各个单元的同相激励，其方向图波束指向总是指向阵列法线方向，如果信号从非法线方向入射，不能获得最大输出功率，或者说没有指向期望的信号的方向，如果对天线阵元的输入乘上一个权值，则可以通过改变权矢量的的方式来改变方向图，比如波束指向、主瓣宽度以及副瓣电平等。

(1)大的动态范围。大动态范围是强杂波下小目标检测所必需的 , 数字阵列雷达比常规相控阵雷达有更大的系统动态 , 如 4000 个单元的数字阵列,其系统动态可增加 36 dB 。

(2)容易实现多波束 。空间探测/导弹预警等情况下雷达需采用多波束工作方式 ,这样可以充分利用能量。以模拟方式形成多波束无比复杂, 而 DAR是在数字域实现多波束的, 比较容易实现。另外, 为了同时满足高精度和高搜索 、跟踪的数据率也需要多波束。

(3)低损耗 、低副瓣。波束加权和脉压加权在不同距离上可灵活设定, 这样可实现近距离低副瓣和远距离低损耗(改善约 1 .5 ～ 2 dB), 兼顾了近区反杂波和远区弱目标信号检测 。

常规相控阵雷达使用数字移相器的位数受到限制, 高位数移相器的移相精度很难得到保证 ,需采用虚位技术且副瓣电平受到影响, 另外移相器和衰减器的精度和量化误差影响了副瓣电平 ,而DAR 有高的幅相控制精度(相位控制精度超过 0 .5°),所以可以获得更高的天线性能

(4)低角测高精度高 。可同时多波束, 不同距离波束数和波束指向可灵活控制, 波束交叠电平低, 在低角范围内可保证有两个高信噪比的波束对目标进行测。量

(5)可制造性强 、全周期寿命费用低 。DAR 无射频波束形成网络和馈线网络 ,采用的是模块化设计 ,其基本单元是数字阵列模块(DAM), DAR 可以由数百个甚至数千个 DAM 拼装而成 ,这样可以大大增加系统的可制造性和缩短研制周期, 同时降低全周期寿命费用。

(6)系统任务可靠性高。当 DAR 有限个接收通道失效时,系统通过更改波束形成系数可减弱失效通道的影响。另外, 由于采用了模块化的 DAM 设计 ,系统的可维修性非常好 。

国内在数字相控阵雷达的研制方面走在世界的前列，以电科集团38所为代表的收发全DBF技术雷达已经进入了实用阶段。