摘  要： 随着计算机、集成电路技术、高速信号传输技术的进步，数字波束形成技术开始应用于相控阵雷达。提出了数字阵二次雷达是基于数字T/R组件、高速信号传输、数字信号处理等构成的系统，可以实现瞬时多波束及实时自适应处理，具有目标跟踪、远作用距离、快速识别目标以及同时完成目标搜索、识别、捕获和跟踪等功能。

　　关键词： 高速信号传输技术；数字波束形成；数字发射/接收组件

0 引言

　　随着计算机、集成电路技术、高速信号传输技术的进步，数字波束形成技术开始应用于相控阵雷达，这促进了相控阵雷达技术的发展，使相控阵雷达数字化程度及自适应能力有了新的提高，它将相控阵天线理论与雷达信号处理结合在一起，可充分发挥相控阵雷达天线具有的空域滤波能力，比较方便地实现波束零点控制、空-时自适应信号处理，带来了提高相控阵雷达天线性能新的潜力[1]。

　　数字波束形成技术[2]应用于相控阵发射天线波束的形成，这主要是指通过数字方式产生发射激励信号与控制相控阵发射天线阵面口径的照射函数，即用数字方式产生阵面各天线单元激励电流的幅度与相位分布。除了数字集成电路外，模拟电路、微波集成电路技术的进步是发射数字波束形成的技术推动因素。数字波束形成技术应用于相控阵接收天线波束的形成则是通过将天线阵子的天线信号数字化[3]，将其送入多波束形成网络，根据波束指向和副瓣电平的要求等因素采取相应的加权数字处理，形成所需要的多个接收波束。高速信号传输、大规模数字集成电路的发展使得接收数字波束形成成为可能。

　　数字阵二次雷达是基于数字波束形成技术，采用数字发射/接收组件（数字T/R组件），通过数字处理算法控制改变阵列天线中每个天线单元上信号的幅度和相位分布，高速改变天线波束的形状（波瓣宽度、副瓣位置、副瓣电平、天线副瓣凹口的数目与位置）的二次雷达系统。本文结合数字阵和二次雷达的特点，对数字阵二次雷达的波束实现方式作了详细的分析。

1 数字波束形成原理

　　下面对数字波束形成的原理和具体实现作一个详细的介绍。

　　根据线阵理论，考虑图1所示N元等距离d组成的阵，当接收与阵法线方向成θ角方向入射到阵面的平面波时，第n个阵元中的电流可写为：

　　In′=Aejnkdsinθ（1）

　　其中，A是与平面波瞬时振幅和相位相关的常数。

　　式（1）表明，第n号阵元中的电流超前（n+1）号阵元中的电流的相位，其超前相位量?驻φ=kdsinθ，它相应于平面波前到达该两阵元的时间差为τ，这里，τ=dsinθ/c（c为光速）。若每个阵元后面放一个控制元件，使第n号阵元激励电流为In=In′anejφn，式中，φn和an分别是控制元件的相移和实际电流增益。

　　于是，阵的输出则为：

　　式（2）中已经忽略了常数A。

　　系数an阵振幅渐变，φn称为阵相位渐变。式（2）就是熟知的阵因子。为了使阵的接收信号对θ方向有最大响应，φn必须满足：

　　φn=-nkdsinθ0（3）

　　式（3）表明，所要求的阵孔径相位渐变是线性的，即相邻阵元间有恒定的相位差。同样，当天线阵作发射时，若控制元件能建立起上式的相位渐变，则由所有阵元辐射的信号将在θ方向同相叠加而形成主波束，如图2所示。

　　将式（3）代入式（2）得：

　　假设一个8元阵列，阵元间距，要求主波束扫描离阵法线30°，试求各阵元的馈电相位。可知，每个阵元之间的相位差为π/2，所以若初始相位为0，则其他阵元的相位依次为。

2 数字波束形成具体实现

　　下面分析数字波束形成的具体实现过程。现假定单阵面有48个天线阵子，即需要对48个天线阵子进行数字化处理。数字波束形成是根据实际的不同波束指向、副瓣电平等因素计算出对应的加权网络，通过加权因子对不同子天线的发射和接收信号做加权处理而成，由于加权因子相当于滤波器系数，因此可将数字波束形成器等同于一个空域滤波器来实现，如图3所示。由于发射和接收在实现过程中数字化处理基本上是一个反过程，下面只分析接收天线波束的数字波束形成。

　　设阵面有48个天线阵子，接收信号x=[x1，x2，…x48]，xm=xmi+jxmq（m=1，2…，48），由计算机计算出的加权因子ω=[ω1，ω2，…，ω48]，ωm=ωmi+jωmq（m=1，2…，48），则经过空域滤波器后的输出信号为：

　　y=x×wH=x1×w1+x2×w2+…+x48×w48（5）

　　通过上面的分析，对波束合成有了一个清晰的概念。数字波束形成技术可根据需要得到最佳的自适应天线方向图。数字波束形成接收机是采用数字技术实现瞬时多波束及实时自适应处理的装置，它在形成瞬时多波束的同时，能对干扰源自适应调零并得到超高分辨率和超低旁瓣的性能，因而能非常有效的对付先进的综合性电子干扰。此外，数字波束形成的波形和闭锁时间可以根据杂波环境要求进行调整。

3 数字阵二次雷达的系统构成

　　下面对数字阵二次雷达系统作详细的分析。

　　数字阵二次雷达的系统构成示意图如图4所示，主要由天线阵列、数字T/R组件、波束处理模块、本振模块、计算机构成。

　　数字T/R组件将天线阵列接收到的射频信号转换成基带I/Q数据并通过光纤传给波束处理模块进行接收数字波束处理合成所需要的天线接收方向图，同时将波束处理模块通过光纤发送过来的发射基带I/Q数据转换成射频信号，并送给天线阵列发射出去。波束处理模块完成发射和接收波束方向图的加权处理。本振模块提供本振信号给数字T/R组件。计算机则完成加权网络数据的计算并传送给波束处理模块，且调度完成系统射频通路的发射和接收幅相校平工作。

　　计算机在系统正常工作之前需要将射频通路的发射和接收幅相校平，实现示意图如图5和图6所示。

　　假设数字阵二次雷达射频通道和天线阵子个数为N，计算机通过将指令送给波束处理模块，通过光纤控制射频通道和天线阵子2K-1和2K+1依次发射，射频通道和天线阵子2K接收，其中0<K<N/2，此时得到奇数天线阵子之间的发射幅度和相位关系。射频通道和天线阵子2K-2和2K依次发射，射频通道和天线阵子2K-1接收，其中0<K<N/2，此时得到偶数天线阵子之间的发射幅度和相位关系。射频通道和天线阵子2、3依次发射，射频通道和天线阵子1接收，此时得到奇数天线阵子和偶数天线阵子之间的发射幅度和相位关系。根据确定的天线阵子间的偶合系数，最终得到所有射频通道和天线阵子间的发射幅度和相位关系。射频通道和天线阵子间的接收幅度和相位关系通过类似处理过程获得，并将此天线阵子发射和接收幅度与相位关系转换成I/Q数据存储在计算机中，这些数据就是天线阵子的发射和接收校平值。

　　正常工作时波束处理模块中的可编程逻辑阵列（FPGA）接收计算机传送过来的天线阵子校平值并存储，在FPGA内部有大规模的存储单元存储着根据阵列天线的主瓣位置、波瓣宽度、副瓣电平等因素生成的理论加权值。

　　对发射来说，FPGA对每个天线阵子的原始发射信号经过校平值、理论加权值两次的复数乘法运算形成特定的发射幅度、相位，送给数字T/R组件后转换成射频信号辐射出去，在空间合成所需要的发射波束。对接收来说，FPGA接收数字T/R组件传送的每个阵子单元的原始接收信号，经过校平值、理论加权值两次的复数乘法运算，并将运算后的复数信号合成起来，形成特定的接收波束。

4 结论

　　本数字阵二次雷达是基于数字T/R组件、高速信号传输、大规模数字信号处理等构成的系统，可以实现瞬时多波束及实时自适应处理，具有目标跟踪、远作用距离、快速识别目标以及同时完成目标搜索、识别、捕获和跟踪等功能。

　　参考文献

　　[1] 张光义.相控阵雷达原理[M].北京：国防工业出版社，2009.

　　[2] 张光义.多波束形成技术在相控阵雷达中的应用[J].现代雷达，2007（8）：1-6.

　　[3] 方繁，周浩，文必洋，等.全数字高频雷达应答器[J].电子技术应用，2014，40（10）：33-36，39.