AESA雷達(dá)信號處理及體系結(jié)構(gòu)

主動電掃描陣列（AESA）雷達(dá)是當(dāng)今先進(jìn)武器系統(tǒng)的關(guān)鍵組成，特別是機(jī)載作戰(zhàn)系統(tǒng)。而其體系結(jié)構(gòu)的未來發(fā)展將超越最初的軍事應(yīng)用，延伸到地球物理測繪、汽車輔助駕駛、自動車輛、工業(yè)機(jī)器人和增強(qiáng)現(xiàn)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(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)理，融合到模型中進(jìn)行判決的應(yīng)用。

隨著AESA體系結(jié)構(gòu)的擴(kuò)展，它們將突破雷達(dá)信號處理專業(yè)應(yīng)用，延伸到其他應(yīng)用中。在外部應(yīng)用中，這些設(shè)計(jì)會遇到典型的嵌入式設(shè)計(jì)流程：以CPU和軟件為中心的，基于C的以及與硬件無關(guān)的。本文中，我們將介紹先進(jìn)的掃描陣列雷達(dá)，從經(jīng)驗(yàn)豐富的雷達(dá)信號處理專家的角度以及傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員的角度來研究其體系結(jié)構(gòu)。

典型系統(tǒng)的角色

掃描陣列和傳統(tǒng)移動盤式雷達(dá)的不同在于天線。掃描陣列并沒有采用熟悉的連續(xù)旋轉(zhuǎn)拋物線天線，而是在大部分系統(tǒng)中采用了平面靜止天線。陣列并不是有一個(gè)單元聚焦在反射器上，而是有數(shù)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(tǒng)電子電路處理每一單元信號的振幅和相位，形成雷達(dá)波束和接收方向圖并聚焦，設(shè)置定義總天線方向圖的干涉方向圖。

這一方法避免了采用大量的移動部件，支持雷達(dá)實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)天線采用物理方法無法獲得的功能，例如，瞬時(shí)改變波束方向，發(fā)送和接收同時(shí)有多個(gè)天線方向圖，或者把陣列分成多個(gè)天線陣，完成多項(xiàng)功能——也就是，根據(jù)地形搜索目標(biāo)，同時(shí)跟蹤目標(biāo)。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。重疊是一種很好的方法。

一個(gè)完整的系統(tǒng)從CPU簇傳輸?shù)教炀€，然后再返回（圖1 ）。一開始處理時(shí)，軟件控制的波形發(fā)生器產(chǎn)生系統(tǒng)要發(fā)送的啁啾。取決于應(yīng)用，降噪、多普勒處理和隱身的需求會對信號有所損傷。


圖1 .一個(gè)非常簡化的AESA系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(shù)字復(fù)用器在通道上應(yīng)用振幅權(quán)重來實(shí)現(xiàn)空間濾波，對波形整形。這一步也可以稍后再做。在很多設(shè)計(jì)中，每一通道的信號現(xiàn)在會通過一個(gè)數(shù)模轉(zhuǎn)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(dá)獨(dú)立的發(fā)送器模塊，附加上相移或者時(shí)延，調(diào)整振幅（如果在基帶沒有做），最終進(jìn)行濾波和放大。

一開始，接收到的信號實(shí)際上通過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)天線單元，限幅器和帶通濾波器保護(hù)了低噪聲放大器。放大器驅(qū)動RF下變頻器，可以結(jié)合模擬放大和調(diào)相功能。信號從IF級傳輸?shù)交鶐?，每一天線單元的信號到達(dá)其模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）。然后，聚束模塊把天線信號重新組合成一路或者多路復(fù)數(shù)數(shù)據(jù)采樣流，每一數(shù)據(jù)流代表了來自某一接收波束的信號。這些信號流通過大占空比的數(shù)字信號處理（DSP）電路，進(jìn)一步調(diào)理數(shù)據(jù)，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(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

在很多設(shè)計(jì)中，大部分信號處理工作是以模擬方式完成的。但是，隨著數(shù)字速度的提高，功耗和成本的降低，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器與天線靠的越來越近。Altera應(yīng)用專家Colman Cheung建議了一個(gè)理想的系統(tǒng)，直接從DAC驅(qū)動天線單元。但是，2013年，這類設(shè)計(jì)在技術(shù)上還無法實(shí)現(xiàn)，特別是，trans-GHz RF.

目前可以把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器放在IF中，進(jìn)行IF頻率轉(zhuǎn)換，所有基帶處理工作都是數(shù)字化的（圖2）?？梢栽诨鶐Ь凼W(wǎng)絡(luò)中，以數(shù)字方式在天線單元之間產(chǎn)生干涉方向圖的時(shí)延，每一個(gè)天線單元并不需要模擬相移器或者延時(shí)線。這種劃分方法支持DSP設(shè)計(jì)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(xiàn)它們。可以把要求最苛刻的功能放到專門開發(fā)的ASIC、FPGA或者GPU芯片中，而把要求不太高的運(yùn)算分組成DSP芯片或者加速器中的代碼。


圖2 .把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器放到IF級的最后。

需要特別注意信號從聚束網(wǎng)絡(luò)出來后的接收鏈信號處理，這是因?yàn)槠浯鎯ζ骱吞幚硇枨髸浅４?，涉及到的動態(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。會需要高精度浮點(diǎn)硬件，還需要更強(qiáng)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(xiàn)。通過其濾波、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(biāo)信息的信號。然后，重點(diǎn)從信號轉(zhuǎn)向它們所代表的目標(biāo)，任務(wù)的本質(zhì)發(fā)生了改變。

從信號到目標(biāo)

脈沖壓縮是這一抽象過程的開始。在時(shí)間域或者頻域，脈沖壓縮器一般通過自相關(guān)找到有可能含有發(fā)送啁啾的波形。然后，它采用脈沖目標(biāo)來表示這些波形——含有到達(dá)時(shí)間、頻率和相位以及其他相關(guān)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)包。從這里開始，接收鏈會處理這一數(shù)據(jù)包而不是接收到的信號。

下一步一般是多普勒處理。首先，脈沖被送入方格陣列中（圖3 ）。在陣列中，每一列含有從某一發(fā)射器啁啾返回的脈沖。陣列中會有很多列，這取決于系統(tǒng)能夠承受多大的延時(shí)。陣列中的行表示返回切換時(shí)間：距離陣列的x軸越遠(yuǎn)，發(fā)射器啁啾和接收脈沖到達(dá)時(shí)間之間的延時(shí)就越大。這樣，延時(shí)方格也代表了與某一脈沖反射的目標(biāo)的距離。


圖3 .多普勒處理方格。