婁寶芳

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十研究所，西安 710068）

0 引言

目前裝備的雷達(dá)基本是面向任務(wù)進(jìn)行開(kāi)發(fā)研制，品種較多，雷達(dá)功能單一，使得某一種特定雷達(dá)只能完成某一特定任務(wù)，不可避免地造成雷達(dá)品種多、成本高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜。若需要對(duì)某一種雷達(dá)系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)調(diào)整，勢(shì)必要更改系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)，不能滿足系統(tǒng)快速升級(jí)和快速適應(yīng)戰(zhàn)事要求變化，這樣已經(jīng)無(wú)法滿足現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)多變的需要。數(shù)字化、軟件化的開(kāi)放式雷達(dá)系統(tǒng)是未來(lái)新型雷達(dá)系統(tǒng)架構(gòu)的研究方向。軟件化雷達(dá)區(qū)別于數(shù)字雷達(dá)的主要特征是雷達(dá)的功能主要是軟件定義的，而不是簡(jiǎn)單的由軟件控制的數(shù)字化雷達(dá)。更為經(jīng)濟(jì)的是通過(guò)簡(jiǎn)單加入小的硬件模塊，獲得更高性能的開(kāi)放式系統(tǒng)，而不再需要提升整個(gè)雷達(dá)系統(tǒng)。

雷達(dá)的發(fā)展方向主要取決于作戰(zhàn)需求和相關(guān)技術(shù)的發(fā)展。未來(lái)的新型雷達(dá)系統(tǒng)是數(shù)字化的、開(kāi)放式的、軟件化的架構(gòu)，面臨的主要挑戰(zhàn)是能夠在惡劣極端電子對(duì)抗中生存。為了適應(yīng)目標(biāo)隱身技術(shù)和反輻射武器的發(fā)展，低截獲特性是雷達(dá)必須具備能力。另外，雷達(dá)多功能集成，同一部雷達(dá)在同一個(gè)時(shí)刻可以執(zhí)行兩種以上功能的任務(wù)，如在對(duì)導(dǎo)彈進(jìn)行制導(dǎo)的同時(shí)還可以進(jìn)行通信和電子對(duì)抗，以及可以同時(shí)發(fā)射多頻段、多極化的各種雷達(dá)波形等能力。通過(guò)配置各種雷達(dá)的波形信號(hào)，則需要雷達(dá)的架構(gòu)具有可重構(gòu)性，甚至無(wú)需更換硬件，只需更換系統(tǒng)軟件即可重新定義雷達(dá)能力。實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)、功能獨(dú)立升級(jí)，硬件系統(tǒng)快速集成。無(wú)論是未來(lái)的智能化雷達(dá)，還是網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)雷達(dá)，軟件化雷達(dá)是未來(lái)雷達(dá)發(fā)展的必然趨勢(shì)[2]，軟件化雷達(dá)的技術(shù)發(fā)展為后續(xù)智能化雷達(dá)的發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。

1 基于天線配置軟件定義雷達(dá)

軟件定義雷達(dá)的關(guān)鍵功能是軟件定義的。也就意味可以通過(guò)控制軟件、或通過(guò)加載新的功能軟件可以很靈活改變雷達(dá)在工作期間的工作模式。本技術(shù)是通過(guò)基帶軟件控制，產(chǎn)生移位正交二相編碼，產(chǎn)生對(duì)基于相控陣天線每個(gè)單元發(fā)射信號(hào)幅相權(quán)值算法，控制配置天線單元發(fā)射信號(hào)，軟件擴(kuò)頻調(diào)制后通過(guò)一路發(fā)射通道，在天線每個(gè)射頻端同時(shí)分別提?。换夭ㄐ盘?hào)進(jìn)入每個(gè)接收陣列單元，軟件控制移位正交二相編碼擴(kuò)頻調(diào)制，經(jīng)一路接收通道，在數(shù)字域軟件解擴(kuò)提取每個(gè)單元回波信號(hào)，軟件算法實(shí)現(xiàn)接收回波算法數(shù)字波束形成?；鶐к浖刂飘a(chǎn)生發(fā)射信號(hào)、編碼調(diào)制信號(hào)、數(shù)字波束形成等，按照雷達(dá)功能的要求，完成對(duì)陣列天線規(guī)模、形式、極化的配置。采用高度復(fù)雜的、良好移位正交二相編碼，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)陣列天線系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)配置。采用通信擴(kuò)頻/解擴(kuò)原理[4]實(shí)現(xiàn)數(shù)字波束形成的收/發(fā)系統(tǒng)的單通道，克服了通道一致性、通道頻繁校準(zhǔn)問(wèn)題，同時(shí)實(shí)現(xiàn)雷達(dá)功能軟件定義與天線動(dòng)態(tài)配置。由于這種新型的軟件定義相控陣?yán)走_(dá)功能可被下載，天線可以通過(guò)正交二相編碼碼組，基于天線單元規(guī)模，控制對(duì)應(yīng)天線單元的碼組數(shù)量。每個(gè)碼組由數(shù)個(gè)正交編碼組成，所以雷達(dá)陣列天線工作模式是多功能的、可選擇的、可擴(kuò)展的、可裁剪的[1]，實(shí)現(xiàn)編碼對(duì)陣列天線規(guī)模重構(gòu)。通過(guò)系統(tǒng)功能配置天線單元放大能力，配置有源的、無(wú)源的天線單元硬件模塊，和發(fā)射信號(hào)形式。除了常規(guī)雷達(dá)功能之外，可以軟件定義為MIMO、合成孔徑、認(rèn)知、雷達(dá)通信一體化等。

2 雷達(dá)系統(tǒng)架構(gòu)

本架構(gòu)研究就是多路復(fù)用數(shù)字波束形成相控陣?yán)走_(dá)技術(shù)[3]，采用的是軟件定義開(kāi)放式架構(gòu)。面向用戶功能層，面向管理軟件控制層、面向加載軟件雷達(dá)設(shè)備層。根據(jù)雷達(dá)功能發(fā)射信號(hào)通過(guò)算法基于天線陣列單元（或子陣）由軟件算法產(chǎn)生，通過(guò)具有與天線單元相對(duì)應(yīng)數(shù)量的移位正交二相編碼，對(duì)相應(yīng)天線單元（或子陣）的發(fā)射信號(hào)調(diào)制復(fù)用一路，軟件控制加載到一路D/A，任意產(chǎn)生一個(gè)中頻編碼復(fù)用發(fā)射信號(hào)。發(fā)射單通道傳輸。在每個(gè)陣列天線單元同時(shí)刻通過(guò)二相調(diào)制器和濾波器，解擴(kuò)實(shí)現(xiàn)發(fā)射信號(hào)多路解復(fù)用，提取各自天線單元發(fā)射信號(hào)。若在每個(gè)天線單元后端再增加配置正交編碼調(diào)制器，配置的編碼調(diào)制器通過(guò)不同移位正交編碼可以實(shí)現(xiàn)發(fā)射多波束，以及可以產(chǎn)生抗干擾、低截獲信號(hào)；若配置的編碼調(diào)制器采用的編碼是相同的，則是常規(guī)的編碼發(fā)射信號(hào)或與頻合器配合產(chǎn)生碼組捷變、碼元捷變頻抗干擾低截獲信號(hào)。發(fā)射信號(hào)與天線單元編碼軟件動(dòng)態(tài)配置，靈活可控。意味著雷達(dá)系統(tǒng)通過(guò)軟件控制可以實(shí)現(xiàn)天線工作模式與發(fā)射信號(hào)的靈活改變。雷達(dá)接收工作時(shí)，各個(gè)天線接收輻射回波信號(hào)，每個(gè)天線單元同時(shí)刻經(jīng)過(guò)正交二相編碼調(diào)制后多路復(fù)用為1路。接收回波信號(hào)采用1路A/D數(shù)據(jù)采集，1路數(shù)字下變頻，數(shù)字域解擴(kuò)頻，解復(fù)用提取各自天線單元信號(hào)，采用軟件算法任意數(shù)字波束形成，以及信號(hào)處理、檢測(cè)。

圖1 天線配置軟件定義雷達(dá)架構(gòu)圖

圖2(a) 聚合時(shí)域圖

圖2(b) 聚合頻域圖

圖2(c) 聚合時(shí)域圖

圖3 D/A產(chǎn)生聚合信號(hào)

本技術(shù)架構(gòu)的機(jī)理仿真分析見(jiàn)圖2，機(jī)理可行。圖3為本系統(tǒng)軟件控制 D/A產(chǎn)生 4路聚合信號(hào)120MHz，示波器測(cè)試圖。

2.1 硬件平臺(tái)

軟件化雷達(dá)與數(shù)字雷達(dá)的主要區(qū)別在于雷達(dá)的功能主要由軟件定義，而不是簡(jiǎn)單的由軟件控制的數(shù)字化雷達(dá)。硬件平臺(tái)必須具有通用性和可擴(kuò)展性。多路復(fù)用數(shù)字波束相控陣?yán)走_(dá)硬件平臺(tái)是由天線系統(tǒng)、波塊（高頻二相編碼調(diào)制器）系統(tǒng)、一路發(fā)射/接收系統(tǒng)通道、數(shù)據(jù)/信號(hào)處理系統(tǒng)、中心計(jì)算機(jī)組成。

圖4 軟件定義雷達(dá)硬件平臺(tái)架構(gòu)

多路復(fù)用數(shù)字波束相控陣?yán)走_(dá)陣列單元后端不再采用T/R組件[3]，而是采用波塊（即高頻二相編碼調(diào)制器）。發(fā)射波塊作為多路解復(fù)用，進(jìn)行信號(hào)提?。唤邮詹▔K作為多路復(fù)用。發(fā)射系統(tǒng)通道由1路上變頻、一路功放；接收系統(tǒng)通道由1路高頻接收、1路下變頻組成。數(shù)據(jù)/信號(hào)處理系統(tǒng)由1路A/D、1路D/A、1路DDC、2路傳輸接口和存貯器等組成。天線通過(guò)一定數(shù)量的編碼可以直接對(duì)本技術(shù)天線平臺(tái)進(jìn)行碼組控制，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)擴(kuò)展，靈活動(dòng)態(tài)配置。

2.2 軟件平臺(tái)

通常雷達(dá)功能和軟件結(jié)構(gòu)緊密，根據(jù)不同雷達(dá)功能，軟件的體系結(jié)構(gòu)也相應(yīng)不同。多路復(fù)用數(shù)字波束相控陣?yán)走_(dá)通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范、協(xié)議的制定，使得系統(tǒng)不同層次的開(kāi)發(fā)具有較強(qiáng)的獨(dú)立性，形成不同軟件模塊，實(shí)現(xiàn)了軟件模塊可移植，系統(tǒng)功能可開(kāi)放。仿真數(shù)據(jù)與系統(tǒng)中間數(shù)據(jù)、系統(tǒng)檢測(cè)結(jié)果數(shù)據(jù)可比對(duì)。

圖5 軟件定義雷達(dá)軟件平臺(tái)架構(gòu)

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 多路復(fù)用技術(shù)

軟件定義雷達(dá)的功能可定義，通過(guò)控制層的軟件實(shí)現(xiàn)功能層的雷達(dá)功能，面向設(shè)備層加載軟件到雷達(dá)傳感器的天線，實(shí)現(xiàn)從信號(hào)級(jí)動(dòng)態(tài)配置天線的能力。這就意味著采用高度復(fù)雜的、良好相關(guān)的移位正交二相編碼[5]，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)信號(hào)與雷達(dá)天線的靈活配置。

多路復(fù)用數(shù)字波束形成技術(shù)的實(shí)現(xiàn)依賴于通道多路復(fù)用及解復(fù)用。完全移位正交二相編碼（TSOC）的選擇，是攻克多路復(fù)用數(shù)字波束形成技術(shù)體制相控陣?yán)走_(dá)多路復(fù)用與解復(fù)用的關(guān)鍵技術(shù)。

完全移位正交二相編碼（TSOC）是偽隨機(jī)序列碼[6]，該編碼既要滿足具有尖銳的自相關(guān)性，較小的互相關(guān)性，碼元平衡度，又要具有足夠的正交碼組數(shù)和序列的復(fù)雜度。

3.2 天線重構(gòu)

通常雷達(dá)天線是具有功能獨(dú)立的結(jié)構(gòu)方式。采用多路復(fù)用數(shù)字波束形成技術(shù)相控陣?yán)走_(dá)天線，通過(guò)對(duì)完全正交二相編碼TSOC的設(shè)計(jì)，即基于雷達(dá)功能要求，通過(guò)軟件對(duì)編碼組數(shù)與天線單元或子陣數(shù)的劃分控制，對(duì)發(fā)射信號(hào)形式的控制，以及對(duì)天線發(fā)射波塊的再調(diào)制編碼設(shè)計(jì)，可以滿足天線與信號(hào)的動(dòng)態(tài)配置，實(shí)現(xiàn)相控陣天線的任意擴(kuò)展、裁剪、選擇，和MIMO能力，實(shí)現(xiàn)軟件定義雷達(dá)的天線重構(gòu)。

3.3 波塊技術(shù)

為了和常規(guī)相控陣?yán)走_(dá)天線中的T/R組件區(qū)分，本技術(shù)相控陣?yán)走_(dá)天線中不再使用T/R組件，而是采用高速二相編碼調(diào)制器對(duì)高頻微波信號(hào)直接調(diào)制，實(shí)現(xiàn)多通道復(fù)用/解復(fù)用，將實(shí)現(xiàn)微波調(diào)制器功能模塊自定義為波塊。波塊不具有常規(guī)相控陣移相功能。本技術(shù)將常規(guī)相控陣?yán)走_(dá)天線幅度、移相能力放到數(shù)據(jù)域通過(guò)軟件幅相算法加權(quán)實(shí)現(xiàn)。多路復(fù)用數(shù)字波束形成技術(shù)相控陣?yán)走_(dá)實(shí)現(xiàn)發(fā)射/接收的多通道信號(hào)多路復(fù)用，關(guān)鍵技術(shù)之一是通過(guò)陣列單元所對(duì)應(yīng)的多個(gè)高速二相調(diào)制器，通過(guò)擴(kuò)頻/解擴(kuò)頻原理，將發(fā)射多路復(fù)用信號(hào)在高頻直接解擴(kuò)頻，即解復(fù)用提取各自單元發(fā)射信號(hào)的發(fā)射波塊；接收是將多路回波高頻信號(hào)通過(guò)高速二相調(diào)制器，直接擴(kuò)頻即多路復(fù)用，接收波塊是很小的硬件設(shè)計(jì)。圖6為本項(xiàng)目研制的4路接收波塊。發(fā)射波塊主要由二相調(diào)制器、濾波器組成。接收波塊主要由LNA、二相調(diào)制器組成。目前接收波塊研制完成見(jiàn)圖6，性能指標(biāo)滿足系統(tǒng)要求，并且在系統(tǒng)平臺(tái)上得以驗(yàn)證?；谛酒?jí)的無(wú)源接收波塊正在研制。發(fā)射波塊研制前期論證仿真結(jié)果可行，正在進(jìn)行基于芯片級(jí)的開(kāi)發(fā)。

圖6 4路接收波塊

4 性能優(yōu)勢(shì)

多路復(fù)用數(shù)字波束形成技術(shù)相控陣?yán)走_(dá)具有的性能優(yōu)勢(shì)：

（1）實(shí)現(xiàn)發(fā)射信號(hào)與天線動(dòng)態(tài)配置；

（2）大幅降低天線系統(tǒng)成本、體積、重量、熱功耗問(wèn)題；

（3）高頻、大帶寬應(yīng)用具有性能優(yōu)勢(shì)；

（4）具有低截獲、抗干擾能力；

（5）提高各通道幅相“相對(duì)”精度，克服大帶寬應(yīng)用受限于 ADC的高速采樣速率、多通道等帶來(lái)數(shù)據(jù)總線的高速率、復(fù)雜度、同步同相、通道頻繁校準(zhǔn)、以及波束形成性能受通道一致性影響較大等問(wèn)題；

（6）克服相控陣天線高頻通道互耦和高頻互擾問(wèn)題，提高天線測(cè)試精度和效率，降低設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)、工藝加工、調(diào)試測(cè)試難度，大大提高系統(tǒng)可靠性。

圖7 天線方位方向分析圖

5 驗(yàn)證結(jié)果

目前已經(jīng)完成了基于多路復(fù)用數(shù)字波束形成技術(shù)相控陣?yán)走_(dá)接收系統(tǒng)的機(jī)理驗(yàn)證試驗(yàn)平臺(tái)的研制，通過(guò)了天線方向圖測(cè)試，天線增益分析、雷達(dá)威力測(cè)試、反射體測(cè)試、地物探測(cè)等試驗(yàn)，達(dá)到系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)要求。驗(yàn)證了軟件對(duì)發(fā)射信號(hào)靈活設(shè)計(jì)，動(dòng)態(tài)配置天線。同時(shí)對(duì)發(fā)射系統(tǒng)進(jìn)行機(jī)理仿真論證，并正在進(jìn)行發(fā)射波塊研制開(kāi)發(fā)。通過(guò)試驗(yàn)和仿真論證，表明基于軟件定義的多路復(fù)用數(shù)字波束相控陣?yán)走_(dá)應(yīng)用可行。圖7是接收系統(tǒng)相關(guān)驗(yàn)證結(jié)果。

6 結(jié)束語(yǔ)

天線配置軟件定義雷達(dá)系統(tǒng)架構(gòu)開(kāi)發(fā)的多路復(fù)用數(shù)字波束形成相控陣?yán)走_(dá)，機(jī)理驗(yàn)證可行，軟件功能定義雷達(dá)可行。系統(tǒng)仿真與實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)擬合?？梢酝ㄟ^(guò)軟件模塊加載，靈活配置硬件模塊，系統(tǒng)功能可擴(kuò)展、可裁剪。除了開(kāi)發(fā)成為常規(guī)相控陣?yán)走_(dá)外，可以開(kāi)發(fā)MIMO、合成孔徑、認(rèn)知、雷達(dá)通信一體化等工作模式。是一種高效能、高可靠性的雷達(dá)系統(tǒng)架構(gòu)。