宽带相控阵雷达发射波束零点形成方法.pdf

收稿日期!#$%$!&基金项目!国家部委科技自然基金资助项目!#&()*%作者简介!曹运合!+(,$#男#讲师#博士-宽带相控阵雷达发射波束零点形成方法曹 运 合!李!强!王 胜 华!张 守 宏!.西安电子科技大学 雷达信号处理重点实验室 陕西 西安!(#!.航天长征火箭技术有限公司(&所 北京!(%$摘要!在发射为线性调频信号的基础上!提出了一种宽带子阵数字发射波束形成新方法-该方法用数字权和时变相位权代替传统宽带子阵延时线方法波束形成中的移相器和时延线!这就避免使用存在量化误差且昂贵的模拟时延单元-此外!子阵内数字权可通过窄带波束零点形成的方法来构造并加宽凹口!最终实现了宽带发射波束零点形成-最后!计算机仿真证明了宽带数字方法能保持发射波形距离高分辨率并且可在干扰方向形成零点-关键词!宽带相控阵 数字波束形成 线性调频中图分类号!/0+#,!文献标识码!1!文章编号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具有大瞬时带宽和大扫描角的相控阵雷达!如瞬时带宽为几百MZ Y#扫描范围为&#在未来防空武器和测控系统以及多功能成像雷达中具有重要作用#但是这种雷达的工程实现比普通相控阵雷达复杂得多-当发射信号瞬时带宽及阵列孔径较大#且波束扫描角也较大时#阵列两端的信号波程差远大于信号带宽决定的距离分辨力的现象即&孔径渡越 问题-在这种情况下#若只采用常规的窄带移相技术#会破坏信号包络形状和频谱结构#也就破坏了信号的距离高分辨特性#分析表明#常规只控制相位的相控阵雷达是不能有效发射宽带信号的()-宽带相控阵雷达的主要技术难点在于波束形成方法-在宽带宽及大扫描角的情况下#宽带宽角相控阵雷达的波束形成主要受以下两个因素的限制%一是波束对频率的敏感性#对空间同一方向信号进行接收时#不!%年%月第2 2卷!第2期!西安电子科技大学学报（自然科学版）!#$%&!(!)*+*&%!#%*,-$.*/0!N A-!%O 9 B-2 2!0 9-2同的频率成分对应的权系数是不同的!信号瞬时带宽越大!允许的最大扫描角越小!这就是所谓的 孔径效应#$二是信号包络延时的影响!在大扫描角情况下!到达阵列两端阵元的信号之间有较大的时间差!当孔径渡越时间大于信号带宽的倒数时!接收阵列的阵元接收信号不能只补偿相位相加-宽带波束形成方法的研究起始于!世纪(年代!与窄带波束形成方法的研究同时起步-最基本的方法是基于时域多抽头延时的W=9 E P方法%!&和基于)W/的频域波束形成方法%2&!这两种方法运算量巨大!硬件设备非常复杂!工程实现困难-现在研究较多的是应用可变延迟线%&!%&进行包络对齐!然后进行波束形成-但是模拟延时单元是阵列中最昂贵的部分且体积较大!当阵列阵元很多时系统极其复杂-因此!对于大型相控阵来说!划分为子阵%!(&是一个常用的方法-这样可节省设备量和成本并能降低运算量!尤其当发射宽带信号时!子阵可减小前述孔径效应和包络延时的影响-但模拟延迟线提供的延时是量化的%,&-宽带雷达容易受到宽带干扰的影响!此时宽带雷达的性能就会大大降低甚至失效!所以!宽带波束零点形成方法%+&变得非常迫要-随着相控阵雷达收 发全数字化的实现!在发射模式下实现数字波束零点%&形成越来越受到重视-这对于提高相控阵雷达反电子侦察能力(抗干扰和反辐射导弹)1;M*能力以及避免对己方雷达产生有源干扰等有重大意义-窄带相控阵零点形成的方法已经非常成熟!所以!可借鉴窄带情况下的置零算法%!&为宽带所用-笔者提出了一种全数字化宽带子阵波束形成技术!该方法应用线性调频信号!在子阵内采用窄带波束零点形成算法和子阵间应用宽带数字时变权!即可实现宽带方向图在干扰方向形成零点-9!传统的延迟线子阵方法发射波束形成假设阵列为等距离线阵!阵元1个!令1789*!8为子阵个数!*为每个子阵的阵元数:阵元间距为;!目标方向为!参考阵元为每个子阵的第零个阵元!参考子阵为第零个子阵-以下处理为子阵内处理-图!传统的延迟线子阵发射波束形成在大扫描角的情况下!各阵元发射信号不能同时到达波束指向的波前面!第)7*=*个阵元信号相对于参考阵元在波前面的包络延迟为#7!)*其中为光速-第?个子阵相对于参考子阵)第零个子阵*的延迟为$?7?*;E?A!:)!*!如果在子阵内采用长度为式)*的延迟线而在子阵间采用式)!*的延迟线!此方法阵列可在目标方向全相关发射-但是!这样并没有使系统的代价和复杂度降低!这和采用子阵方法的初衷相背!所以!传统的子阵方法是在子阵内采用移相器!而在子阵间采用延迟线来降低系统的复杂度-如图所示!这样可大大减少延迟线的数量-此时第个阵元移相器的相位为%7!#!:)2*!模拟延时单元是阵列中最昂贵的部分!且式)!*提供的延时是量化的)因此降低了阵列增益和距离分辨率*%,&!模拟时延单元在阵列上需要很好的温度稳定性)这在高的功率应用中是比较困难的!同样增加了成本!大小和重量*!模拟延时单元体积庞大!这给组装带来了困难-此外!模拟延迟线方法也无法实现在干扰方向形成零点!所以!数字波束形成是解决上述问题的最主要的方法-%+2!西安电子科技大学学报!自然科学版!第2 2卷:!宽带宽角相控阵发射波束零点形成假设发射信号为线性调频脉冲信号!采用线性调频6 W M#信号实现目标的高分辨距离像需要两个步骤$&%&#对目标定位$得到目标距离像-第步首先发射单脉冲窄带信号测得目标的距离和角度!第!步发射宽带6 W M信号获得目标距离像-这里!假设目标和干扰方向已由窄带精确估计出!目标固定在!方向!而干扰在&方向-令发射信号为AB#74 LR!BC!B#!=4 D PB#D!&#其中=4 D PE#7!=(!E(!其他)!B表示时间!为载频!D表示脉冲宽度!表示调频斜率!信号带宽为F7D:由式!#知!第?个子阵发出去的信号为A?B#7AB=$?#7=4 D PB=$?#D4 LR!B=$?#C!B=$?#$%)*!7=4 D PB=$?#D4 LR!BC!B#!4 L_R!$?B#4 LR!$!?=$#?!:#因为$?与脉冲宽度D相比很小!所以可不考虑=4 D P B=$?#(D#的影响!则A?B#74 LR!BC!B#!4 LR!%?B#4 LR(?#!%#这里%?7=$?!(?7!$!?(!=$?#:采用数字波束形成代替传统方法!为了使波束指向目标方向!每个子阵第个阵元的权为G74 L_R!#!:(#第?个子阵的时变权应为(?B#74 L_R!%?B#4 L_R(?#74 LR!$?B#4 L _R!$!?=$#?!:,#可看出(?B#实际上对接收信号起了延时$?的作用-用上述方法同样可实现宽带波束形成且不存在传统模拟延迟线方法存在的量化误差影响-这里来讨论如何才能得到发射波束零点-从式(#开始!子阵内的权G只对在目标方向提供作用!即只满足!#*=7G.$!#7!+#这里.!#74 L_R!#:如果在满足式+#的同时!要求权G还满足#*=7G.$&#7!#其中.&#74 L_R!#H#!#H7:在一定的阵列孔径尺寸和允许的波束指向偏差条件下!信号瞬时带宽越大!允许的最大扫描角越小!这就是所谓的孔径效应-信号频率由变为C%#将引起的波束指向偏差%)7=%P 7 A!(:所以!对于窄带相控阵的接收方向图来说!宽带干扰信号将表现为分布在一个较宽的区域之内!波达方向角会+展宽,-在进行数字波束形成时!一般是在常规窄带波束形成方法的基础上通过算法加宽零点凹口$!%!以达到压制宽带干扰信号的目的-另外!如果干扰是运动的!这也需要把凹口加宽来有效抑制干扰-所以!可把式#修改为#*=7G.$%&#7!:#这里%&表示角度范围!即%&=&%&:即权G&F!可得I&#FE?A)$:其中I为子阵孔径!)为波束指向!F为发射信号带宽-为了得到较好的效果!一般要求子阵孔径小于该值的,%(&-由以上可知!处理方法步骤如下#把大型阵列化为若干子阵-$发射窄带信号估计出目标和干扰方向-&由式#+$和式#$求出子阵内宽凹口的窄带权G:由式#,$求出子阵时变权(?#B$:(宽带发射波束形成-数字处理应该在基带进行!再上变频发射出去!即数字基带信号应为3#B$74 L#R B!$!这里B7&D A:发射波束形成框图如图!所示-;!仿真计算假设阵列是等距离线阵!阵元间距为-#U!阵元数为,!分为+个子阵!每个子阵有+个阵元!发射信号是线性调频脉冲信号!脉冲宽度D7!9=#E!带宽为 MZ Y!载频7 MZ Y!调频斜率7#9 !:假设目标为单散射点!方位角&!干扰在_!-图2!传统的延迟线子阵发射方向图图&!权G形成的窄带方向图图#!宽带子阵波束零点形成图%!文中方法脉压后波形!图2为传统延迟线方法形成的静态方向图!可见该权虽然能形成主波束但不能在干扰方向形成零点-图,+2!西安电子科技大学学报!自然科学版!第2 2卷&是预先在子阵内单频情况下形成的静态方向图!生成单频权G并且让零点加宽!这样可增加干扰方向的稳健性-图#为文中提出的算法形成的静态方向图!可见该方法可在宽带干扰方向形成零点!且零点较宽-图%是文中置零算法脉压后形成的波形!可见脉压效果良好!没有降低信号的距离分辨率-!结 束 语针对线性调频信号!提出了一种子阵宽带宽角数字波束形成方法!首先应用窄带信号测量出目标和干扰的方位!然后用窄带数字相位权和时变权代替传统宽带子阵延时线方法波束形成中的移相器和时延线!并通过构造子阵内数字相位权来实现宽带方向图置零!这同时避免了存在量化误差且昂贵的模拟时延单元-因此文中数字方法的阵列天线增益和信号距离分辨率会比模拟延时线方法有所提高且实现了在宽带干扰方向形成零点-参考文献!#罗永健!张守宏!俞根苗.基于确知波形的宽带宽角相控阵发射波束形成方法#.电子学报!2!2$2%&2#,$2%-!#W=9 E Pa6-1 A1 B 9=?P K U:9=6?A 4 7=B 5J 9 A E P=7?A 4 1 7 L P?H 41=7 5C=9 D 4 E E?A#-C=9 D S b b b!+(!%$,%&+!%$+2#-2#W 9 B B 4 P P;W!)9 A 9 K 9 4C-1 c?4 8 7 A Z?K$=4 E 9 B N P?9 A!6 9 T$L=9 8 7 8?B?P 5$9:$4 P 4 D P?9 AW W/Q 4 7 U:9=U?A#-S b b b!9 N=A 7 B 9:a D 4 7 A?Db A?A 4 4=?A!+&!+$!%&(#$,!-&#/9=4 E1!)7 H?E;M!3=7 U 4=);!4 P 7 B-b:?D?4 A Pc?4 8 7 A P=4 P D KC=9 D 4 E E?A#-S b b b/=7 A E9 A1 b!2%$&%&%($(,-#6?c/!d N3Q-1 7 L P?H 4Q 4 7 U:9=U?A:9=c?4 8 7 A?4 B 9 8 4;4 N 8 7=7 5 a H 4=B 7 L L?A:9=c?4 8 7 A 1=7 5 E1#-;7 7=J 9 A:4=4 A D 4!C=9 D 4 4?A E9:P K 4!S b b bJ#-1 P B 7 A P 7&S b b b!-!,$!2 2-(#M 7?B B 9 N;-J 9 A E P=7?A 4 W 4 4 N 8 7=7 5 E9:6 7=4C K 7 E 4 1=7 5 E#-b B 4 D P=9 A?D E6 4 P P 4=E!+,!2&$!2%&!+$!+2-,#J 9=8?A!Z 9 T 7=;-/)G e N 7 A P?Y 7 P?9 Ab=9=S U L 7 D P9 A c?4 8 7 A C K 7 E 4$7=7 5C 4=:9=U 7 A D 4)Qa 6#-K P P L&?4 4 4 L B 9=4-?4 4 4-9=?4#%+2,%&!,#,+%-L K 9 N K 9 A!*K 7 9 d 9 A 8 9-1 A 1 7 L P?H 4Q 4 7 U:9=U?A 1 B 9=?P K U?AP K 4C=4 E 4 A D 49:J 9 K 4=4 A PS A P 4=:4=4 A D 4#-9 N=A 7 B 9:F?7 AG A?H 4=E?P 5!&!2$#%&(&$(%-!#f N 4=D?;-/K 4 9=57 A 1 L L B?D 7 P?9 A9:J 9 H 7=?7 A D 4M 7 P=?/7 L 4=E:9=;9 8 N E P1 C!+!&($&%&+($+,#-!编辑齐淑娟#!+2第2期!曹运合等!宽带相控阵雷达发射波束零点形成方法