数字脉压有源相控阵雷达接收机动态问题

数字脉压有源相控阵雷达接收机动态问题Ξ 胡 　进 (驻南京地区第二军代表室 　南京 210013) 【摘要】　分析了数字脉压固态有源相控阵雷达接收机的组成特点 ,各级电路动态范围及系统总动态范围间的关系 , 介绍了该体制接收系统动态范围的测试方法等。 【关键词】　相控阵雷达 ,接收机 ,数字脉压 ,动态范围 Question about the Dynamic Domain of the Receiver with Digital Pules2compression for Active Solid Phased Array Radar HU Jin ( The Second Military Representative Office in Nanjing Area 　Nanjing 210013) 【Abstract】　The systematical feature of a receiver with digital pules2compression for active solid phased array radar is analyzed. The relationship between the dynamic domain of every step circuits and the dynamic domain of general system is discussed. The method of measuring dynamic domain of receiver of this kind system is introduced 【Key words】　phased array radar , receiver , digital pules2compression , dynamic domain 1 　引 　言 固态有源相控阵雷达接收机的分布式结构和数字 脉压处理均在接收机之后进行的特点决定了采用数字 脉压处理技术的固态有源相控阵雷达的接收系统动态 问题比采用传统的集中式接收机和模拟脉压处理技术 的雷达要复杂的多。对这一问题作深入探讨和分析 , 对此类雷达接收机动态的设计与测试十分重要。 典型的数字脉压固态有源相控阵雷达接收系统框 图如图 1 所示。由收发组件中的接收通道 (也称阵面 单元接收机) 、移相器、子阵求和网络、子阵接收机、波 束形成网络、通道接收机、AΠD 变换器、数字脉冲压缩 等部分组成。其中子阵求和网络用于各天线单元接收 信号的功率合成 ,波束形成网络用于形成雷达检测和 测角所需的和、差波束或比幅、比相多波束 ,它与子阵 求和网络一样都是无源和差加权网络 ;通道接收机为 接收机的主通道 ,完成对各波束信号的第二高放、混 频、中频放大、正交相检、零中频放大等功能。近年来 中频直接采样检波技术已经得到了广泛应用 ,此时通 道接收机中无需正交相检器 ,AΠD 变换与正交相检一 并完成。数字脉冲压缩处理器对各通道的数字信号进 行匹配滤波 ,将低峰值功率的大时宽视频信号压缩成 高峰值功率的窄脉冲视频信号。如果采用 DBF(Digital beam form) 技术 ,则无需波束形成网络 ,此时子阵接收 机与通道接收机合二为一 ,之后接中频 AΠD ,波束由后 续的数字波束形成网络产生。 2 　接收系统总动态、阵面总动态与阵面单元接 收机动态之间的关系 2. 1 　定义 为方便起见 ,我们将图 1 中 AΠD 变换器输出端之 前部分称之为雷达接收系统 (通常数字脉压部分归入 信号处理分系统) ,其动态为接收系统总动态 ;将通道 接收机输出端之前部分称之为雷达接收机 ,其动态为 接收机总动态 ;将通道接收机输入端之前部分称之为 阵面接收系统 ,其动态称为阵面总动态 ;将单个阵面单 元接收机的动态称之为阵面单元接收机动态。为实现 动目标显示 ,上述接收系统各级电路均必须是线性的 , 这是我们分析问题的前提。 2. 2 　相对于噪声的动态间的关系 按接收机动态范围的定义 ,接收机输入动态范围 为接收机输出端 (通常指中放输出端) 达到饱和时 (以 1dB 压缩为标准) 最大输入信号功率与最小可检测信 号功率之比 ,以对数形式表达为 : Di = 10lg ( PimaxΠPimin ) (dB) ;输出动态为输出端达到 1dB 压缩时最大输出信 号功率与最小可检测输出信号功率之比 ,即 Do = 10lg ( PomaxΠ Pomin ) (dB) 。因为接收机是线性的 , 　2003 年 5 月 现代雷达 第 5 期 Ξ 收稿日期 :2001212224 　　修订日期 :2002208219 图 1 　典型的数字脉压固态有源 相控阵雷达接收系统框图 显然 ,由于 Pomax = GPimax , Pomin = GPimin ,故 Do = Di ,其 中 G 为接收机功率增益 ,当最小可检测功率 Pomin 、 Pimin取噪声电平时 ,即为相对于噪声的动态范围。同 样 ,组成接收系统的各级电路 ,如第一高放、第二高放、 中视频放大器的输入、输出动态范围应相互匹配 ,即都 应等于接收机总的输入、输出动态范围。如果各级电 路的动态不相匹配 ,则系统动态取决于其中较低值。 假设天线阵面子阵数为 m 个 ,每个子阵所含天线 单元数均为 k 个 ,各阵面单元接收机的等效输入噪声 功率为 N ij ( i = 1、2、···、k , j = 1、2、···、m ,所谓等效 输入噪声是雷达接收机内部总噪声折合到每个阵面单 元接收机输入端的数值) ,最大输入信号幅度为 Uijmax (当各单元输入信号幅度达到此值时 ,各单元接收机输 出端达到 1dB 压缩) ,则单元接收机的输入动态为 Dij = U2ijmaxΠN ij ;经过子阵求和网络后 ,假设网络为线性求 和 (不加权) ,则在子阵接收机输入端信号按幅度叠加 , 其功率为 U2SAR j = ( kUijmax GijL j ) 2 = k2 ( GijL j ) 2 U2ijmax (1) 其中 Gij为阵面单元接收机幅度增益 (高放增益减去环 行器 、限幅器、滤波器及移相器损耗) ,L j 为子阵求和 网络幅度损耗 (含子阵接收机前端环行器损耗) ;而噪 声则按功率叠加 ,其功率为 NSAR j = kN ij ( GijL j ) 2 = k ( GijL j ) 2 N ij (2) 这样子阵接收机输入端信噪比为 U2SAR jΠNSAR j = k ( U2ijmaxΠN ij ) = kDij (3) 此时由于各阵面单元接收机输出端达到 1dB 压 缩 ,子阵接收机输入端信号电平也达到 1dB 压缩 ,故子 阵接收机输入动态 DSAR j应大于或等于此值 ,方与前级 电路动态相匹配 ,取 DSAR j = kDij , 此时子阵接收机输 出端也即阵面接收系统输出端也达到 1dB 压缩。阵面 接收系统输出端 (通道接收机输入端)最大信号功率为 　　U2zomax = ( mUSAR j GjL ) 2 = ( mL ) 2 ( kUijmax GijL j Gj ) 2 = ( km) 2 ( Gij GjL jL ) 2 U2ijmax (4) 其中 Gj 为子阵接收机的幅度增益 ;L 为波束形成网络 的幅度损耗。而噪声功率为 Nzo = mNSAR j ( GjL ) 2 = m ( GjL ) 2 kN ij ( GijL j ) 2 = km ( Gij GjL jL ) 2 N ij (5) 这样 ,阵面接收系统输出动态即阵面总输出动态 Dzo = U 2 zomaxΠNzo = km ( U2ijmaxΠN ij ) = kmDiji = mDSAR j (6) 显然若将阵面接收系统 (通道接收机之前的阵面 设备 ,含所有阵面单元接收机、移相器、子阵求和网络、 子阵接收机和波束形成网络) 等效为一个集中式线性 接收机 ,则该接收机的输入动态 Dzi = Dzo = Dz ,即阵 面总动态 Dz 为子阵接收机动态的 m 倍 ,为单元接收 机动态的 km 倍 ( km 为阵面单元接收机的总数) 。换 句话说 ,相控阵雷达阵面单元接收机的输入动态可以 比所需的阵面总动态低 km 倍 ,或 10lg km (dB) ,而子阵 接收机的输入动态则可以比所需的阵面总动态低 m 倍 ,或 10lg m (dB) 。若雷达系统所需的阵面总动态为 Dz ,通道接收机相对于噪声的动态为 Dt ,AΠD 变换器 为 DAΠD ,则接收系统设计时应使 DAΠD ≥Dt ≥Dz , DSAR j ≥DzΠm , Dij ≥DzΠkm。此时 ,接收系统总动态、接收机 总动态、阵面总动态均相等 ,否则接收系统总动态等于 其中的最小值。 2. 3 　相对于最小可检测信号的动态间的关系 当采用脉冲压缩体制时 ,假设系统最大脉压得益 (信号的时宽带宽积)为 P(dB) ,则在阵面输出端 (通道 接收机输入端亦即等效集中式阵面接收机输出端) 最 小可检测信号可以比噪声电平低 P (dB) ,阵面输入端 (等效集中式阵面接收机输入端)总的最小可检测信号 亦如此。阵面单元接收机输入端等效噪声电平、最小 可检测信号电平及最大输入信号电平 (阵面输出端 1 dB 压缩时的单元接收机输入信号电平) 之关系见图 2 (a) ,阵面总等效输入噪声电平 (等效集中式阵面接收 机输入端噪声电平) 、最小可检测信号及最大输入信号 25 现代雷达 25 卷 之关系见图 2 ( b) 。由图 2 可见 ,由于信号按幅度叠 加 ,噪声按功率叠加 ,阵面单元接收机输入端最小可检 测电平和最大信号电平比等效集中式阵面接收机输入 端最小可检测电平和最大信号电平均低 10lg( mk) 2 dB , 而噪声则只低 10lg mkdB ;等效集中式阵面接收机输入 端最小可检测电平可比噪声电平低 P (dB) ,故阵面单 元接收机输入端最小可检测电平可比噪声电平低 P (dB) + 10lg km (dB) ;显然 ,阵面单元接收机相对于最小 可检测信号的输入动态等于等效集中式阵面接收机相 对于最小可检测信号的输入动态 ,即 ÛDz = ÛD ij 。 (a) 阵面单元接收机　　　(b) 　等效集中工阵面接收机 输入端各电平关系　　　　输入端各电平关系 图 2 　阵面单元接收机与等效集中式阵面 接收机输入端各电平及动态之关系 3 　AΠD 变换器的动态设计 3. 1 　AΠD 变换器动态范围与位数的关系 AΠD 变换器的位数一般为 12 位～16 位 ,其中最高 位为符号位 ,其余为信号位。这样 AΠD 的最小输入信 号幅度 Uimin为最低位置 1 ,不逸出最大输入信号幅度 Uimax为除符号位外其余各位全部置 1。Uimax与 Uimin的 关系为 : Uimax = (2 n - 1 - 1) Uimin ,其中 n 为 AΠD 变换器 的位数。这样 AΠD 的动态范围为 : D = 20lgUimaxΠUimin = 20lg(2 n - 1 - 1) (dB) 。当 n µ 1 时 ,上式可简化为 : D = 20lg(2 n - 1 ) (dB) . 显然 ,信号位每增加 1 位 ,动态增加 6dB。由上述分析可看出 ,AΠD 变换器的动态范围只取 决于其位数 ,而与其它因素无关。 3. 2 　AΠD 变换器噪声位的选取原则 由于数字脉冲压缩处理在 AΠD 变换之后进行 ,AΠ D 变换器设计时必须考虑低于噪声的小信号。原则是 比噪声电平低一个脉压得益范围内的小信号 ,即在 ( N - P) ≤Ui ≤N 范围内小信号均应能检测。这样 AΠ D 变换器噪声所占位数 k 与脉压得益的关系为 : P = 20lg(2 k - 1) . 若取噪声位 k 为 4 位 ,则 AΠD 变换器能 适应的最大脉压得益为 23. 5dB ; k 每增加 1 位 AΠD 能 适应的最大脉压得益增加 6dB。 由于 AΠD 变换器每增加 1 位 ,其动态范围只增加 6 dB ,受器件水平限制 ,位数不可能很高 ,这样 AΠD 动 态是制约系统动态提高的瓶颈 ,如 12 位 AΠD 的动态为 66dB ,雷达系统的最大线性动态也只能为 66dB。而雷 达系统实际动态要求达 90dB～120 dB ,因此高于 AΠD 动态部分的系统动态就要靠采用对数放大器、STC (Sensitivity Time control)等手段去实现。在动目标显示 雷达中接收机必须是线性的 ,否则将造成杂波谱展宽 , 对消剩余加大 ,杂波中目标可见度降低 ,故不能采用对 数放大器 ,只能用 STC去实现要求的大动态范围。 4 　阵面单元接收机动态、阵面总动态、接收机 总动态及接收系统总动态的测试 4. 1 　相对于噪声的阵面单元接收机线性动态的测试 如前所述 ,阵面单元接收机动态范围在设计时可 以比要求的阵面总动态范围低 10lgkm (dB) ,因此可以 对每个阵面单元接收机的动态进行测试 ,只要其数值 大于 DZ210lg km (dB) 即满足系统要求。测试框图如 图 3 所示。测试方法如下 :将高频信号源接到任一个 阵面接收单元输入端 ,该单元 STC 处于直通状态 ,输 出端接频谱仪。阵面接收单元及仪表加电 ,将信号源 输出频率调至雷达工作带宽内任一频率点并以连续波 输出 ,在频谱仪上观察输出频谱及其中心点 dB 数 ;增 加信号源输出功率 ,直至输出频谱中心点处出现 1dB 压缩 ,读出此时信号源输出功率分贝数 A ;根据公式 Dij = A - KT0 B FN ,计算出其相对于噪声的输入动态。 式中 ,K为波尔兹曼常数 , T0 为室温的绝对值 , B 为雷 达接收机中频带宽 , FN 为该单元接收机的噪声系数。 注意 :此噪声系数应为噪声源接到该单元输入端 ,在其 它阵面单元接收机断电而子阵求和网络后续电路正常 工作时在通道接收机输出端测得的噪声系数 ,即考虑 后续电路影响的噪声系数 ,因为在前面的分析中 ,阵面 单元接收机等效输入噪声定义为接收机内部总噪声折 合到单元接收机输入端的数值。要完成所有阵面接收 单元的测试 ,上述工作需重复 k ×m 次。 图 3 　阵面单元接收机动态范围测试框图 4. 2 　相对于噪声的阵面总线性动态、接收机总线性动 态及接收系统总线性动态的测试 由于阵面有 k ×m 个接收单元 ,不可能在每个接 收单元上同时接入信号源并同步输入相同的信号电 平 ,因此采用接入信号源的方法来测阵面总动态是不 现实的。本文介绍一种测试方法。其测试框图如图 4 所示。采用大功率的信号源外接方位和仰角均为宽波 束的辐射天线 (如功率不够可先接功率放大器后再接 35第 5 期 胡 　进 :数字脉压有源相控阵雷达接 收机动态问题 天线) ,波束形成网络输出端 (即通道接收机输入端)接 示波器或频谱仪 ,接收机中所有 STC 均处于直通状 态 ;接收机及仪表通电 ,将信号源输出信号频率调至雷 达工作带宽内的任一频率点 ,将其辐射天线指向天线 阵面 ,在示波器或频谱仪上观察输出信号幅度 ,通过调 节信号源辐射天线的高度、指向 ,使得其波束落入雷达 天线法向主波束内 ;为使各阵面单元接收机接收的信 号电平相当 ,信号源辐射天线应距雷达天线尽可能达 到或超过远场界条件 ,即 R ≥2 d2Πλ,其中 d 为雷达天 线阵面长或高中较大尺寸者 ,λ为雷达工作波长 ;逐渐 增加信号源输出功率直至示波器或频谱仪上的输出信 号电平达到 1dB 压缩 ,读出其显示的信号电平 dB 数 A ;关闭信号源 ,读出噪声电平 dB 数 Z ,则 DZ = A - Z 即为阵面相对于噪声的总线性输出动态 ,也即其相对 于噪声的总线性输入动态。若将示波器或频谱仪接到 通道接收机输出端 ,重复上述步骤则可测出接收机相 对于噪声的总线性动态范围。测出的接收机总线性动 态如不小于 AΠD 变换器噪声以上位的线性动态 20lg (2 n - k - 1 - 1) ,则系统的总动态等于 AΠD 变换器噪声以 上位的线性动态 ,否则接收系统的总线性动态将低于 AΠD 变换器的噪声以上位的线性动态 ,造成 AΠD 资源 的浪费。需要说明的是这种测试方法中的噪声电平包 含了天线噪声和环境噪声 ,比接收机自身的噪声要大 一些 ,因此测出的动态比按定义的实际动态要低一些。 图 4 　阵面总动态范围测试框图 4. 3 　相对于最小可检测信号的各级线性动态和总动 态的推算 根据图 2 可方便地推算出相对于最小可检测信号 的各级线性动态。阵面接收单元相对于最小可检测信 号的线性动态为 ÛD ij = Dij + P + 10lg mk ,阵面相对于 最小可检测信号的总线性动态为 ÛD Z = DZ + P ,同样 , 通道接收机相对于最小可检测信号的线性动态为 ÛD t = D t + P ;而 AΠD 变换器相对于最小可检测信号的线 性动态则为 ÛDAΠD = 20lg (2 n - 1 - 1) ,接收系统相对于最 小可检测信号的总线性动态 ÛD线总 为其中的较小者。 接收系统总动态为 : D总 = ÛD线总 + S高max + S中max ,其中 S高max为设置在阵面接收单元或子阵接收机中的高频 STC衰减量的最大值 , S中max为设置在通道接收机中的 中频 STC衰减量最大值。 5 　结束语 数字脉压固态有源相控阵雷达接收机与普通雷达 接收机的主要差别在于其阵面部分是分布式的 ,由于 积累效应使得阵面单元接收机的动态可以比所要求的 接收机总动态低 mk 倍或 10lg mkdB ;同时 AΠD 变换器 总数据位及噪声位的选取必须与要求的系统动态和脉 压得益相匹配 ,这是提高系统动态的瓶颈。 参 　考 　文 　献 1 　张光义. 相控阵雷达系统. 北京 :国防工业出版社 ,1994 2 　西北电讯工程学院. 雷达系统. 北京 :国防工业出版社 , 1980 胡 　进 　1962 年生 ,1983 年毕业于解放军电子工程学院雷 达工程专业 ,高级工程师 ,中国电子学会高级会员。长期从事 雷达总体技术工作 ,曾获国家科技进步二等奖、军队科技进步 一等奖各一项 ,在省部级以上学术刊物发表论文十余篇 ,与他 人合著有《雷达综合技术保障工程》一书。 大量采用“非接触式”精确打击武器 近年来 ,精确制导武器在命中精度、制导方式、投 掷距离等方面均取得了飞速发展。海湾战争中 ,精确 制导武器仅占全部投弹量的 8 % ,致使投弹平均命中 率仅为 30 % ;到“沙漠之狐”行动时 ,精确制导武器已 上升到 95 % ,命中率达到 90 %以上 ,总毁伤率则达到 87 % ,对单个目标的平均用弹量由海湾战争的 22 枚减 至 10 枚 ;而在“联盟力量”行动中 ,精确制导武器则占 到 98 % ,发挥了主导作用。实践证明 :采用“非接触 式”精确打击战术 ,不仅作战效益高 ,而且还可最大限 度地减少附带损伤。可以断言 ,在未来高技术局部战 争中 ,防区外发射、超视距精确打击将成为空袭作为的 主要攻击方式。 (雷迅供稿) 45 现代雷达 25 卷