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介紹
根據波束形成機理,接收波束和發射波束都可以通過數位技術來形成。接收和發射波束均以數字方式形成的全數位化陣列天線雷達就稱作數字陣列雷達。數字陣列雷達的基本結構下圖所示,一般由天線陣列、數字發射/接收(T/R)組件、時鐘、數據傳輸系統、數字處理機組成。T/R組件模組是數字陣列雷達的核心,它把發射機、接收機、激勵器和本振信號發生器集為一體,成為一個完整的發射機和接收機分系統。
發射時,由實時信號處理機產生每個天線單元的幅相控制字,對各T/R組件的信號產生器進行控制,產生一定頻率、相位、幅度的射頻信號;再輸出至對應的天線單元,最後由各陣元的輻射信號在空間合成所需的發射方向圖。
接收時,每個T/R組件接收天線各單元的微波信號,經過下變頻形成中頻信號,再經中頻採樣處理後輸出回波信號;多路數位化T/R組件輸出的大量回波數據,通過高速數據傳輸系統傳送至實時信號處理機,實時信號處理機完成自適應波束形成和軟體化信號處理。
與採用模擬器件來實現波束形成的傳統相控陣雷達相比,數字陣列雷達具有很多優點:易於實現超低收發副瓣;波束掃描速度快(低於微秒量級),信號處理方式靈活,可以同時發射、接收多波束,自適應零點形成易於抗干擾,模組之間的幅相校正較為簡單;可以利用直接頻率合成技術,產生各種具有複雜編碼波形的發射信號,被截獲的機率低,不用移相器,雷達的整機功耗低、可靠性高。
關鍵技術
數字T/R組件
直接頻率合成(DDS)的幅度和相位近似連續可調,可用於數字陣列雷達的波形產生和幅相調整。基於直接頻率合成的數字T/R組件是數字陣列雷達的關鍵部分之一,包括了頻率源、直接頻率合成、功放、混頻、濾波、模數變換等部件,有集中式頻率源、分散式頻率源等多種實現方式。研究重點主要有體系結構、基於直接頻率合成的發射信號產生與幅相控制技術、數模一體化設計理論、組件的一致性和穩定性等。
數字波束形成校正技術
數字陣列發射通道和各接收通道間存在幅相誤差,會對波束副瓣電平產生影響,應對其進行校正。
發射通道校正有遠場校正和內部校正兩種方式。遠場校正是讓每個通道依次通過天線所發射的信號,再把遠場接收的發射信號與參考信號比較,得到各發射通道的幅相誤差。將此誤差代入直接頻率合成部件即可修正各發射支路的幅相誤差。內部校正是將發射信號從天線耦合端耦合出來,經矩陣開關依次切換各路信號,再把矩陣開關的輸出與參考信號相比較得到發射通道的幅相誤差。此誤差再加上天線、矩陣開關等固定誤差,更得到等效的遠場校正誤差。
接收通道校正同樣有遠場校正和內部校正兩種方式。遠場校正是將校正信號從遠場發射,經天線、接收機至採集卡,然後在計算機內對接收通道的幅相誤差進行分析。內部校正是將校正信號從功分網路饋入天線的耦合器,經天線耦合端、接收機至採集卡,由計算機分析各通道的幅相誤差,依此進行天線、功分網路等固有誤差的修正,然後才能得到等效的系統誤差。接收通道的幅相誤差最終將在數字波束形成器中加以修正。
寬頻數字波束形成技術
大容量高速數據傳輸技術
大容量高速數據傳輸是實現數字陣列單元(DAU)與數字處理系統之間的數據交換是必不可少的。有多種辦法來實現大容量高速數據傳輸,例如採用光纖和低壓差分傳輸(LVDS),傳輸速率都能達到幾百兆。LVDS是一種小振幅差分信號技術,使用非常低的幅度信號(約350毫伏),通過一對差分印刷電路板走線或平衡電纜來傳輸數據。它允許單個信道的傳輸數據率達到每秒數百兆比特。與LVDS相比,光纖傳輸具有傳輸距離遠、傳輸數據率高、延遲低、重量輕、保密性能好等優點,傳輸數據率可達千兆以上。
高性能軟體化信號處理機
數字陣列雷達的任務控制、時序產生、校正處理、波束控制、目標跟蹤和顯示處理等工作,需要一個功能強大的處理平台——採用匯流排結構的高性能信號處理機。
早期概念研究階段
早期的數字波束形成雷達研究
早在上個世紀60年代,人們就開始研究利用數字處理技術來形成波束。根據波束形成機理,數字波束形成在發射和接收模式下均可實現,但一般認為在接收模式下更能發揮其優點,也較容易實現。所以,初期研究主要集中在接收數字波束形成上,套用領域為聲納和雷達。
前西德的ELRA相控陣雷達是最早的接收數字波束形成雷達。此後,美、英、法、日、荷蘭、瑞典等國相繼開展了接收數字波束形成雷達的研究,中國華東電子工程研究所也於80年代末建成了我國第一個數字波束形成雷達試驗台。七八十年代開展的這類研究基本上都是一些試驗和驗證系統。八九十年代,一批工程實用化數字波束形成雷達開始裝備使用,主要有:荷蘭的MW08、SMART-L、SMART-S艦載多波束三坐標雷達;美國的AN/TPS-71可移動式超視距雷達(ROTHR);日本的OPS-24艦載有源相控陣雷達;瑞典愛立信公司的“長頸鹿”系列敏捷多波束雷達。90年代以後,各種性能先進的試驗型數字波束形成雷達的研究更加廣泛深入,有代表性的是英國多功能電掃描自適應雷達(MESAR)、它的艦載衍生型——
有源多功能相控陣雷達(S AM P S O N及其簡化版SPECTAR),以及與國際合作的寬頻自適應數字波束形成(ADBF)雷達等。以上這些研究,為真正意義上的收發全數字波束形成的數字陣列雷達的研究打下了基礎。
數字陣列雷達概念的研究
相控陣天線賴以實現電子掃描的移相過程,最後可能成為一個數字過程,包括收/發兩種狀態的波束控制和形成。隨著現代戰爭對雷達性能要求的不斷提高以及數字處理技術的日益成熟,人們自然將眼光投向數字陣列雷達的研究。
在休斯飛機公司1989年申請的發明專利中,提出了採用數字波束形成技術實現多個獨立發射波束的方法,系統採用數字波形產生器來產生髮射所需波形的數位化時間採樣。我國華東電子工程研究所於1993年提出了“直接數字波束控制系統”的概念,利用直接頻率合成的相位可控性來實現對相控陣發射波束的控制。美國海軍研究局80年代開展數字陣列雷達的先期概念研究,於2000財年正式立項開展全數字波束形成的數字陣列雷達的研究。
關鍵技術研究階段
隨著數字處理技術的發展,數字陣列雷達的研究進入到關鍵技術研究階段。研究工作集中於發射波束形成技術和數字收發組件,主要有:
(1)英國羅克馬諾爾研究中心的全數字T/R組件研究。
該中心最早提出了數字T/R組件的概念,並對基於直接頻率合成的相控陣全數字T/R組件進行了深入的研究。為驗證數字組件用於雷達設計的可行性,該公司開發了一個收/發全數字波束形成驗證系統。試驗陣採用13個數字組件,用400兆赫的P1esseySP2002晶片作為波形發生器。
(2)中國華東電子工程研究所的發射數字波束形成研究。在概念研究的基礎上,該所對基於直接頻率合成的數字T/R組件進行了深入研究;1998年研製出4單元數字波束形成發射陣,可以形成發射和波束、差波束及低副瓣的方向圖。
(3)美國AIL系統公司的數字波束形成發射天線研究。在空軍項目資助下,該公司對基於直接頻率合成的相控陣天線進行了研究。該天線的接收波束和發射波束均以數字方式實現。數字直接頻率合成器由存有時間和相位延遲信息的一個通用數字處理器進行編程,形成所需的天線方向圖。接收時,經模擬/數字轉化後的信號在預處理器進行時間和相位延遲處理。
(4)美國套用雷達公司的數字陣列研究。美國套用雷達公司正在開展多項數字陣列雷達天線的研究。其中,為飛彈防禦局研究的是寬頻數字波束形成雷達,其發射亦採用數字波束形成技術,為美空軍研究實驗室研製的是用於雷達和通信的x波段數字發射組件。
(5)法國NetLander計畫的探地雷達研究。該雷達是擬於2007年發射的“NetLander”火星探測系統計畫中的一個研究項目,用於探測地表地下水的存在以及火星臨界頻率(據信晝夜之間臨界頻率在3～0.5兆赫)。該雷達的接收和發射都採用數字波束形成技術,核心部件是一個採用“甚高速積體電路硬體描述語言”(VHDL)編程的現場可程式門陣列,可完成數字波形產生、雷達工作控制、選通信號相干積累等任務。採用全數位技術使得雷達極為緊湊,可集成在2塊15×13厘米的印刷電路板上,包括天線在內重量不超過500克。
(6)中國南京電子技術研究所的數字T/R研究。該所研究數字T/R組件在雷達中的套用,構建了一個基於直接頻率合成的4單元L波段相控陣發射陣試驗台,對相關技術進行實驗研究。
除上述研究外,各國還積極開展了用於通信等領域的數字T/R組件、發射數字波束形成等研究。
實驗系統研究階段
中國華東電子工程研究所
在成功研製了數字T/R組件和4單元數字波束形成發射陣之後,該所又於2000年研製成功8單元一維收/發全數字波束形成試驗系統,並形成了低副瓣發射波束及發射波束零點,完成了接收數字波束形成。該系統是最早用於實際觀察目標的數字陣列雷達實驗系統,它可觀察10千米內的汽車、飛機等目標。目前,性能更高、技術逐漸成熟的數字陣列單元正在研製之中,系統正向實用化邁進。
美國海軍的數字陣列雷達
為滿足艦載雷達在強雜波下探測小目標、對付多個干擾源的要求,美海軍研究局於2000財年啟動了數字陣列雷達開發計畫,正式開展了全數字波束形成雷達的研究,目的是促進美國海基L、S和X波段數字波束形成雷達採用民用技術。參加研究的3個主要單位為美國海軍實驗室、美國海軍水面戰中心達爾格侖分部(NSWCDD)實驗室和麻省理工學院林肯實驗室。其中,陣列天線和微波T/R組件由林肯實驗室承擔,數字T/R和光纖鏈由海軍研究實驗室開發,現場可程式門陣列分析和數字波束形成設計則由NSWCDD實驗室完成。這是一個較為完整的實驗樣機系統,其核心技術是基於直接頻率合成的發射數字波束形成技術,以及基於模擬/數字轉換的接收數字波束形成技術。此外,還進行了民用數字陣列雷達的研究。
套用
數字陣列雷達在對付外部電子干擾、實現同時多功能、對抗高速隱身目標、完成多目標精密跟蹤以及分辨近距離真假目標等領域,有著極誘人的軍事套用前景。主要有:
(1)地面防空反導監視雷達。在對飛機和飛彈等多目標進行搜尋和跟蹤的同時,有效地進行武器控制;
(2)先進多功能機載預警雷達。寬頻數字陣列可用於未來先進機載預警雷達,從而提供良好的抗干擾性能,解決現有預警機在強幹擾情況下的探測性能。同時,寬頻系統可以提供更多的目標信息,實現對空探測和對地探測相結合、目標探測和目標識別相結合、多目標探測和多目標跟蹤相結合。大的頻寬也利於未來機載預警機的電子戰、通信和雷達的一體化設計;
(3)戰場監視雷達。可實現單部雷達的多功能;
(4)超視距雷達。單部雷達能同時對視距外飛機、艦船和彈道飛彈,以及海洋氣象進行觀測。
發展
目前,數字陣列雷達還處於實驗研究階段。隨著高性能數字硬體和數字處理技術的不斷發展,真正意義上的數字陣列雷達將會很快進入實用研究階段。未來雷達利用通用硬體平台,可以通過不同的軟體編程實現單部雷達的多功能化,可以通過網路軟體實現多部雷達的組網以及對節點雷達體制、工作方式、工作頻段、信號參數和處理方法實施可程式控制。通用、靈活、高性能、低成本的軟體化雷達將是數字陣列雷達未來的發展方向。
