有源數(shù)字相控陣面臨的難點(diǎn)

有源數(shù)字相控陣面臨的難點(diǎn)

0模擬相控陣與數(shù)字陣列隨著雷達(dá)數(shù)字化程度的提高，數(shù)字相控制陣列雷達(dá)（以下簡(jiǎn)稱數(shù)字矩陣）作為一種新系統(tǒng)雷達(dá)，受到了雷達(dá)行業(yè)的廣泛關(guān)注和研究。該種體制雷達(dá)與傳統(tǒng)的模擬有源相控陣(簡(jiǎn)稱模擬陣)相比,究竟有怎樣的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn),其優(yōu)越性的發(fā)揮還面臨著哪些困難,或者說必須克服哪些技術(shù)難題,才能達(dá)到目前模擬陣所能達(dá)到的綜合性能,都值得詳細(xì)分析與探討。本文試圖探討數(shù)字陣面臨的難點(diǎn),首先從模擬陣談起。模擬相控陣,是指采用模擬器件的移相器,通過改變天線各陣元信號(hào)相位從而合成空間波束的雷達(dá)體制。這種雷達(dá)的波束合成在陣面完成,具有移相器、饋線等模擬器件。模擬有源相控陣通過多年的發(fā)展,以其優(yōu)越的性能,成為目前雷達(dá)發(fā)展的主要方向。目前,美軍裝備的主要雷達(dá)均為有源相控陣,覆蓋了從機(jī)載、艦載、地基到車載等多種雷達(dá)體制。另外需要指出的是,寬帶是有源相控陣的重要功能之一,主要用于一維距離成像與目標(biāo)識(shí)別。目前寬帶主要用于雷達(dá)跟蹤工作模式,靠窄帶搜索提供距離波門,實(shí)現(xiàn)開波門寬帶工作。寬帶波束合成也是有源相控陣的重要功能。由于寬帶信號(hào)無(wú)法通過相位移動(dòng)來(lái)合成波束,寬帶波束合成主要采用模擬延遲線。模擬延遲線實(shí)現(xiàn)一個(gè)波長(zhǎng)到多個(gè)波長(zhǎng)的延遲,完成信號(hào)的真正時(shí)間延遲,從而合成寬帶波束。數(shù)字陣列,不再含有模擬的移相器,而是將接收機(jī)前移。上行波束合成,通過DDS移相產(chǎn)生不同相移的信號(hào),上變頻到射頻天線單元。下行靠接收機(jī)將信號(hào)放大濾波,AD采樣后,在數(shù)字域形成所需接收波束。由于收發(fā)波束合成的相移產(chǎn)生與控制采用了數(shù)字技術(shù),因此稱之為有源數(shù)字相控陣,簡(jiǎn)稱數(shù)字陣。數(shù)字陣具備許多潛在的技術(shù)優(yōu)勢(shì),比如信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍擴(kuò)展、接收多波束等,但是也面臨了諸多技術(shù)難題和缺點(diǎn),以下內(nèi)容將分別予以討論。1數(shù)字源相控制矩陣的困難分析1.1數(shù)字t/r組件的難點(diǎn)數(shù)字陣列將接收機(jī)前移,對(duì)應(yīng)每個(gè)陣元,就有一路接收機(jī),分為上行和下行通道,并且具有DDS和AD等數(shù)模轉(zhuǎn)換器件,構(gòu)成“數(shù)字T/R組件”。以目前的技術(shù)狀態(tài),數(shù)字T/R組件在米波波段、P波段及S波段,都可以實(shí)現(xiàn)。僅X波段,由于數(shù)字T/R組件的體積限制,實(shí)現(xiàn)還較困難。在L波段和P波段,雷達(dá)的陣元往往不太多,實(shí)現(xiàn)數(shù)字陣體制成本也不太高。但是對(duì)于大型的相控陣?yán)走_(dá)或者S波段等頻率較高的雷達(dá),都具有成千上萬(wàn)的陣元,那么必須要研制相應(yīng)的成千上萬(wàn)的數(shù)字T/R組件,就目前的技術(shù)而言存在三個(gè)難題。一是高昂的成本。雖然AD、DDS等數(shù)模轉(zhuǎn)換器件在飛速發(fā)展,價(jià)格也在下降,但是接收機(jī)內(nèi)的模擬濾波器是不可缺少的。這是由采樣定理決定的。采樣之前,一定要使用模擬抗混疊濾波器。數(shù)字濾波器是頻譜上的周期濾波器,存在阻帶周期性泄漏的缺點(diǎn)。模擬抗混疊濾波器的成本是比較高的。隨著組件數(shù)的增加,數(shù)字陣的成本迅速增加。二是可靠性問題。數(shù)字T/R組件與傳統(tǒng)的模擬T/R組件相比,器件更多,包含了上下變頻(甚至多于2級(jí)變頻),眾多的有源器件降低了系統(tǒng)的可靠性。如何提高系統(tǒng)可靠性是數(shù)字陣成為軍事裝備的主要障礙。三是批量生產(chǎn)的調(diào)試問題。數(shù)字T/R組件含有的需要調(diào)試的環(huán)節(jié)多于模擬組件。對(duì)于實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)陣?yán)走_(dá),可以經(jīng)過大量人員的長(zhǎng)時(shí)間精細(xì)調(diào)試。但是對(duì)于批量生產(chǎn)的裝備雷達(dá),在批量生產(chǎn)的過程中,一個(gè)數(shù)字T/R組件經(jīng)過“小時(shí)”時(shí)段的調(diào)試,就應(yīng)保證具有可靠的性能。這才能與現(xiàn)在的模擬有源T/R組件相比?！皵?shù)字T/R組件”的生產(chǎn)達(dá)到這種狀態(tài)還有待時(shí)日。1.2寬帶信號(hào)的產(chǎn)生和發(fā)展寬帶是雷達(dá)獲得一維距離像的重要技術(shù)手段。而寬帶是目前數(shù)字有源相控陣面臨的難題。模擬有源相控陣的寬帶采用了模擬延遲線,進(jìn)行真正的時(shí)間延遲,從而形成寬帶發(fā)射和接收波束。數(shù)字陣列的寬帶要采用數(shù)字延遲形成,數(shù)字時(shí)延的方法較多,如高速采樣,進(jìn)行采樣點(diǎn)延遲,或者采用數(shù)字濾波器進(jìn)行采樣點(diǎn)之間的任意分?jǐn)?shù)延遲等。但是這些不是數(shù)字陣寬帶面臨的難點(diǎn)。數(shù)字陣寬帶的難點(diǎn)主要是多個(gè)數(shù)字T/R組件之間的信號(hào)發(fā)射和接收采樣的定時(shí)、同步。寬帶信號(hào)產(chǎn)生對(duì)于DDS來(lái)講并不是很困難,當(dāng)然,采用目前的技術(shù),產(chǎn)生1GHz帶寬信號(hào)還需要采用倍頻等技術(shù)。雖然信號(hào)可以產(chǎn)生,但信號(hào)的時(shí)延控制成為難題,對(duì)于陣面較大的雷達(dá),多個(gè)數(shù)字T/R組件相隔較遠(yuǎn),本振和定時(shí)到達(dá)各組件存在時(shí)延和相位差。納秒量級(jí)的時(shí)延抖動(dòng)對(duì)于寬帶數(shù)字陣而言,將導(dǎo)致波束無(wú)法合成。下行同樣面臨AD采樣時(shí)鐘和起始定時(shí)信號(hào)的難題。寬帶面臨的另一個(gè)難題是收發(fā)上下行通道的寬帶不一致,通道內(nèi)的有源器件的幅度和相位不一致會(huì)隨著時(shí)間變化,修正也會(huì)非常困難。上行通道的誤差不僅包括接收機(jī)上變頻通道、濾波器,還包括發(fā)射功放等器件。接收機(jī)通道中的濾波器和發(fā)射通道的功放是寬帶誤差較大的器件,必須進(jìn)行修正。直接使用寬帶信號(hào)面臨眾多難題,可以考慮另一種技術(shù)回避,這就是步進(jìn)頻技術(shù)。步進(jìn)頻采用逐次發(fā)射的單載頻信號(hào),或者窄帶信號(hào),合成所需寬帶信號(hào),避免直接的寬帶信號(hào)產(chǎn)生和接收對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生的苛刻要求。采用窄帶數(shù)字T/R組件就可實(shí)現(xiàn)步進(jìn)頻。但是該技術(shù)在多年的發(fā)展中始終面臨一個(gè)難以克服的困難,就是必須對(duì)機(jī)動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行脈間的速度修正。由于目標(biāo)是非合作的,步進(jìn)頻信號(hào)的多個(gè)脈沖間存在速度的差異,而精確測(cè)速需要長(zhǎng)時(shí)間積累,而對(duì)于機(jī)動(dòng)目標(biāo),這本身就很難完成。1.3局部疊置的自適應(yīng)算法一種支持?jǐn)?shù)字陣的論斷是,數(shù)字陣有望采用全自適應(yīng)陣,從而有效地對(duì)抗空間干擾。實(shí)際上,這種說法是一種較模糊的論斷。首先,該觀點(diǎn)沒有說明全自適應(yīng)所能對(duì)抗的干擾類型。全自適應(yīng),或者廣而言之,目前的自適應(yīng)副瓣零點(diǎn)的反干擾手段,主要針對(duì)噪聲調(diào)頻連續(xù)波干擾。而實(shí)際戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境的干擾是種類眾多的,包括欺騙式干擾、脈沖式噪聲調(diào)頻干擾、瞄頻干擾及組合干擾等多種形式,對(duì)抗這些干擾也要采用眾多的干擾抑制手段,而不僅是自適應(yīng)副瓣零點(diǎn)或者全自適應(yīng)的技術(shù)手段。全自適應(yīng)陣對(duì)抗的干擾類型,類似于副瓣零點(diǎn)技術(shù),主要針對(duì)噪聲調(diào)頻連續(xù)波干擾。在對(duì)抗該種干擾的情況下,可以分析一下,采用全自適應(yīng)和部分自適應(yīng)的零點(diǎn)抑制技術(shù),在性能上究竟存在多少差異。首先就干擾個(gè)數(shù)而言,數(shù)字陣自由度大,從原理上講,可以抑制的干擾比陣列的單元個(gè)數(shù)少1個(gè)。但是從電子對(duì)抗的效能上講,在一個(gè)戰(zhàn)場(chǎng)上,針對(duì)一部雷達(dá)投入成百上千部噪聲調(diào)頻干擾的可能性不大。因?yàn)橐粋€(gè)國(guó)家的電子干擾資源是有限的。其次從計(jì)算量上講,采用全自適應(yīng),需要成百上千個(gè)單元數(shù)據(jù)的自適應(yīng)計(jì)算,這需要較大計(jì)算量,目前的計(jì)算芯片還沒有達(dá)到實(shí)時(shí)計(jì)算的水平。第三,從算法的穩(wěn)定性上講,矩陣求逆的全自適應(yīng)方法在高維陣列的情況下,穩(wěn)定性存在問題,其他算法的收斂性能也較差。因此就目前的反噪聲調(diào)頻干擾而言,幾十維自由度的反干擾是足夠的,也是較容易實(shí)現(xiàn)。而這種維數(shù)的噪聲調(diào)頻反干擾問題,采用傳統(tǒng)的模擬有源相控陣也是可以實(shí)現(xiàn)的。只要在模擬陣的四周布放幾十個(gè)輔助天線,構(gòu)成部分自適應(yīng)陣列,采用“副瓣對(duì)消”的方法完成副瓣零點(diǎn)的形成即可。而且這種部分自適應(yīng)陣的性能與全自適應(yīng)陣的性能幾乎一樣好,而系統(tǒng)的復(fù)雜度比采用數(shù)字陣要簡(jiǎn)單的多。在部分自適應(yīng)副瓣零點(diǎn)形成技術(shù)中,波束增益的獲取依靠常規(guī)波束形成技術(shù),通過計(jì)算直接獲得。全自適應(yīng)陣還存在一個(gè)巨大的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn),就是波束的形成靠外部數(shù)據(jù)自適應(yīng)計(jì)算來(lái)獲取,這就將能否獲得幾十分貝的陣增益交給了環(huán)境,而敵對(duì)方可以創(chuàng)造相應(yīng)的電磁環(huán)境,使得全自適應(yīng)陣增益無(wú)法獲得。比如,當(dāng)眾多分布式干擾機(jī)在某一方位間隔小角度排開,在這些方向,主瓣都有干擾進(jìn)入,全自適應(yīng)將在主瓣形成零點(diǎn),故而沒有增益。1.4波瓣展寬的影響數(shù)字陣的一種工作模式是發(fā)射波束展寬發(fā)射,接收同時(shí)多波束,認(rèn)為這樣可以節(jié)約時(shí)間資源。而實(shí)際上,這種工作模式下,由于發(fā)射波束的展寬,能量下降,使得作用距離大大下降。如果要達(dá)到單個(gè)窄波束的作用距離,還要增加脈沖長(zhǎng)度。增加的時(shí)間與寬波束發(fā)射節(jié)省的時(shí)間資源相同。不但時(shí)間資源沒有節(jié)省,反而由于積累時(shí)間的增加,對(duì)高機(jī)動(dòng)目標(biāo)的檢測(cè),往往由于無(wú)法積累而造成信號(hào)檢測(cè)能力下降。一部分人認(rèn)為,該種工作模式下,被敵方偵察的概率下降了,因此該種工作模式下的數(shù)字陣是低截獲雷達(dá)。但是,從電子戰(zhàn)的角度看,波瓣展寬降低了敵方單部偵收系統(tǒng)在距離上的截獲概率。但是由于波瓣的展寬,對(duì)于敵方分布在不同方位的偵收系統(tǒng),被偵察到的空間截獲概率增加了。1.5通道均衡問題不論是對(duì)于模擬相控陣還是數(shù)字相控陣,超低副瓣都具有重要意義。超低副瓣是抗干擾和雜波的重要手段。數(shù)字陣由于校準(zhǔn)在數(shù)字域,且補(bǔ)償?shù)南辔缓头瓤梢宰龅椒浅５木_(模擬相控陣修正相位誤差要在幾度的量級(jí),這是由移相器的位數(shù)決定的),因此在原理上是可以獲得超低副瓣的。對(duì)于單個(gè)頻點(diǎn)的校準(zhǔn)修正模式,接收機(jī)通道整個(gè)頻帶的幅度和相位一致性是無(wú)法修正的。因此,要采用工作帶寬內(nèi)的通道均衡技術(shù)。通道均衡同樣要面臨通道內(nèi)的時(shí)間增益控制(STC)變化的影響。由于每個(gè)增益控制碼會(huì)使得接收機(jī)的帶內(nèi)幅度和相位一致性發(fā)生變化,要獲得超低副瓣,針對(duì)每個(gè)修正碼修正是必要的。如果每個(gè)STC控制碼都要進(jìn)行修正,系統(tǒng)的補(bǔ)償也會(huì)變得非常復(fù)雜。況且,當(dāng)增益發(fā)生變化時(shí),對(duì)應(yīng)不同的增益碼獲得的通道均衡系數(shù)來(lái)自不同的自適應(yīng)計(jì)算過程,不同的濾波器系數(shù)針對(duì)不同增益期間的數(shù)據(jù)濾波,會(huì)產(chǎn)生信號(hào)相位的不連續(xù),拋開修正系統(tǒng)復(fù)雜度不談,這也是需要解決的一個(gè)問題。當(dāng)然,隨著AD有效位數(shù)的增加,以及數(shù)字陣在波束方向的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)擴(kuò)展,考慮取消STC控制也未嘗不可,這需要在雷達(dá)設(shè)計(jì)中權(quán)衡。上述因素都是接收機(jī)的通道幅度和相位不一致,至于陣面互耦與接收機(jī)通道互耦的影響也是相當(dāng)顯著的。如何解決接收通道的隔離度和天線單元之間的互耦也是超低副瓣面臨的技術(shù)難題。1.6目標(biāo)跟蹤、補(bǔ)償與脈沖長(zhǎng)度可以同時(shí)發(fā)射多波束是數(shù)字陣的一個(gè)特點(diǎn)。一種結(jié)論是同時(shí)多個(gè)波束可以指向不同的方向,從而節(jié)省時(shí)間資源。但是這里存在一個(gè)誤區(qū),該種結(jié)論是從發(fā)射波束本身來(lái)評(píng)判時(shí)間資源。而對(duì)于雷達(dá)而言,應(yīng)該從目標(biāo)的發(fā)現(xiàn)概率來(lái)評(píng)判是否節(jié)省時(shí)間資源。假定空間存在3個(gè)目標(biāo),分別處于不同的方位。模擬陣采用3個(gè)波束分時(shí)指向目標(biāo),完成目標(biāo)跟蹤。從信號(hào)的能量角度,三個(gè)脈沖的能量是獨(dú)立的。而采用數(shù)字陣,同一個(gè)脈沖時(shí)間內(nèi)發(fā)射3個(gè)波束,能量是分散的。數(shù)字陣發(fā)射的3個(gè)方向的脈沖如果要與模擬陣分時(shí)發(fā)射的脈沖達(dá)到相同的作用距離,就需要延長(zhǎng)脈沖長(zhǎng)度,而延長(zhǎng)的脈沖長(zhǎng)度與模擬陣順序分別發(fā)射三個(gè)脈沖所占時(shí)間資源相同。由此來(lái)看,在相同檢測(cè)概率的情況下,模擬陣的順序脈沖發(fā)射,與數(shù)字陣的同時(shí)多脈沖發(fā)射,所占的時(shí)間資源是相同的,數(shù)字陣多波束發(fā)射并不存在時(shí)間資源優(yōu)勢(shì)。1.7stc的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償數(shù)字陣的波束合成在AD之后,因此,在波束指向的方向,由于波束的合成,信號(hào)動(dòng)態(tài)被擴(kuò)展,主瓣方向的雜波動(dòng)態(tài)也同時(shí)獲得了擴(kuò)展。但是在波束的副瓣方向,如果存在干擾和雜波,由于沒有相應(yīng)的AD后增益,因此動(dòng)態(tài)沒有擴(kuò)展。所以數(shù)字波束合成的動(dòng)態(tài)擴(kuò)展沒有擴(kuò)展副瓣進(jìn)入干擾的動(dòng)態(tài)。為了保證系統(tǒng)的抗干擾能力,系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí),數(shù)模轉(zhuǎn)換AD的有效位數(shù)不能較常規(guī)的模擬有源相控陣減少。從上述的分析可以看出,如果數(shù)字陣?yán)走_(dá)工作環(huán)境的副瓣雜波較強(qiáng),則需要時(shí)間增益控制(STC)。在STC的過程中,數(shù)字陣接收通道的增益將發(fā)生變化,相位也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化。因此STC將影響波束合成的形狀。應(yīng)該對(duì)STC不同增益時(shí)的通道幅度和相位一致性進(jìn)行修正,這與前面提到的超低副瓣問題是相似的。補(bǔ)償過程還要配合STC增益碼,系統(tǒng)復(fù)雜度增高。而在模擬有源相控陣中則不會(huì)存在這個(gè)問題,因?yàn)樵擃愊到y(tǒng)中,波束合成發(fā)生在接收機(jī)通道STC之前。1.8多波束組成的接收在模擬有源陣中,很容易實(shí)現(xiàn)多個(gè)工作頻點(diǎn)同時(shí)跟蹤目標(biāo)。比如,在幾個(gè)需要跟蹤的方向,順序發(fā)射不同頻點(diǎn)的信號(hào),多波束系統(tǒng)同時(shí)實(shí)現(xiàn)幾個(gè)波束,指向不同的方向接收信號(hào),這時(shí)相應(yīng)波束的接收機(jī)工作在不同的頻帶上。這樣做是基于接收機(jī)的路數(shù)很容易增加。比如和、俯仰差和方位差3個(gè)通道,分別工作在3個(gè)頻點(diǎn),接收機(jī)只要9路即可。如果是數(shù)字陣,假定陣面5000個(gè)單元,單頻點(diǎn)工作,本身接收機(jī)就要5000路,如果同時(shí)工作在3個(gè)頻點(diǎn),就需要15000路接收機(jī),規(guī)模的增加是難以接受的。這是模擬陣比數(shù)字陣具有的優(yōu)勢(shì)之一。1.9混頻濾波器的應(yīng)用隨著AD采樣速率的不斷提高,在較低的頻段,如P、L等波段,“直接射頻采樣”成為可能。該技術(shù)有效的提升了系統(tǒng)的數(shù)字化程度。直接射頻采樣仍然需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大、濾波等。由于AD位數(shù)的限制,雷達(dá)動(dòng)態(tài)的需求使得增益控制仍然是必要的。對(duì)于原先的接收通道而言,只是省去了下變頻模塊。省去下變頻模塊是否真的獲得優(yōu)勢(shì)呢?這要具體分析。混頻,可以將較寬帶寬內(nèi)的信號(hào)混到某一個(gè)頻點(diǎn),從而使用同一個(gè)濾波器可以完成濾波。就P波段雷達(dá)而言,一般工作頻段帶寬超過100MHz,有眾多窄帶工作頻點(diǎn)。不采用混頻,對(duì)于每個(gè)窄帶工作頻點(diǎn),就必須放置相應(yīng)的窄帶濾波器,以濾除帶外干擾。在不采用混頻的情況下,如果雷達(dá)具有幾十個(gè)工作頻點(diǎn),就需要幾十個(gè)窄帶濾波器,成本很高,設(shè)備量也很大,使用也不方便。如果采用了混頻,只要一個(gè)混頻濾波器即可,系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單,成本低。因此省去混頻的直接射頻采樣可能造成系統(tǒng)更為復(fù)雜。將數(shù)字有源相控