数字阵列雷达系统的基本框架和工作原理

1、概述

数字阵列雷达系统在发射端通过天线向空间发射同时多波束信号进来多目标 探测。其中，数字波束形成技术是一种以数字信号的形式来实现在某个指定方向或 多个不同方向形成波束的技术。该技术通过使用软件来控制权向量，从而更容易地 改变波束的指向，并利用数字处理方式的优势，提高了波束的分辨率和低副瓣的性 能，同时提高波束的抗干扰能力。DBF技术一开始主要运用在雷达系统的接收端， 但经过研究分析发现数字多波束形成技术也可在发射端使用。本章首先介绍数字 阵列雷达系统的基本框架，同时介绍基于均匀矩形平面阵列的发射阵列信号模型， 然后介绍发射数字多波束形成的基本原理和三种计算多波束权向量的算法，最后 给出不同算法的波束形成功率图。

该数字阵列雷达系统主要由阵列天线、射频模块、数字T/R组件、多波束发射 信号模块、接收信号处理模块、数据处理模块及控制单元等几个部分组成。其中多 波束发射信号模块根据探测多波束的需求，使用不同的波束形成算法来计算或查 表得到多波束发射的权值，再结合基带信号的形式（如线性调频信号）得到各发射 通道需要的多波束发射信号，然后通过数字T/R组件将发射信号送到射频模块， 完成射频调制后通过阵列天线将信号发射出去；当发射多波束信号遇到目标以及 地海平面时，数字阵列雷达系统的接收机接收到由目标和地海平面反射回来的信 号，然后各个阵元将接收到的射频信号经过射频模块变频和数字T/R组件采样后 得到数字中频信号，最后将该接收信号送入数字信号处理机进行接收信号处理，主 要通过对接收信号使用多波束形成技术得到多个波束通道，然后针对每个波束通 道进行空时信号处理与杂波抑制，从而实现目标检测，检测到目标后使用基于压缩 感知理论的测角技术进行目标角度测量，然后控制单元根据处理结果实施相应的 控制。

各个阵列通道的射频信号经过数字 T/R组件采样和数字下变频后得到了数字基带信号；在完成通道校正后，根据发射 多波束的方向进行接收数字多波束形成，得到P个波束通道；然后针对每个波束通 道，依次完成匹配滤波、空时杂波处理和目标检测；检测到目标后，针对目标所在 距离单元进行超分辨测角，最终将目标检测结果及参数测量信息输出，送数据处理 模块完成后续处理。

数字阵雷达发射数字波束的形成过程是通过改变发射信号的相位和幅度，从 而让每个天线阵元的信号获得相位补偿后，利用天线阵元将发射信号辐射出去，然 后在空间的某个方向形成波束。

在基带分别对发射信号进行幅度和相位加权以实现阵元相位补偿，若想进一步降低副瓣可以通过使用加窗函数的方法来控制权 向量的幅度。数字配相法可根据不同需求在空间形成单个波束或者同时形成多个 波束指向不同且波束形状可不相同的波束，从而实现发射数字多波束形成。

基于数字配相法的发射多波束形成只要已知阵列的结构和信号对应的阵列导 向矢量，就可以轻易计算出每组权向量的值。该方法使用的是静态权向量，所以该 方法更适合发射信号之间相互独立的情况，此时各个波束之间是相互独立的关系。但是当发射信号相关时，多波束形成时的和功率方向图不等于每个发射信号的功 率方向图相加，此时还需加上信号之间相关分量对应的功率方向图，对于发射信号 是相同信号时，此时多波束形成的多个权向量叠加作为单一信号的新权向量。

2、功率放大器对发射同时数字多波束的影响

数字阵列雷达系统的发射同时多波束形成技术的研究可知，数字 阵列雷达系统的发射机在发射信号时需要利用功率放大器将输入信号放大后再输 出。实际上射频功放的最大特点是其非线性特性，若输入混合信号的电平越大，由 非线性产生的失真分量越多，发射信号的畸变越严重。根据上一章发射同时多波束 形成的原理可知，天线阵元发射的信号是多个信号进行加权叠加后的和信号，此时 和信号的包络不是固定不变的。如果功率放大器在线性区域工作，此时功率较小从 而导致工作效率低，如果功率放大器在非线性区域工作，混合信号作为输入信号经 过功放后会产生互调分量，从而对发射同时数字多波束产生一定的影响。为了从理 论上更好地分析发射数字多波束场景下的功放非线性特性的影响，首先要对功率 放大器建立合适的数学模型，然后分析输入信号经过无记忆功放行为模型得到的 输出信号，通过频谱图分析第二章的三种波束形成算法的特点，设计期望信号波束 形成的峰值功率与互调分量波束形成的峰值功率的比值作为指标，利用该指标分 析功放的非线性特性对数字阵雷达发射同时多波束的影响。

数字阵雷达系统发射信号时通常需要借助功率放大器将输入信号功率放大后， 再通过天线将输入混合信号辐射到空间，因此功率放大器的特性会对发射信号所 携带的信息产生影响。众所周知，非线性特性是功率放大器固有的特点，其会导致 信号的波形产生失真，通常表现在新频率的出现，除了原始信号的频率分量外，还 会包含很多高次谐波分量以及由各信号频率与它们谐波分量之间的和频率或差频 率即互调分量。那么在数字阵发射同时多波束形成系统中，其发射信号通常是多个 不同信号叠加后的和信号，由于功率放大器始终存在着非线性特性，一旦功率放大 器工作在非线性区时，那么输入混合信号通过功率放大器放大后的输出信号中不 仅包括原始的输入混合信号的信息，还会存在与新频率对应的互调分量与谐波分 量。若是从雷达发射多波束进行目标探测的角度来看，互调分量对应的信号就变成 了干扰，那么就有可能导致发射同时多波束的功率方向图发生畸变，且会增大杂波 信号的能量，在一定程度上会影响主波束对目标的探测。

3、基于同时接收多波束的空时杂波抑制算法

全数字化的阵列雷达系统可实现多目标检测、搜索、定位、跟踪、寻找等一体 化雷达技术。发射多波束形成是实现雷达技术一体化的重要实现途径。在接收端对 每个发射波束的回波进行同时接收处理，可提高系统信号处理效率。在雷达系统接 收到的回波信号中，其中目标信号是感兴趣的信号，而掺杂的干扰信号和杂波信号 是不感兴趣的信号，此时需要将干扰和杂波等不感兴趣信号进行滤波抑制，从而避 免其对目标信号检测的影响。本章首先介绍阵列接收信号模型和杂波空时信号模 型，根据发射同时多波束信号进行多目标探测的需求，对回波信号进行多波束形成 技术形成多个波束通道，然后分别对每个波束通道进行空时信号处理与杂波抑制。因此，介绍非自适应处理和STAP自适应处理这两种杂波抑制算法，最后根据不同 场景给出实验仿真。

表示同时多波束形成框架下进行杂波抑制的非自适应处理过程，首先对 回波信号在空域上进行同时多波束形成，得到多个波束通道后，分别对每个波束通 道进行匹配滤波，MTD处理和CFAR检测，若存在目标，则输出目标所在的距离 和多普勒信息，最后用超分辨方法进行角度测量。因此，在发射同时多波束的框架 下可以实现同时多目标检测。当发射信号是独立信号时，通过对回波信号进行波束 形成和匹配滤波可以减少其他波束的干扰，但当发射信号是相同信号时，对回波信 号进行波束形成和匹配滤波并不能完全避免其他波束的干扰。

空时自适应处理的原理是根据最后输出的信杂噪比（Signal to Clutter Noise Ratio, SCNR）取得最大值的准则计算出一组最优权向量，然后对每个脉冲的匹配 滤波输出数据进行权向量加权后求和。

若阵列阵元数或者脉冲数过多时，常规的空时自适应处理计算量大，在实际工 程中实现困难，因此实际应用中通常会考虑使用降维STAP处理。JDL降维STAP 算法[ 26]主要是选取一个主通道，然后选择主通道临近的一些辅助通道来消除目标 所在位置的杂波信号。

数字阵雷达阵列接收到的回波信号经过匹配滤波后的数据一般称为空域-时域 数据，降维STAP算法需要通过FFT变换将空域-时域数据变换到角度-多普勒域。均匀矩形平面阵阵列的接收数据经过FFT变换后共有MNK个通道，每个通道对应 着不同的角度-多普勒频域。因为目标所在的通道存在着一定的杂波信号，因此可 借助目标通道附近的辅助通道来对消主通道的杂波，从而更好地实现目标检测。而 降维STAP的关键是降维矩阵T的构建，一般选择的波束域不同，那么选择的辅助 通道也不同，即从1T抽取得到T的方法不同。

图4-8 JDL3×3角度-多普勒二维波束选择示意图

综上，同时多波束框架下进行杂波抑制的降维空时自适应处理流程如图4-9所 示。首先构造降维矩阵T，将回波数据转为角度-多普勒域数据Tx，然后再对数据T x做匹配滤波，使用匹配滤波输出数据估计协方差矩阵，从而计算最优权向量， 使用最优权向量对数据Tx进行加权处理后实现杂波抑制，最后进行CFAR检测。 为降低运算量，不直接对阵列接收到的回波数据做匹配滤波，先通过降维矩阵T实 现降维后再进行匹配滤波。若发射多波束个数为4时，接收的主波束通道也为4， 使用JDL3×3降维STAP算法，每个主波束通道还应有两个相邻的辅助通道，则 需要的波束通道数总共为12个，匹配滤波器的数量由原来的阵元通道数降低为12 个，从而降低了计算量。

审核编辑：汤梓红