来源 | 雷达信号处理matlab

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数字阵列雷达（DAR）是一种接收和发射波束都采用数字波束形成技术的全数字阵列扫描雷达。

DAR 是数字雷达的主要类型，相比模拟雷达，数字雷达可用计算机对系统和信号处理进行控制，可更好地抗射频干扰和在强杂波中检测弱小目标，而模拟雷达对来自内部和外部的射频干扰及温度、湿度都很敏感，且模拟器件价格较贵，因此，数字雷达正在逐步取代模拟雷达。

数字阵列雷达的工作模式简介

数字阵列雷达（DAR）在发射端和接收端都实观数字波束形成。阵列雷达的演进历程如下图所示。

图源自网络

在发射端，波束形成直接在阵列的每个阵元中合成，可采用多种模式形成发射波束。同样，可采用多种 DAR 系统接收孔径形成接收波束。主要有以下几种模式。

单发单收模式 SISO

单发单收模式 SISO，即收、发均为数字波束形成（DBF）的单波束模式。在模拟波束形成（ABF）雷达中，采用同一高聚束的发射波束和接收波束发射脉冲信号和接收脉冲信号（目标和杂波源）。在波束形成之后，接收机采用下变频，并采样接收信号。

由于 ABF 波束形成是在接收机之前完成的，所以接收机需要提供很高的动态范围电平，以对付位于接收波束主瓣内的强干扰源。

为解决这个问题，DAR 系统需使接收孔径数字化（即采用许多接收机，每个阵元（子阵）上有一个接收机）。这样便可降低进入每个接收机的干扰增益，由此降低了对接收机的动态范围的要求。然后，对不同接收机的输出采用 DBF 来进行合成。

单发多收模式 MISO

单发多收模式 MISO，即宽发射波束和 DBF 的多波束接收模式。为加速搜索功能，DAR 系统可展宽其发射波束，将发射波束与接收时采用多个波束的覆盖区域相对应，因此减少了搜索一定空域所需的时间。

发射波束照射一个很宽角度的扇形区域，容许雷达始终探测各区域，在整个宽发射波束的覆盖范围内，同时采用多个波束接收，可以等效为波束是连续扫描的。由于发射天线增益较低，所以需要较高的发射/积累时间。当然，这对提高多普勒分辨率有好处。

多发多收模式 MIMO

多发多收模式 MIMO，即 DBF 收、发波束模式。全向雷达的最佳方式是以多输入多输出（MIMO）模式工作的 DAR 系统。

在发射端，DAR 孔径被细分成  个低增益阵元（子阵），每一个阵元（子阵）辐射单一的正交编码波形，在接收端有  个接收通道，在每个独立的接收机上的信号经  个匹配滤波器，每个滤波器与一个发射波形匹配。

因而针对每路接收信号，匹配滤波器分别恢复由各个发射信号分量所产生的回波，从而构成总共为  个匹配滤波器的输出。因为每个发射单元和接收单元的位置是已知的，所以这些  个信号可构成一个或多个指向的波束。最后，再对这些波束进行相应的处理。

数字阵列雷达的基本概念

数字波束形成是阵列天线技术与数字技术共同发展的结果。根据波束形成机理，不仅接收波束形成能以数字方式实现，发射波束形成同样可以数字技术实现。

图源自网络

接收和发射波束均以数字方式来实现的全数字化相控阵天线雷达就称作数字阵列雷达。下面分别就接收数字波束形成、发射数字波束形成、数字阵列雷达主要组成的基本概念作介绍。

接收数字波束形成

接收数字波束形成就是在接收模式下以数字技术来形成接收波束。接收数字波束形成系统主要由天线阵单元、接收组件、A/D 变换器、数字波束形成器、控制器和校正单元组成。

接收数字波束形成系统将空间分布的天线阵列各单元接收到的信号分别不失真地进行放大、下变频、检波等处理变为视频（中频）信号，再经 A/D 变换器转变为数字信号。

然后，将数字信号送到数字处理器进行处理，形成多个灵活的波束。数字处理分成两个部分：波束形成器和波束控制器。波束形成器接收数字化单元信号，经过加权求和来形成波束；波束控制器则用于产生合适的加权值来控制波束。

发射数字波束形成

发射数字波束形成是将传统相控阵发射波束形成所需的幅度加权和移相从射频部分放到数字部分来实现，从而形成发射波束。

发射数字波束形成系统的核心是全数字 T/R 组件，它可以利用 DDS 技术完成发射波束所需的幅度和相位加权、波形产生、上变频所必需的本振信号。如下图所示。

图源自网络

发射数字波束形成系统根据发射信号的要求，确定工作频率和幅相控制字，并考虑到低副瓣的幅度加权、波束扫描的相位加权以及相误差校正所需的幅相加权因子，形成统一的频率和幅相控制字来控制 DDS 的工作状态，其输出经过上变频处理形成所需的射频激励信号。

数字阵列雷达的主要组成

数字阵列雷达系统及其数字阵列模块（DAM）的基本组成框图如下图所示。

图源自网络

每个 DAM 包括相互独立的射频激励的 DDS、功放、收发开关、接收机、A/D 变换及中频正交采样等，同步信号、时钟基准、波束控制信息等经光纤发送给各 DAM。

  路基带  、  信号经一根光纤输出。数字接收机将各路天线接收信号经收发开关、滤波后的信号直接进行 A/D 变换、数字正交采样，而不需要混频器。通过控制各个 DDS 的初始相位，实现发射波束的扫描。

数字阵列雷达的发射波束是在空间合成的，而不需要大功率的合成器和移相器，这是它与常规相控阵雷达的最主要区别。其接收波束是在后继信号处理中通过数字波束形成而得到的。

该系统发射时，由控制处理系统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而产生一定频率、相位、幅度的射频信号，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，经中频 A/D 采样处理后输出  、  两路回波信号。

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，如脉冲压缩、MTI、MTD 等。

数字阵列模块（DAM）T/R 模块

数字阵列雷达的核心部分是数字阵列模块（DAM），它包括基于 DDS 的模拟 T/R 模块和数字 T/R 模块，如上图所示。DAM 包含了整个发射机、接收机、激励器和本振信号发生器。

模块的唯一模拟输入是为系统所有单元提供相干的基准本振信号。这样，T/R 模块可以看做一个完整的发射机和接收机系统，其功能非常类似于许多软件可编程无线电结构的前端。

T/R 模块的模块化结构使人们能对各种应用所需要的专用工作频率和功率电平做相同的基本设计。数字 T/R 组件能完成各种不同形式发射信号的产生和转换。

其次，它能实现频率的转换，在发射通道把数字信号转换为射频模拟信号，在接收通道把接收到的目标模拟信号转换为信号处理机所需的数字信号。另外，发射信号所需的相移完全用数字的方法实现。因此其移相的位数可以做得很高。DAR 天线阵面如下图所示。

图源自网络

再者，采用中频采样的数字接收机可使  、  正交两路信号达到很高的镜频抑制比，因此数字 T/R 组件的收发通道是一个广义的概念，可简单地分成发射数字波束形成通道和接收数字波束形成通道。

数字波束形成（DBF）

数字波束形成是一种以数字信号处理方式来实现波束形成的技术，波束形成处理器将数字的幅度和相位的权值在所有通道信号求和之前加到每一个输入信号中，它保留了天线阵列单元信号的全部信息。并可以构成空间受控的一个或多个定向波束，从而获得优良的波束性能。例如，可自适应地形成波束以实现空域抗干扰；可进行非线性处理以改善角分辨力。

此外，数字波束形成还可以同时形成多个独立可控的波束而不损失信噪比；波束特性由权矢量控制，因而灵活可变；天线具有较好的自校正和低旁瓣性能。数字波束形成的很多优点是模拟波束形成不可能具备的，对提高雷达的性能有着深远的影响，因而越来越广泛地应用于现代雷达。

高速大容量数据传输技术

高速大容量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必不可少的。大型阵列雷达大多采用光纤或低电压的差分传输（LVDS）来实现高速大容量数据传输。

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