阵列雷达最优子阵技术

第1章 绪 论
　　近年来，现代雷达面临的目标威胁和电磁环境日趋复杂，除了有源/无源干 扰、反辐射武器、低空/超低空突防及隐身目标等传统“四大威胁”之外，不可 分辨目标、诱饵假目标、高超声速目标、大机动目标等都对雷达装备提出了更高 的要求。阵列雷达将阵列天线技术和阵列信号处理技术有机结合起来，探测 性能具有巨大的提升空间。阵列雷达正大量取代反射面机械扫描雷达，已成为 现代雷达发展的主流具有波束捷变、波束赋形、同时多波束、抗干扰、超 分辨、空时处理等能力的阵列雷达广泛应用于陆基、舰载、机载、星载等几乎所 有领域[6-8]，在战略预警、反导防御、空间监视等军事任务中发挥了举足轻重的 作用。
　　1.1 阵列雷达结构演化
　　20世纪40年代，相控阵天线技术从构想变成现实，通过机械控制每个单元 的移相器来实现天线波束捷变，之后相控阵天线技术逐渐成熟并成功应用于雷达 领域。发展至今，阵列雷达经历了无源相控阵雷达、有源相控阵雷达和数字阵列 雷达三个大的发展阶段。无源相控阵雷达和有源相控阵雷达均采用模拟网络进行 波束形成，因此也统称为模拟阵列雷达。数字阵列雷达在单元级或子阵级将射频 信号转换为数字信号，并利用数字信号处理技术实现波束形成、单脉冲、超分辨、 抗干扰、空时处理等功能。数字化包含：数字采样与数字处理，根据数字化的程度 不同，单元级数字阵也可称为全数字阵，子阵级数字阵也可称为部分数字阵。总 之，数字化是阵列雷达的发展趋势之一，数字化越来越接近阵列天线前端，未来 的阵列雷达将由髙度集成的天线阵面和高性能数字信号处理器构成[9-11]。
　　1.1.1 无源相控阵雷达
　　早期的无源相控阵雷达采用集中式高功率发射机馈电，能量通过有损波束形 成网络分配到各个单元，通过控制各个单元上的移相器实现天线波束无惯性扫描， 其结构如图1.1所示。无源相控阵雷达与反射面雷达的**区别就是天线形式，除 了用相控阵天线代替反射面天线外，发射机、接收机和处理器都不变，仍然是集 中式。典型的高功率集中式发射机采用速调管放大器或者行波管放大器，两者都 能在微波频段输出兆瓦级峰值功率。波束形成网络和移相器会带来能量损失，将导致雷达探测烕力的下降，并且需要配置冷却系统吸收电磁能量损耗产生的热量。 典型的电控移相器是铁氧体和PIN 二极管，铁氧体移相器因其具有非常高的微波 功率承受能力和相对较低的插入损耗而被广泛应用。 
　　图1.1 无源相控阵雷达结构示意图
　　相对反射面雷达，无源相控阵雷达具有波束捷变和数据率髙的优势。其缺点 主要有：①由于釆用高功率集中式发射，雷达的可靠性较低；②波束形成网络和 移相器中的射频损耗极大地限制了雷达探测性能；③波束形成网络规模大且质量 重，很难集成应用到机载或空基平台。
　　1.1.2 有源相控阵雷达
　　有源相控阵雷达釆用分布式收、发系统，每个天线单元（或几个单元）后面 接一个有源T/R组件，天线系统与发射机、接收机在结构上交织在一起，其结构 如图1.2所示[12，13]。有源T/R组件由高功率发射放大器、低噪声接收放大器、移 相器和可变衰减器集成在一起，其结构如图1.3所示。有源相控阵技术得益于基于 砷化钾（GaAs)的单片微波集成电路（MMIC)的技术进步。
　　有源阵列结构大大降低了收、发射频损耗，射频损耗的降低将雷达噪声系数 减少了两倍甚至两倍以上，进而提高了雷达灵敏度，增加了雷达烕力范围。另外， 有源相控阵雷达不需要高功率器件，因此系统可靠性大大提高。如果失效单元在 阵面上随机分布，当单元失效率小于10%时，雷达性能稍有下降，当单元失效率 小于30%时，雷达仍然可以正常工作。
　　有源相控阵雷达虽然克服了无源相控阵雷达高损耗、低可靠性等缺点，但是 同样作为模拟阵列，仍然存在以下不足：①移相器位数通常只有5～6位，移相 精度不够高，阵列天线波束大角度扫描时将出现较高的量化瓣；②实际应用中根据单脉冲测角的需要，形成和波束、方位差波束及俯仰差波束，阵列信号的维度 大大降低，不具备阵列信号处理的可能性；③每一个波束都要设计一套独特的波 束形成网络，而高性能波束形成网络造价昂贵；④阵列天线波束性能（旁瓣电平 和波束形状）通常被硬件结构所固定。上述不足极大地限制了相控阵雷达多功能、 多模式工作灵活性的进一步提升。
　　图1.2 有源相控阵雷达结构示意图
　　图1.3 有源T/R组件结构示意图
　　1.1.3 单元级数字阵列雷达
　　随着数字接收机、数字信号处理器等器件的尺寸、功耗及成本的进一步降低， 单元级数字化在雷达工程实践中逐渐成为可能，单元级数字阵列雷达结构如图 1.4所示。每一个单元都有独立的数字T/R组件，在单元级实现波束形成及其他 阵列处理，因此也称为全数字阵列（fully digital array)。数字T/R组件基于直 接数字综合器（DDS)实现相位和幅度加权，而不再使用移相器和衰减器，其结 构如图1.5所示。发射时经幅度、相位加权的发射信号用数字化的方法合成，再上 变频到射频发射出去，接收时对回波进行数字化釆样后送到数字处理器[14_17]。
　　图1.4 单元级数字阵列雷达结构示意图
　　图1.5 简化的数字T/R组件结构示意图
　　单元级数字阵列雷达有两个重要特征：①阵列信号自由度极大保存，阵列信 号自由度等于单元数减一，而模拟阵列通过波束形成后，仅形成和波束、方位差波 束以及俯仰差波束等少数几个波束，阵列信号自由度大大降低；②阵列信号可以 被无限次操作，因为处理的是信号的数字表示而不是实际接收到的信号幅度。上 述特点为复杂而灵活的阵列信号处理提供了可能。
　　单元级数字阵列雷达可以实现数字波束形成，阵列信号通过幅度、相位加权 求和实现波束扫描、超低副瓣及波束赋形等。对于宽带阵列雷达，可以釆用FIR 滤波器实现任意时间的延迟，提高雷达的瞬时带宽。相比模拟阵列雷达，数字波 束形成简单灵活，并且幅度和相位加权及时间延迟能够达到更髙的精度，比如数 字移相可达14位。
　　单元级数字阵列雷达可以实现接收同时多波束，同时提供多个独立、任意指 向的接收波束，对提高雷达搜索、跟踪数据率，改善波束形状信噪比损失及提高 测角精度均有重要意义。接收同时多波束的个数受限于硬件系统数据存储、传输 及处理能力。单元级数字阵列雷达可以实现数字信号处理，包括空域抗干扰、超 分辨角度估计及空时自适应处理等。
　　与模拟阵列雷达相比，单元级数字阵列雷达的接收校准更为简单，窄带情况 下当获得已知平面波入射到阵列的单元级数据后，可以直接实现幅度和相位校准。 
　　此外，单元级数字阵列不需要复杂的波束形成网络，阵列孔径易于扩展和重构，可 以实现综合射频孔径及雷达、通信、电抗一体化。
　　综上所述，单元级数字阵列雷达极大地保留了阵列自由度，同时也带来了极 大的数据存储量和阵列信号处理计算量，尤其是对于大规模阵列或者宽带阵列情 况[18]。因此，从现阶段来看单元级数字阵列结构仅适合带宽较窄、中小规模阵列 的情况，用于数字阵列雷达原理演示验证系统。
　　1.1.4 子阵级数字阵列雷达
　　对于大型阵列雷达，为了降低单元级数字化带来的巨大的数据量、存储量和 计算量，可以将阵列天线划分为若干子阵，数字化仅在子阵级实现，因此称为子阵 级数字阵列雷达，也称为部分数字阵（mostly digital array)雷达，其结构如图1.6 所示。
　　子阵级数字阵列雷达包含子阵内模拟波束形成网络和子阵间数字波束形成网 络，模拟子阵的输出进行下变频和数字化，所有子阵的输出通过数字信号处理器 进行波束形成及其他子阵级信号处理。由于子阵间距远大于半波长，因此在波束 形成时很可能产生栅瓣问题，釆用子阵优化设计技术可以克服或抑制栅瓣问题，一 种思路是打破子阵相位中心的周期性，另一思路是形成“窄的平顶”子阵方向图 抑制扫描范围以外的栅瓣，但是子阵技术也额外增加了子阵内模拟波束形成的硬 件复杂性。
　　子阵级数字阵列雷达可以实现接收同时多波束，只是多波束被严格限制在子 阵波束范围之内。接收同时多波束在子阵级釆用数字波束形成实现，同时多波束 的最大数量由子阵波束宽度和超阵阵因子波束宽度决定。子阵级阵列信号自由度 为子阵数目减一，在实践中依然能够提供足够的自适应能力，可以在子阵级实现 空域抗干扰、超分辨及空时自适应处理。
　　综合来看，与单元级数字阵列雷达相比，子阵级数字阵列雷达在保持充裕阵列处理灵活性的同时减少信号通道数，降低硬件设备量和阵列处理运算量。并且 在有限视场工作模式下，阵列处理性能与单元级数字阵列雷达性能差别不大，这 对于大型阵列雷达而言优势非常明显，子阵级数字阵列不失为一种折中、有效的 工程设计方案。
　　需要特别指出的是，对于某些大型阵列雷达，可能在单元级进行数字化釆样 与光纤传输，但是在后续处理过程中仍然降维合称为若干子阵，这样的结构仍然 称为子阵级数字阵列雷达。
　　1.2 大规模阵列雷达与子阵技术
　　1.2.1 子阵技术概念
　　子阵技术伴随着相控阵技术的诞生而产生，并广泛应用于阵列雷达装备中。 在阵列雷达设计过程中，将整个天线阵面划分为若干小阵面，每个小阵面就称为 一个子阵，如图1.7所示。子阵内部和子阵间分别进行阵列信号处理。每个子阵可 以共用一个收发通道和控制器件，釆用子阵技术使得阵列收发通道数和控制端数 远小于阵列单元数，降低阵列雷达工程实现代价。需要说明的是，子阵技术概念 包含广义和狭义两个层次，广义子阵技术釆用阵面划分；狭义子阵技术釆用阵面 划分并且控制端数远小于阵列单元数[19]。
　　图1.7 子阵划分示意图
　　阵列划分之后，阵列可以看作超级阵列（简称“超阵”)，超阵单元是子阵，其 位置为子阵的相位中心，在阵面上离散分布；超阵单元大小、形状各异，方向图 也各不相同，但是各个单元方向图指向相同期望方向。理论上，子阵级数字阵列 的方向图为单元方向图、子阵方向图及超阵阵因子的乘积，称为广义方向图乘积 定理。所有子阵方向图在子阵内模拟形成，超阵阵因子在子阵级数字形成，并在 子阵方向图波束范围内扫描，当超阵阵因子偏离子阵波束指向时，受到子阵方向

对于大型阵列雷达而言，子阵技术大大降低了系统实现难度和工程代价。目前已广泛应用在地基GBR、地基THAAD、海基SBX、舰载Aegis等先进的雷达装备中，国内在研的新一代大型阵列雷达均遇到子阵技术这一瓶颈难题。本书详细阐述了子阵技术的研究现状和装备应用，系统总结了作者多年来在**子阵设计及子阵级处理方面的研究成果。《BR》　　全书共分7章。首先从子阵技术的内涵及应用出发，给出了子阵划分的数学建模方法，揭示了子阵结构对阵列方向图性能的影响机理。然后在波束形成层面研究了非规则子阵技术和重叠子阵技术，通过不同方式最终实现抑制栅瓣、降低副瓣的目的。最后在阵列处理层面研究了单脉冲处理、旁瓣对消和空时处理中的**子阵划分问题，针对不同应用建立了子阵划分代价函数，并实现了**子阵划分和子阵级处理。

目录 
序言 
前言 
第1章 绪论 1 
1.1 阵列雷达结构演化 1 
1.1.1 无源相控阵雷达 1 
1.1.2 有源相控阵雷达 2 
1.1.3 单元级数字阵列雷达 3 
1.1.4 子阵级数字阵列雷达 5 
1.2 大规模阵列雷达与子阵技术 6 
1.2.1 子阵技术概念 6 
1.2.2 子阵技术必要性 8 
1.3 子阵技术装备应用 9 
1.3.1 陆基相控阵雷达装备中的子阵技术 10 
1.3.2 舰载相控阵雷达装备中的子阵技术 13 
1.3.3 机载相控阵雷达装备中的子阵技术 16 
1.3.4 星载相控阵雷达装备中的子阵技术 17 
1.3.5 星载通信装备中的子阵技术 18 
1.3.6 电子战装备中的子阵技术 19 
1.4 子阵技术学术研究 19 
1.4.1 非规则子阵技术 20 
1.4.2 重叠子阵技术 25 
1.4.3 子阵级单脉冲技术 30 
1.4.4 子阵级自适应阵列处理技术 32 
1.5 本书概貌 35 
参考文献 36 
第2章 子阵技术基础 43 
2.1 引言 43 
2.2 阵列结构及方向图计算 43 
2.2.1 广义阵列结构 43
2.2.2 空间坐标系及可见区定义 46 
2.3 阵因子栅瓣现象 47 
2.3.1 阵元位置格 47 
2.3.2 阵因子周期格 48 
2.3.3 典型阵列结构的方向图 50 
2.4 典型的子阵结构 57 
2.5 子阵划分的数学建模方法 59 
2.6 本章小结 63 
参考文献 64 
第3章 非规则子阵技术 66 
3.1 引言 66 
3.2 多联多边形子阵 67 
3.3 基于精确覆盖理论的阵面划分 68 
3.3.1 精确覆盖理论 68 
3.3.2 精确划分 69 
3.3.3 准精确划分 72 
3.4 波束形成及性能分析 75 
3.4.1 有限视场扫描技术 76 
3.4.2 宽带宽角扫描技术 77 
3.4.3 天线方向图性能 78 
3.4.4 波束扫描性能分析及阵面的进一步优化 83 
3.5 低副瓣加权及主瓣赋形技术 88 
3.5.1 低副瓣加权分析 88 
3.5.2 低副瓣加权实例 89 
3.5.3 主瓣赋形分析 91 
3.5.4 主瓣赋形实例 92 
3.6 最优子阵划分方案遴选 93 
3.6.1 子阵划分方案的个数 94 
3.6.2 子阵划分方案电性能的差异 94 
3.6.3 子阵划分方案优化的建模与求解 95 
3.7 大规模阵面子阵分层设计 98 
3.7.1 分层设计原理分析 99 
3.7.2 分层波束性能分析 100 
3.8 非规则子阵实验研究 103 
3.8.1 非规则子阵天线研制 103 
3.8.2 实验测试 104 
3.9 本章小结 105 
参考文献 106 
第4章 重叠子阵技术 108 
4.1 引言 108 
4.2 阵列结构和方向图 109 
4.2.1 子阵结构 109 
4.2.2 方向图的计算 110 
4.2.3 一维重叠子阵方向图仿真 112 
4.3 优化问题的建立 114 
4.3.1 单个波束的优化 115 
4.3.2 多个波束的同时优化 117 
4.3.3 约束条件的构造方法 118 
4.4 平面阵中的重叠子阵技术 120 
4.4.1 方向图计算方法 120 
4.4.2 优化问题建模 124 
4.5 仿真结果与分析 128 
4.5.1 一维线阵中的重叠子阵 128 
4.5.2 平面阵中的重叠子阵 134 
4.6 本章小结 139 
参考文献 139 
第5章 单脉冲处理中的子阵技术 141 
5.1 引言 141 
5.2 单脉冲处理中的子阵划分 141 
5.2.1 子阵级和差波束形成框架 141 
5.2.2 典型的划分方法 143 
5.3 基于聚类分析的子阵划分方法 145 
5.3.1 优化模型和激励匹配准则 145 
5.3.2 聚类子阵划分方法 148 
5.3.3 分级聚类子阵划分方法 150 
5.3.4 仿真结果与分析 152 
5.4 子阵级单脉冲测角技术 161 
5.4.1 最大似然准则 161 
5.4.2 广义单脉冲原理 164 
5.4.3 单脉冲测角性能的理论分析 166
5.4.4 仿真结果与分析 168 
5.5 本章小结 172 
参考文献 172 
第6章 自适应阵列处理中的子阵技术 175 
6.1 引言 175 
6.2 自适应阵列处理的算法结构 175 
6.2.1 SLC技术的算法结构 175 
6.2.2 ADBF技术的算法结构 177 
6.2.3 STAP技术的算法结构 178 
6.3 子阵级信号处理方法 179 
6.3.1 子阵级SLC技术 179 
6.3.2 子阵级STAP技术 181 
6.4 性能指标 185 
6.4.1 SLC技术的性能指标 185 
6.4.2 STAP技术的性能指标 186 
6.5 子阵划分方法 188 
6.5.1 旁瓣对消技术中的子阵划分方法 188 
6.5.2 SLC阵面设计实例 190 
6.5.3 STAP技术中的子阵划分方法 193 
6.5.4 STAP阵面设计实例 199 
6.6 本章小结 205 
参考文献 206 
第7章 结束语 208 
7.1 研究总结 208 
7.2 研究展望 209 
参考文献 212 
附录A 子阵级移相器最优加权的计算 213 
附录B 两个重要等式 215 
附录C 激励匹配和方向图匹配之间的等价关系分析 217 
彩图