深入了解掃描陣列雷達信號處理

　　主動(dòng)電掃描陣列 (AESA) 雷達是當今先進(jìn)武器系統的關(guān)鍵組成 ， 特別是機載作戰系統。而其體系結構的未來(lái)發(fā)展將超越最初的軍事應用，延伸到地球物理測繪、汽車(chē)輔助駕駛、自動(dòng)車(chē)輛、工業(yè)機器人和增強現實(shí)等領(lǐng)域：實(shí)際上， 這包括任何需要對大量的傳感器數據進(jìn)行調理，融合到模型中進(jìn)行判決的應用。

　　隨著(zhù) AESA 體系結構的擴展 ， 它們將突破雷達信號處理專(zhuān)業(yè)應用 ， 延伸到其他應用中。在外部應用中，這些設計會(huì )遇到典型的嵌入式設計流程：以 CPU 和軟件為中心的，基于 C 的以及與硬件無(wú)關(guān)的。本文中，我們將介紹先進(jìn)的掃描陣列雷達，從經(jīng)驗豐富的雷達信號處理專(zhuān)家的角度以及傳統的嵌入式系統設計人員的角度來(lái)研究其體系結構。

　　典型系統的角色

　　掃描陣列和傳統移動(dòng)盤(pán)式雷達的不同在于天線(xiàn)。掃描陣列并沒(méi)有采用熟悉的連續旋轉拋物線(xiàn)天線(xiàn)，而是在大部分系統中采用了平面靜止天線(xiàn)。陣列并不是有一個(gè)單元聚 焦在反射器上，而是有數百上千個(gè)單元，每個(gè)單元都有自己的收發(fā)器模塊。系統電子電路處理每一單元信號的振幅和相位 ， 形成雷達波束和接收方向圖并聚焦 ， 設置定義總天線(xiàn)方向圖的干涉方向圖。

　　這一方法避免了采用大量的移動(dòng)部件，支持雷達實(shí)現傳統天線(xiàn)采用物理方法無(wú)法獲得的功能，例如，瞬 時(shí)改變波束方向，發(fā)送和接收同時(shí)有多個(gè)天線(xiàn)方向圖，或者把陣列分成多個(gè)天線(xiàn)陣，完成多項功能 —— 也就是，根據地形搜索目標，同時(shí)跟蹤目標。這些方法只需要在發(fā)送器增加一些信號，在每一接收器將信號分開(kāi)。重疊是一種很好的方法。

　　一個(gè)完整的系統從CPU簇傳輸到天線(xiàn)，然后再返回 ( 圖 1 ) 。 一開(kāi)始處理時(shí)，軟件控制的波形發(fā)生器產(chǎn)生系統要發(fā)送的啁啾。取決于應用，降噪、多普勒處理和隱身的需求會(huì )對信號有所損傷。

　　圖 1 .一個(gè)非常簡(jiǎn)化的 AESA 系統結構圖。

　　波形發(fā)生器將信號送到聚束網(wǎng)絡(luò )中。在這里，信號被連接至每一發(fā)送通道。在這一級，數字復用器在通道上應用振幅權重來(lái)實(shí)現空間濾波，對波形整形。這一步也可以 稍后再做。在很多設計中，每一通道的信號現在會(huì )通過(guò)一個(gè)數模轉換器 (DAC) ，然后輸入到模擬 IF 和 RF 上變頻器中。 RF 上變頻后，信號到達獨立的發(fā)送器模塊，附加上相移或者時(shí)延，調整振幅 ( 如果在基帶沒(méi)有做 ) ，最終進(jìn)行濾波和放大。

　　一開(kāi)始，接收到的信號實(shí)際上通過(guò)與反方向相同的通路，在后端要進(jìn)行更多的處理。在每一個(gè)天線(xiàn)單元，限幅器和帶通濾波器保護了低噪聲放大器。放大器驅動(dòng) RF 下變頻器，可以結合模擬放大和調相功能。信號從 IF 級傳輸到基帶，每一天線(xiàn)單元的信號到達其模數轉換器 (ADC) 。然后，聚束模塊把天線(xiàn)信號重新組合成一路或者多路復數數據采樣流，每一數據流代表了來(lái)自某一接收波束的信號。這些信號流通過(guò)大占空比的數字信號處理 (DSP) 電路，進(jìn)一步調理數據，進(jìn)行多普勒處理，嘗試從噪聲中提取出實(shí)際信號。

　　什么時(shí)候進(jìn)行數據轉換

　　在很多設計中，大部分信號處理工作是以模擬方式完成的。但是，隨著(zhù)數字速度的提高，功耗和成本的降低，數據轉換器與天線(xiàn)靠的越來(lái)越近。 Altera 應用專(zhuān)家 Colman Cheung 建議了一個(gè)理想的系統，直接從 DAC 驅動(dòng)天線(xiàn)單元。但是， 2013 年，這類(lèi)設計在技術(shù)上還無(wú)法實(shí)現，特別是， trans-GHz RF 。

　　目前可以把數據轉換器放在 IF 中，進(jìn)行 IF 頻率轉換，所有基帶處理工作都是數字化的 ( 圖 2 ) 。 可以在基帶聚束網(wǎng)絡(luò )中，以數字方式在天線(xiàn)單元之間產(chǎn)生干涉方向圖的時(shí)延，每一個(gè)天線(xiàn)單元并不需要模擬相移器或者延時(shí)線(xiàn)。這種劃分方法支持 DSP 設計人員把發(fā)送和接收通路分解成分立的功能 —— 乘法器、濾波器、用于延時(shí)的 FIFO ，以及加法器，在 MATLAB 中對其進(jìn)行建模，從庫中實(shí)現它們?？梢园岩笞羁量痰墓δ芊诺綄?zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)的 ASIC 、 FPGA 或者 GPU 芯片中，而把要求不太高的運算分組成 DSP 芯片或者加速器中的代碼。

　　圖 2 .把數據轉換器放到 IF 級的最后。

　　需要特別注意信號從聚束網(wǎng)絡(luò )出來(lái)后的接收鏈信號處理 ， 這是因為其存儲器和處理需求會(huì )非常大 ， 涉及到的動(dòng)態(tài)范圍非常寬 —— 從干擾發(fā)射器輸入到搜索探測范圍的每一邊沿。會(huì )需要高精度浮點(diǎn)硬件，還需要更強的處理能力。

　　在其最后級，有目的的對接收鏈進(jìn)行修改并實(shí)現。通過(guò)其濾波、聚束和脈沖壓縮級，鏈的任務(wù)是從噪聲中提取出信號，特別是那些可能承載了環(huán)境中實(shí)際目標信息的信號。然后，重點(diǎn)從信號轉向它們所代表的目標，任務(wù)的本質(zhì)發(fā)生了改變。