标题：数字阵列雷达
介绍
根据波束形成机理,接收波束和发射波束都可以通过数字技术来形成。接收和发射波束均以数字方式形成的全数字化阵列天线雷达就称作数字阵列雷达。数字阵列雷达的基本结构下图所示,一般由天线阵列、数字发射/接收(T/R)组件、时钟、数据传输系统、数字处理机组成。T/R组件模块是数字阵列雷达的核心,它把发射机、接收机、激励器和本振信号发生器集为一体,成为一个完整的发射机和接收机分系统。　　
发射时,由实时信号处理机产生每个天线单元的幅相控制字,对各T/R组件的信号产生器进行控制,产生一定频率、相位、幅度的射频信号;再输出至对应的天线单元,最后由各阵元的辐射信号在空间合成所需的发射方向图。 
接收时,每个T/R组件接收天线各单元的微波信号,经过下变频形成中频信号,再经中频采样处理后输出回波信号;多路数字化T/R组件输出的大量回波数据,通过高速数据传输系统传送至实时信号处理机,实时信号处理机完成自适应波束形成和软件化信号处理。 
与采用模拟器件来实现波束形成的传统相控阵雷达相比,数字阵列雷达具有很多优点:易于实现超低收发副瓣;波束扫描速度快(低于微秒量级),信号处理方式灵活,可以同时发射、接收多波束,自适应零点形成易于抗干扰,模块之间的幅相校正较为简单;可以利用直接频率合成技术,产生各种具有复杂编码波形的发射信号,被截获的概率低,不用移相器,雷达的整机功耗低、可靠性高。
关键技术
数字T/R组件
直接频率合成(DDS)的幅度和相位近似连续可调,可用于数字阵列雷达的波形产生和幅相调整。基于直接频率合成的数字T/R组件是数字阵列雷达的关键部分之一,包括了频率源、直接频率合成、功放、混频、滤波、模数变换等部件,有集中式频率源、分布式频率源等多种实现方式。研究重点主要有体系结构、基于直接频率合成的发射信号产生与幅相控制技术、数模一体化设计理论、组件的一致性和稳定性等。 
数字波束形成校正技术
数字阵列发射通道和各接收通道间存在幅相误差,会对波束副瓣电平产生影响,应对其进行校正。 
发射通道校正有远场校正和内部校正两种方式。远场校正是让每个通道依次通过天线所发射的信号,再把远场接收的发射信号与参考信号比较,得到各发射通道的幅相误差。将此误差代入直接频率合成部件即可修正各发射支路的幅相误差。内部校正是将发射信号从天线耦合端耦合出来,经矩阵开关依次切换各路信号,再把矩阵开关的输出与参考信号相比较得到发射通道的幅相误差。此误差再加上天线、矩阵开关等固定误差,更得到等效的远场校正误差。 
接收通道校正同样有远场校正和内部校正两种方式。远场校正是将校正信号从远场发射,经天线、接收机至采集卡,然后在计算机内对接收通道的幅相误差进行分析。内部校正是将校正信号从功分网络馈入天线的耦合器,经天线耦合端、接收机至采集卡,由计算机分析各通道的幅相误差,依此进行天线、功分网络等固有误差的修正,然后才能得到等效的系统误差。接收通道的幅相误差最终将在数字波束形成器中加以修正。
宽带数字波束形成技术
采用宽带波形可达到高的距离分辨率,有助于目标识别,从而适用子弹道导弹防御系统等场合。实现宽带数字波束形成,一是天线系统和射频组件的频带要相当宽,二是雷达必须具有大的瞬时带宽,三是要进行高速数字信号处理。通过控制每个数字组件直接频率合成的时间延迟和起始相位,可以实现宽带发射和接收。当然,由于带宽的增大,迫切需要解决宽带数字波束形成存在的巨大的运算量问题。 
  
大容量高速数据传输技术
大容量高速数据传输是实现数字阵列单元(DAU)与数字处理系统之间的数据交换是必不可少的。有多种办法来实现大容量高速数据传输,例如采用光纤和低压差分传输(LVDS),传输速率都能达到几百兆。LVDS是一种小振幅差分信号技术,使用非常低的幅度信号(约350毫伏),通过一对差分印刷电路板走线或平衡电缆来传输数据。它允许单个信道的传输数据率达到每秒数百兆比特。与LVDS相比,光纤传输具有传输距离远、传输数据率高、延迟低、重量轻、保密性能好等优点,传输数据率可达千兆以上。
高性能软件化信号处理机
数字阵列雷达的任务控制、时序产生、校正处理、波束控制、目标跟踪和显示处理等工作,需要一个功能强大的处理平台——采用总线结构的高性能信号处理机。
早期概念研究阶段
早期的数字波束形成雷达研究
早在上个世纪60年代,人们就开始研究利用数字处理技术来形成波束。根据波束形成机理,数字波束形成在发射和接收模式下均可实现,但一般认为在接收模式下更能发挥其优点,也较容易实现。所以,初期研究主要集中在接收数字波束形成上,应用领域为声纳和雷达。 
前西德的ELRA相控阵雷达是最早的接收数字波束形成雷达。此后,美、英、法、日、荷兰、瑞典等国相继开展了接收数字波束形成雷达的研究,中国华东电子工程研究所也于80年代末建成了我国第一个数字波束形成雷达试验台。七八十年代开展的这类研究基本上都是一些试验和验证系统。八九十年代,一批工程实用化数字波束形成雷达开始装备使用,主要有:荷兰的MW08、SMART-L、SMART-S舰载多波束三坐标雷达;美国的AN/TPS-71可移动式超视距雷达(ROTHR);日本的OPS-24舰载有源相控阵雷达;瑞典爱立信公司的“长颈鹿”系列敏捷多波束雷达。90年代以后,各种性能先进的试验型数字波束形成雷达的研究更加广泛深入,有代表性的是英国多功能电扫描自适应雷达(MESAR)、它的舰载衍生型—— 
有源多功能相控阵雷达(S AM P S O N及其简化版SPECTAR),以及与国际合作的宽带自适应数字波束形成(ADBF)雷达等。以上这些研究,为真正意义上的收发全数字波束形成的数字阵列雷达的研究打下了基础。 
数字阵列雷达概念的研究
相控阵天线赖以实现电子扫描的移相过程,最后可能成为一个数字过程,包括收/发两种状态的波束控制和形成。随着现代战争对雷达性能要求的不断提高以及数字处理技术的日益成熟,人们自然将眼光投向数字阵列雷达的研究。 
在休斯飞机公司1989年申请的发明专利中,提出了采用数字波束形成技术实现多个独立发射波束的方法,系统采用数字波形产生器来产生发射所需波形的数字化时间采样。我国华东电子工程研究所于1993年提出了“直接数字波束控制系统”的概念,利用直接频率合成的相位可控性来实现对相控阵发射波束的控制。美国海军研究局80年代开展数字阵列雷达的先期概念研究,于2000财年正式立项开展全数字波束形成的数字阵列雷达的研究。
关键技术研究阶段
随着数字处理技术的发展,数字阵列雷达的研究进入到关键技术研究阶段。研究工作集中于发射波束形成技术和数字收发组件,主要有: 
(1)英国罗克马诺尔研究中心的全数字T/R组件研究。
该中心最早提出了数字T/R组件的概念,并对基于直接频率合成的相控阵全数字T/R组件进行了深入的研究。为验证数字组件用于雷达设计的可行性,该公司开发了一个收/发全数字波束形成验证系统。试验阵采用13个数字组件,用400兆赫的P1esseySP2002芯片作为波形发生器。 
(2)中国华东电子工程研究所的发射数字波束形成研究。在概念研究的基础上,该所对基于直接频率合成的数字T/R组件进行了深入研究;1998年研制出4单元数字波束形成发射阵,可以形成发射和波束、差波束及低副瓣的方向图。 
(3)美国AIL系统公司的数字波束形成发射天线研究。在空军项目资助下,该公司对基于直接频率合成的相控阵天线进行了研究。该天线的接收波束和发射波束均以数字方式实现。数字直接频率合成器由存有时间和相位延迟信息的一个通用数字处理器进行编程,形成所需的天线方向图。接收时,经模拟/数字转化后的信号在预处理器进行时间和相位延迟处理。 
(4)美国应用雷达公司的数字阵列研究。美国应用雷达公司正在开展多项数字阵列雷达天线的研究。其中,为导弹防御局研究的是宽带数字波束形成雷达,其发射亦采用数字波束形成技术,为美空军研究实验室研制的是用于雷达和通信的x波段数字发射组件。 
(5)法国NetLander计划的探地雷达研究。该雷达是拟于2007年发射的“NetLander”火星探测系统计划中的一个研究项目,用于探测地表地下水的存在以及火星临界频率(据信昼夜之间临界频率在3～0.5兆赫)。该雷达的接收和发射都采用数字波束形成技术,核心部件是一个采用“甚高速集成电路硬件描述语言”(VHDL)编程的现场可编程门阵列,可完成数字波形产生、雷达工作控制、选通信号相干积累等任务。采用全数字技术使得雷达极为紧凑,可集成在2块15×13厘米的印刷电路板上,包括天线在内重量不超过500克。 
(6)中国南京电子技术研究所的数字T/R研究。该所研究数字T/R组件在雷达中的应用,构建了一个基于直接频率合成的4单元L波段相控阵发射阵试验台,对相关技术进行实验研究。 
除上述研究外,各国还积极开展了用于通信等领域的数字T/R组件、发射数字波束形成等研究。
实验系统研究阶段
中国华东电子工程研究所
在成功研制了数字T/R组件和4单元数字波束形成发射阵之后,该所又于2000年研制成功8单元一维收/发全数字波束形成试验系统,并形成了低副瓣发射波束及发射波束零点,完成了接收数字波束形成。该系统是最早用于实际观察目标的数字阵列雷达实验系统,它可观察10千米内的汽车、飞机等目标。目前,性能更高、技术逐渐成熟的数字阵列单元正在研制之中,系统正向实用化迈进。
美国海军的数字阵列雷达
为满足舰载雷达在强杂波下探测小目标、对付多个干扰源的要求,美海军研究局于2000财年启动了数字阵列雷达开发计划,正式开展了全数字波束形成雷达的研究,目的是促进美国海基L、S和X波段数字波束形成雷达采用民用技术。参加研究的3个主要单位为美国海军实验室、美国海军水面战中心达尔格仑分部(NSWCDD)实验室和麻省理工学院林肯实验室。其中,阵列天线和微波T/R组件由林肯实验室承担,数字T/R和光纤链由海军研究实验室开发,现场可编程门阵列分析和数字波束形成设计则由NSWCDD实验室完成。这是一个较为完整的实验样机系统,其核心技术是基于直接频率合成的发射数字波束形成技术,以及基于模拟/数字转换的接收数字波束形成技术。此外,还进行了民用数字阵列雷达的研究。
应用
数字阵列雷达在对付外部电子干扰、实现同时多功能、对抗高速隐身目标、完成多目标精密跟踪以及分辨近距离真假目标等领域,有着极诱人的军事应用前景。主要有: 
(1)地面防空反导监视雷达。在对飞机和导弹等多目标进行搜索和跟踪的同时,有效地进行武器控制; 
(2)先进多功能机载预警雷达。宽带数字阵列可用于未来先进机载预警雷达,从而提供良好的抗干扰性能,解决现有预警机在强干扰情况下的探测性能。同时,宽带系统可以提供更多的目标信息,实现对空探测和对地探测相结合、目标探测和目标识别相结合、多目标探测和多目标跟踪相结合。大的带宽也利于未来机载预警机的电子战、通信和雷达的一体化设计; 
(3)战场监视雷达。可实现单部雷达的多功能; 
(4)超视距雷达。单部雷达能同时对视距外飞机、舰船和弹道导弹,以及海洋气象进行观测。
发展
目前,数字阵列雷达还处于实验研究阶段。随着高性能数字硬件和数字处理技术的不断发展,真正意义上的数字阵列雷达将会很快进入实用研究阶段。未来雷达利用通用硬件平台,可以通过不同的软件编程实现单部雷达的多功能化,可以通过网络软件实现多部雷达的组网以及对节点雷达体制、工作方式、工作频段、信号参数和处理方法实施可编程控制。通用、灵活、高性能、低成本的软件化雷达将是数字阵列雷达未来的发展方向。