CN107329134B - 一种基于阵元馈电波形控制的波控阵超宽带雷达天线阵列 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于阵元馈电波形控制的波控阵超宽带雷达天线阵列，属于超宽带雷达技术领域。在自由空间中，波束扫描通过数字采样延迟实现波束扫描；在复杂的电磁散射环境中，则通过改变各阵元的激励波形实现波束扫描或聚焦。各阵元的激励波形由A/D采样进行获取信源波形后，在数字域内经过变换处理后由D/A进行产生。本发明波控阵雷达无需射频移相器进行波束扫描，而是通过控制阵元的激励波形及其波形采样延迟，在时域或超宽频段范围内产生聚焦波束以及实现聚焦波束扫描。本发明天线属于超宽带雷达阵列，工作频率范围可覆盖接近DC到A/D与D/A数采信号的最高频率。

Description

一种基于阵元馈电波形控制的波控阵超宽带雷达天线阵列

技术领域

本发明属于超宽带雷达技术领域，具体涉及一种基于阵元馈电波形控制的波控阵超宽带雷达天线阵列。

技术背景

雷达不仅是各国军事上必不可少的电子装备，还广泛应用于社会经济发展(如气象预报、资源探测、环境监测等)和科学研究(天体研究、大气物理、电离层结构研究等)。随着科技的日新月异，军事、科学、经济等领域对雷达的功能和作用不断提出新的要求，雷达带宽资源日趋紧张，迫切需求宽带雷达的发展与应用。

与传统雷达相比，相控阵雷达通过电扫描方式控制波束相位、幅度及功率实现天线波束指向在空间的转动或扫描，具有波束的快速扫描、天线波束形状的快速变化、空间定向与空域滤波的能力，空间功率合成和多波束形成能力等特点，是目前应用最为广泛的雷达技术。因此，近年来宽带相控阵雷达因其具有高距离分辨力，能满足对于雷达多目标远距离探测、目标高分辨率成像与目标识别的要求，受到国内外雷达研究领域的重点关注，成为现代相控阵雷达的发展方向。

基于移相器的宽带相控阵雷达在进行扫描时，由于渡越时间、孔径效应的影响，使得信号的瞬时带宽受限，收发信号不能有效的同相合成，难以实现期望的波束形成和波束指向控制。为了消除孔径效应，增加相控阵带宽，国内外研究学者进行了一系列研究。

传统宽带相控阵雷达解决方案，即在阵列天线的各个单元采用相应的实时延迟线(True Time Delay，TTD)取代传统相控阵雷达中的移相器，可以大大减轻天线孔径效应、渡越时间的影响，减小相控阵雷达瞬时信号带宽对天线波束指向的影响，同时，也可以减小天线渡越时间对瞬时信号带宽的限制，使得相控阵雷达可以实现宽带宽角扫描。但是传统的TTD通常由同轴电缆或波导构成，在扫描角为60度时，对一个口径为30米的大型相控阵天线，需要的TTD长度约为26米，对于如此长的同轴电缆或波导，宽带信号损耗大，同时，造成系统结构复杂，难以实现。文献“张光义，赵玉洁.相控阵雷达技术[M].北京：电子工业出版社，2006.p383-447”中涉及到为了降低传统宽带相控阵雷达系统的成本和复杂度，在天线子阵级上使用TTD进行延时补偿，美国AN/FPS-108相控阵雷达在96个子阵上采用实时延迟线(True Time Delay，TTD)，保证了在L波段200MHz的瞬时信号带宽。由此可见，采用TTD取代传统相控阵雷达中的移相器，结构复杂，价格昂贵、量化精度低、在宽温范围内难以做到高精度延时，难以实现超宽带波束扫描雷达功能。

针对上述模拟延时线带来的问题，国内外很多研究学者提出利用光实时延迟线(Optical True Time Delay，OTTD)、数字T/R组件替代模拟延时线实现宽带相控阵雷达，可以有效解决因模拟延时线带来的一系列问题。

文献“严济鸿.宽带相控阵雷达波束控制技术研究[D].电子科技大学,2011.”研究了L波段光控相控阵雷达技术，在国内首次设计实现了L波段基于磁光开关的OTTD，并在国内首次用外场验证证明了光控相控阵雷达宽带宽角工作是有效可行的。研究了毫米波光控相控阵雷达技术，串馈型光控相控阵雷达技术等，建立了模型，验证了方法的可行性。

文献“邓浩.基于光控相控阵雷达的光纤延迟线关键技术研究[D].电子科技大学,2013.”仿真了X波段不同频率的光控相控阵雷达，研究了光纤延迟线链路噪声、延迟精度误差对线阵相控阵天线波束合成的性能影响，仿真验证了光纤延迟线的链路噪声会造成相控阵天线波束的副瓣电平升高，若链路信噪比小于15dB，则会严重影响到雷达波束的性能。

文献“王峰,傅有光.数字相控阵与模拟相控阵雷达的性能对比分析[J].中国电子科学研究院学报,2012,(02):148-151+162.”中对比了采用数字T/R组件实现的数字相控阵与模拟相控阵雷达的性能，虽然数字相控阵雷达具有更多的技术优势，如接收多波束、信号动态范围扩展等，但是对于大型的相控阵雷达或频率较高的雷达，因其具有成千上万的阵元，必须研制相应的成千上万的数字T/R组件，其中不可或缺的模拟抗混叠滤波器使得数字阵的成本迅速增加，其上下变频等有源器件降低了系统的可靠性。

文献“李陶,汪学刚,周云,于雪莲.大孔径宽带数字阵列时域波束形成方法[J].现代雷达,2015,(06):21-25.”针对在大阵列孔径下，任意宽带雷达信号的收发数字波束形成难的问题，给出了两种基于数字移相和数字延时的时域宽带数字波束形成方法，仿真验证了其能够有效克服孔径效应，能够实现任意宽带脉冲信号的收发数字波束形成。但是，方法一由于各通道的延时舍入误差导致波束旁瓣抬升，相同f_s/B条件下，带宽越大，波束旁瓣抬升均值越高。方法二由于子阵内的延时误差同样导致波束旁瓣的抬升，相同阵元数条件下，子阵越大，子阵内延时误差越大，旁瓣抬升均值也越高，随着信号带宽的增加，子阵内延时误差的影响越明显。同时，延时滤波器阶数等因素严重影响波束旁瓣水平，并增加雷达复杂度及成本。

综上所述，光控相控阵雷达处于仿真验证阶段，由于其受限于光电子器件的水平和造价，目前尚未出现采用完全光控技术的相控阵雷达实用系统。数字相控阵列雷达因其核心技术是高性能的全数字T/R组件，虽然可以彻底消除孔径效应，实现相控阵雷达的宽带扫描，但是相控阵雷达通道众多，器件、环境、温度等因素会造成严重的通道失配，对数字波束形成、脉冲压缩、旁瓣对消等处理产生很大的影响。并且，其不可或缺的滤波器等模拟器件增加雷达的复杂度，严重影响其可靠性及成本造价。

发明内容

基于背景技术中相控阵雷达存在的问题，本发明提出了一种基于阵元馈电波形控制的波控阵超宽带雷达天线技术，通过向每个阵元馈入不同波形，产生聚焦波束或指向波束；通过控制时域波形的形状及其采样延迟，实现波控阵雷达的波束扫描。

本发明所提出的波控阵超宽带雷达天线阵列既可以应用于自由空间，也可以应用于复杂电磁散射环境中。在自由空间中，波束扫描通过数字采样延迟实现波束扫描；在复杂的电磁散射环境中，则通过改变各阵元的激励波形实现波束扫描或聚焦。各阵元的激励波形由A/D采样进行获取信源波形后，在数字域内经过变换处理后由D/A进行产生。与传统的雷达相控阵不同，波控阵雷达无需射频移相器进行波束扫描，而是通过控制阵元的激励波形及其波形采样延迟，在时域或超宽频段范围内产生聚焦波束以及实现聚焦波束扫描。本发明波控阵天线属于超宽带雷达阵列，工作频率范围可覆盖接近DC到A/D与D/A数采信号的最高频率。

本发明技术方案如下：

一种基于阵元馈电波形控制的波控阵超宽带雷达天线技术，其基本原理如图1所示，多个数字波形激励信号源间通过同步时钟分配器达到高精度时间同步，并产生与雷达天线阵列单元所对应的数字信号波形，通过采样时延控制后，经过D/A模数转换与AGC自动增益模块，最后发送给雷达天线阵列辐射到空间中。

具体包括以下步骤：

步骤一：如图2，已知波控阵超宽带雷达天线是M×N的天线阵列，建立直角坐标系，目标方向与坐标系原点的连线与正z轴夹角为φ，目标方向与坐标系原点的连线在xy面上的投影与正x轴夹角为θ，则记该目标方向为(θ，φ)。

设计相应M×N个发射信号波形，x_i(θ，φ，t)代表第i个单元天线对目标方向(θ，φ)的发射信号，则雷达天线阵列的总发射信号为x(θ，φ，t)＝[x₁(θ，φ，t)，x₂(θ，φ，t)，…，x_i(θ，φ，t)，…，x_M×N(θ，φ，t)]。

在时域中，由总发射信号x(θ，φ，t)得到雷达天线阵列激发的辐射电场F(θ，φ，t)的表达式：

其中h_i(t)表示第i个天线单元与目标方向之间的信道冲激响应，定义h(t)＝[h₁(t)，h₂(t)，…，h_i(t)，…，h_M×N(t)]为天线阵列与期望转角之间总信道冲激响应，则式(1)可写为

F(θ，φ，t)＝h(t)*x^T(θ，φ，t) (2)

因此，设计总发射信号x(θ，φ，t)的波形，使得F(θ，φ，t)在对应的期望转角(θ，φ)方向上达到最大值，是实现波控阵超宽带雷达的关键步骤。

其发射波形获取方法流程如图3所示。设计发射信号的波形有多种方法，其中包括但不仅限于以下方法：

1、由自由空间理论计算得出；

自由空间中，使雷达天线阵列单元发射相同的波形，通过控制各单元所发射信号的采样延迟改变其波束指向。其采样延迟具体可由以下方法计算得出。

如图2，目标方向(θ，φ)的位置为(x，y，z)，与坐标原点的距离为

雷达天线阵列单元坐标为(x_i，y_i，0)，(i＝1，2，…M×N)，与目标位置的距离为

则雷达阵列天线的总发射信号为：

x(θ，φ，t)＝[x₁(θ，φ，t-Δτ₁)，x₂(θ，φ，t-Δτ₂)，…，x_i(θ，φ，t-Δτ_i)] (3)

其中，

是为了产生第i个天线单元的发射信号需要对原信号进行的采样延迟，c为空间中电磁波传播速度。结合自由空间中电磁耦合矩阵，对信号进行处理即可获得最终发射波形。

2、由数值分析的方法得出；

考虑复杂电磁散射信道的特征，设计多组波形，解决强电磁干扰问题。该方法适用于复杂电磁环境中指向波束或点聚焦形成的发射信号的产生。

在目标方向发射探测波形s(θ，φ，t)，通过对雷达天线阵列所接收的探测信号s^r(θ，φ，t)进行时间反演得出雷达天线阵列的发射信号，从而产生特定方向上的指向波束。雷达天线阵列接收到的探测信号为：

s^r(θ，φ，t)＝s(θ，φ，t)*h^r(t) (4)

其中，h^r(t)＝[h₁ ^r(t)，h₂ ^r(t)，…，h_i ^r(t)]，(i＝1，2，…M×N)表示期望方向位置到雷达天线阵列的总信道冲激响应，h_i ^r(t)是期望方向位置到第i个天线单元的信道冲激响应。

将雷达天线阵列接收到的探测信号进行时间反演处理，得到雷达天线阵列的总发射信号波形为：

x(θ，φ，t)＝s^r(θ，φ，-t)＝s(θ，φ，-t)*h^r(-t) (5)

则式(2)可写为：

F(θ，φ，t)＝h(t)*x^T(θ，φ，t)

＝h(t)*s^rT(θ，φ，-t)

＝h(t)*s^T(θ，φ，-t)*h^rT(-t) (6)

若希望产生指向波束，探测信号波形可为均匀平面波。若希望产生复杂电磁散射环境中的点聚焦扫描，探测信号波形可为点源脉冲波。由时间反演理论及信道互易性得，h(t)*h^rT(-t)频域为|H(ω)|²，使得信号功率在判决时刻达到最大，增大信噪比，实现信号的最佳接收。

步骤二：采用同步时钟分配器实现多个数字波形激励信号源间的高度同步，其同步精度直接影响多个波形是否能够在空间上产生指定的指向波束。

步骤三：通过采样延时控制单元或改变波控阵雷达天线阵列的发射信号波形，控制雷达天线阵列的发射信号在空间位置上形成不同的波束扫描指向。

本发明技术与现有宽带相控阵雷达技术相比，具有如下优点：

1.本发明是一种具有多个数字波形激励信号源，直接通过A/D、D/A进行采样控制的雷达，与目前仅有一个信号源，通过波形延迟或相位的控制实现波束扫描的雷达相比，本发明所涉及的波控阵雷达工作带宽取决于信号源可产生波形的带宽与A/D、D/A的采样带宽，目前可借助任意波形发生器等仪器产生任意频段的波形，A/D可达160Gsps、D/A的采样率可达50Gsps，因此，波控阵雷达可实现空间波束的超宽带扫描。并且，随着A/D、D/A技术的迅速发展，波控阵雷达的带宽范围也会进一步拓宽。

2.本发明通过数字波形的采样延迟控制雷达扫描方向，与现有的相控阵雷达及数字波束合成阵列相比，波控阵超宽带雷达无需模拟延时线网络或射频移相器组件，也无需复杂的相位控制器，通过数字寄存器的数字延时即可实现数字波形的采样延迟，可完全利用集成芯片电路完成时域信号波形的处理，完全采用射频数字化实现波束的扫描，有利于系统的高度芯片集成化，缩减系统体积尺寸，提升系统的延时动态范围，降低系统成本，提升系统的稳定性和可靠性等。

3.本发明是一种可工作于复杂电磁散射环境下的雷达，利用多波形的聚焦原理，针对复杂电磁散射环境中丰富多径的问题，设计发射信号波形，每组波形都充分考虑了环境所带来的影响，因此，波控阵雷达能够有效解决普通雷达在强电磁散射环境中的干扰问题，对预期探测方向进行准确、精确的波束扫描探测。

4.本发明是一种通过控制多个波形在空间位置上的波束聚焦来实现波束扫描的雷达，与传统的相控阵雷达相比，不需要明确测量阵列天线单元间的耦合，可以通过波形直接有效地对耦合进行调控。

5.本发明阵元可以相同，也可以不相同。本发明通过控制雷达天线阵列单元的发射波形控制波束指向，对阵元不做要求，只需保证阵元间信号的高度同步，相比于相控阵雷达，本发明的波控阵雷达降低了雷达阵列天线工艺上的难度。

附图说明

图1为本发明所述基于阵元馈电波形控制的波控阵超宽带雷达原理框图。

图2为本发明所述基于阵元馈电波形控制的波控阵超宽带雷达系统框图。

图3为本发明所述波控阵雷达系统发射阵列单元发射波形获取流程图。

图4为本发明实施案例中处于复杂电磁散射环境下的波控阵雷达阵列天线。

图5为本发明实施案例中均匀平面探测波形。

图6为本发明实施案例中列举波束指向为(0，π/6)的四个阵列天线单元的发射信号。

图7为本发明实施案例中列举波束指向为(0，π/4)的四个阵列天线单元的发射信号。

图8为本发明实施案例中波束指向为(0，π/6)的远场辐射方向图。

图9为本发明实施案例中波束指向为(0，π/4)的远场辐射方向图。

具体实施方式

下面结合附图和实施案例，详细描述本发明的技术方案，以便更清楚的了解本发明的特征和优点。

例：利用第二种数值分析的方法，根据信道互易特性及时间反演的空时同步聚焦原理设计复杂多径环境中波控阵雷达天线阵列的发射信号波形。如图4所示，在8*8的雷达天线阵列周围设置多个不同形状，无规则排列的散射体。天线中心频率为1.12GHz，天线单元间隔为120mm。

第一步：从期望目标方向(0，π/6)发射均匀平面波探测信号s(0，π/6，t)，波形如图5，公式：

第二步：同时记录所有雷达天线阵列单元接收到的探测信号：

s^r(0，π/6，t)＝h^r(t)*s(0，π/6，t) (8)

第三步：将雷达天线阵列接收到的探测信号s^r(0，π/6，t)进行时间反演处理，得到时间反演信号s^r(0，π/6，-t)，即为雷达天线阵列的总发射信号x(0，π/6，t)：

x(0，π/6，t)＝s^r(0，π/6，-t)＝h^r(-t)*s(0，π/6，-t) (9)

其中天线单元1、7、21、40的发射信号如图6所示，每个天线单元的发射信号波形不同。

在时域中，可得到辐射电场：

F(0，π/6，t)＝h(t)*x^T(0，π/6，t)

＝h(t)*s^rT(θ，π/6，-t)

＝h(t)*h^rT(-t)*s^T(0，π/6，-t) (10)

经FFT，辐射电场频域表示为：

F(0，π/6，ω)＝H(ω)·H^*(ω)·S^*(0，π/6，ω)

＝|H(ω)|²·S^*(0，π/6，ω) (11)

其中H(ω)是信道冲激响应h(t)的频域变换，H^*(ω)是h(t)的时间反演函数h(-t)的频域响应。由上式可以看出，该波控阵雷达天线的激励信号隐含环境中的多径状态信息，能够在复杂电磁散射环境中进行目标的准确探测，解决普通雷达在强电磁散射环境中的干扰问题。波束指向为(0，π/6)的远场辐射方向图如图8所示。

第四步，改变期望目标方向为(0，π/4)，重复上述步骤，其中的四个阵列天线单元的发射信号如图7所示，并得到其远场辐射方向图如图9所示。

该实施案例证明了，本发明的波控阵雷达根据信道互易特性及时间反演的空时聚焦原理，通过各种方法设计多组波形，能够在空间中形成不同指向的扫描波束。因设计多个发射波形时考虑了复杂电磁环境中的信道特性，能够有效解决普通雷达在复杂电磁环境中的波束精确指向问题。本发明的波控阵雷达工作带宽取决于D/A和A/D的采样带宽，随着D/A和A/D技术的迅速发展，采样带宽的增大，波控阵雷达的带宽也随之拓宽。

Claims (1)

1.一种基于阵元馈电波形控制的波控阵超宽带雷达天线阵列，通过向每个阵元馈入不同波形，产生聚焦波束或指向波束；通过控制时域波形的形状及其采样延迟，实现波控阵雷达的波束扫描；其设计方法包括以下步骤：

步骤一：已知波控阵超宽带雷达天线是M×N的天线阵列，建立直角坐标系，目标方向与坐标系原点的连线与正z轴夹角为φ，目标方向与坐标系原点的连线在xy面上的投影与正x轴夹角为θ，则记该目标方向为(θ，φ)；

设计相应M×N个发射信号波形，各阵元的发射信号波形由A/D采样进行获取信源波形后，在数字域内经过变换处理后由D/A进行产生，x_i(θ，φ，t)代表第i个单元天线对目标方向(θ，φ)的发射信号；则雷达天线阵列的总发射信号为x(θ，φ，t)＝[x₁(θ，φ，t)，x₂(θ，φ，t)，…，x_i(θ，φ，t)，…，x_M×N(θ，φ，t)]；

在时域中，由总发射信号x(θ，φ，t)得到雷达天线阵列激发的辐射电场F(θ，φ，t)的表达式：

其中h_i(t)表示第i个天线单元与目标方向之间的信道冲激响应，定义h(t)＝[h₁(t)，h₂(t)，…，h_i(t)，…，h_M×N(t)]为天线阵列与期望转角之间总信道冲激响应，则式(1)写为

F(θ，φ，t)＝h(t)*x^T(θ，φ，t) (2)

因此，设计总发射信号x(θ，φ，t)的波形，使得F(θ，φ，t)在对应的期望转角(θ，φ)方向上达到最大值；

步骤二：阵元可以相同，也可以不同，采用同步时钟分配器实现多个数字波形激励信号源间的高度同步；

步骤三：通过采样延时控制单元或改变波控阵雷达天线阵列的发射信号波形，控制雷达天线阵列的发射信号在空间位置上形成不同的波束扫描指向或点聚焦扫描；

所述步骤一中总发射信号x(θ，φ，t)波形的设计方法如下：

方法一：由自由空间理论计算得出

自由空间中，使雷达天线阵列单元发射相同的波形，通过控制各单元所发射信号的采样延迟改变其波束指向，其采样延迟具体可由以下方法计算得出，

目标方向(θ，φ)的位置为(x，y，z)，与坐标原点的距离为

雷达天线阵列单元坐标为(x_i，y_i，0)，(i＝1，2，…M×N)，与目标位置的距离为

则雷达阵列天线的总发射信号为：

x(θ，φ，t)＝[x₁(θ，φ，t-Δτ₁)，x₂(θ，φ，t-Δτ₂)，…，x_i(θ，φ，t-Δτ_i)] (3)

其中，

是为了产生第i个天线单元的发射信号需要对原信号进行的采样延迟，c为空间中电磁波传播速度；结合自由空间中电磁耦合矩阵，对信号进行处理即可获得最终发射波形；

方法二：由数值分析的方法得出

考虑复杂电磁散射信道的特征，设计多组波形，解决强电磁干扰问题；

在目标方向发射探测波形s(θ，φ，t)，通过对雷达天线阵列所接收的探测信号s^r(θ，φ，t)进行时间反演得出雷达天线阵列的发射信号，从而产生特定方向上的指向波束，雷达天线阵列接收到的探测信号为：

s^r(θ，φ，t)＝s(θ，φ，t)*h^r(t) (4)

其中，h^r(t)＝[h₁ ^r(t)，h₂ ^r(t)，…，h_i ^r(t)]，(i＝1，2，…M×N)表示期望方向位置到雷达天线阵列的总信道冲激响应，h_i ^r(t)是期望方向位置到第i个天线单元的信道冲激响应；

将雷达天线阵列接收到的探测信号进行时间反演处理，得到雷达天线阵列的总发射信号波形为：

x(θ，φ，t)＝s^r(θ，φ，-t)＝s(θ，φ，-t)*h^r(-t) (5)

若希望产生指向波束，探测信号波形可为均匀平面波；若希望产生复杂电磁散射环境中的点聚焦扫描，探测信号波形可为点源脉冲波。

Images