1、概述

數字陣列雷達系統在發射端通過天線向空間發射同時多波束信號進來多目標 探測。其中，數字波束形成技術是一種以數字信號的形式來實現在某個指定方向或 多個不同方向形成波束的技術。該技術通過使用軟件來控制權向量，從而更容易地 改變波束的指向，并利用數字處理方式的優勢，提高了波束的分辨率和低副瓣的性 能，同時提高波束的抗干擾能力。DBF技術一開始主要運用在雷達系統的接收端， 但經過研究分析發現數字多波束形成技術也可在發射端使用。本章首先介紹數字 陣列雷達系統的基本框架，同時介紹基于均勻矩形平面陣列的發射陣列信號模型， 然后介紹發射數字多波束形成的基本原理和三種計算多波束權向量的算法，最后 給出不同算法的波束形成功率圖。

該數字陣列雷達系統主要由陣列天線、射頻模塊、數字T/R組件、多波束發射 信號模塊、接收信號處理模塊、數據處理模塊及控制單元等幾個部分組成。其中多 波束發射信號模塊根據探測多波束的需求，使用不同的波束形成算法來計算或查 表得到多波束發射的權值，再結合基帶信號的形式（如線性調頻信號）得到各發射 通道需要的多波束發射信號，然后通過數字T/R組件將發射信號送到射頻模塊， 完成射頻調制后通過陣列天線將信號發射出去；當發射多波束信號遇到目標以及 地海平面時，數字陣列雷達系統的接收機接收到由目標和地海平面反射回來的信 號，然后各個陣元將接收到的射頻信號經過射頻模塊變頻和數字T/R組件采樣后 得到數字中頻信號，最后將該接收信號送入數字信號處理機進行接收信號處理，主 要通過對接收信號使用多波束形成技術得到多個波束通道，然后針對每個波束通 道進行空時信號處理與雜波抑制，從而實現目標檢測，檢測到目標后使用基于壓縮 感知理論的測角技術進行目標角度測量，然后控制單元根據處理結果實施相應的 控制。

各個陣列通道的射頻信號經過數字 T/R組件采樣和數字下變頻后得到了數字基帶信號；在完成通道校正后，根據發射 多波束的方向進行接收數字多波束形成，得到P個波束通道；然后針對每個波束通 道，依次完成匹配濾波、空時雜波處理和目標檢測；檢測到目標后，針對目標所在 距離單元進行超分辨測角，最終將目標檢測結果及參數測量信息輸出，送數據處理 模塊完成后續處理。

數字陣雷達發射數字波束的形成過程是通過改變發射信號的相位和幅度，從 而讓每個天線陣元的信號獲得相位補償后，利用天線陣元將發射信號輻射出去，然 后在空間的某個方向形成波束。

在基帶分別對發射信號進行幅度和相位加權以實現陣元相位補償，若想進一步降低副瓣可以通過使用加窗函數的方法來控制權 向量的幅度。數字配相法可根據不同需求在空間形成單個波束或者同時形成多個 波束指向不同且波束形狀可不相同的波束，從而實現發射數字多波束形成。

基于數字配相法的發射多波束形成只要已知陣列的結構和信號對應的陣列導 向矢量，就可以輕易計算出每組權向量的值。該方法使用的是靜態權向量，所以該 方法更適合發射信號之間相互獨立的情況，此時各個波束之間是相互獨立的關系。但是當發射信號相關時，多波束形成時的和功率方向圖不等于每個發射信號的功 率方向圖相加，此時還需加上信號之間相關分量對應的功率方向圖，對于發射信號 是相同信號時，此時多波束形成的多個權向量疊加作為單一信號的新權向量。

2、功率放大器對發射同時數字多波束的影響

數字陣列雷達系統的發射同時多波束形成技術的研究可知，數字 陣列雷達系統的發射機在發射信號時需要利用功率放大器將輸入信號放大后再輸 出。實際上射頻功放的最大特點是其非線性特性，若輸入混合信號的電平越大，由 非線性產生的失真分量越多，發射信號的畸變越嚴重。根據上一章發射同時多波束 形成的原理可知，天線陣元發射的信號是多個信號進行加權疊加后的和信號，此時 和信號的包絡不是固定不變的。如果功率放大器在線性區域工作，此時功率較小從 而導致工作效率低，如果功率放大器在非線性區域工作，混合信號作為輸入信號經 過功放后會產生互調分量，從而對發射同時數字多波束產生一定的影響。為了從理 論上更好地分析發射數字多波束場景下的功放非線性特性的影響，首先要對功率 放大器建立合適的數學模型，然后分析輸入信號經過無記憶功放行為模型得到的 輸出信號，通過頻譜圖分析第二章的三種波束形成算法的特點，設計期望信號波束 形成的峰值功率與互調分量波束形成的峰值功率的比值作為指標，利用該指標分 析功放的非線性特性對數字陣雷達發射同時多波束的影響。

數字陣雷達系統發射信號時通常需要借助功率放大器將輸入信號功率放大后， 再通過天線將輸入混合信號輻射到空間，因此功率放大器的特性會對發射信號所 攜帶的信息產生影響。眾所周知，非線性特性是功率放大器固有的特點，其會導致 信號的波形產生失真，通常表現在新頻率的出現，除了原始信號的頻率分量外，還 會包含很多高次諧波分量以及由各信號頻率與它們諧波分量之間的和頻率或差頻 率即互調分量。那么在數字陣發射同時多波束形成系統中，其發射信號通常是多個 不同信號疊加后的和信號，由于功率放大器始終存在著非線性特性，一旦功率放大 器工作在非線性區時，那么輸入混合信號通過功率放大器放大后的輸出信號中不 僅包括原始的輸入混合信號的信息，還會存在與新頻率對應的互調分量與諧波分 量。若是從雷達發射多波束進行目標探測的角度來看，互調分量對應的信號就變成 了干擾，那么就有可能導致發射同時多波束的功率方向圖發生畸變，且會增大雜波 信號的能量，在一定程度上會影響主波束對目標的探測。

3、基于同時接收多波束的空時雜波抑制算法

全數字化的陣列雷達系統可實現多目標檢測、搜索、定位、跟蹤、尋找等一體 化雷達技術。發射多波束形成是實現雷達技術一體化的重要實現途徑。在接收端對 每個發射波束的回波進行同時接收處理，可提高系統信號處理效率。在雷達系統接 收到的回波信號中，其中目標信號是感興趣的信號，而摻雜的干擾信號和雜波信號 是不感興趣的信號，此時需要將干擾和雜波等不感興趣信號進行濾波抑制，從而避 免其對目標信號檢測的影響。本章首先介紹陣列接收信號模型和雜波空時信號模 型，根據發射同時多波束信號進行多目標探測的需求，對回波信號進行多波束形成 技術形成多個波束通道，然后分別對每個波束通道進行空時信號處理與雜波抑制。因此，介紹非自適應處理和STAP自適應處理這兩種雜波抑制算法，最后根據不同 場景給出實驗仿真。

表示同時多波束形成框架下進行雜波抑制的非自適應處理過程，首先對 回波信號在空域上進行同時多波束形成，得到多個波束通道后，分別對每個波束通 道進行匹配濾波，MTD處理和CFAR檢測，若存在目標，則輸出目標所在的距離 和多普勒信息，最后用超分辨方法進行角度測量。因此，在發射同時多波束的框架 下可以實現同時多目標檢測。當發射信號是獨立信號時，通過對回波信號進行波束 形成和匹配濾波可以減少其他波束的干擾，但當發射信號是相同信號時，對回波信 號進行波束形成和匹配濾波并不能完全避免其他波束的干擾。

空時自適應處理的原理是根據最后輸出的信雜噪比（Signal to Clutter Noise Ratio, SCNR）取得最大值的準則計算出一組最優權向量，然后對每個脈沖的匹配 濾波輸出數據進行權向量加權后求和。

若陣列陣元數或者脈沖數過多時，常規的空時自適應處理計算量大，在實際工 程中實現困難，因此實際應用中通常會考慮使用降維STAP處理。JDL降維STAP 算法[ 26]主要是選取一個主通道，然后選擇主通道臨近的一些輔助通道來消除目標 所在位置的雜波信號。

數字陣雷達陣列接收到的回波信號經過匹配濾波后的數據一般稱為空域-時域 數據，降維STAP算法需要通過FFT變換將空域-時域數據變換到角度-多普勒域。均勻矩形平面陣陣列的接收數據經過FFT變換后共有MNK個通道，每個通道對應 著不同的角度-多普勒頻域。因為目標所在的通道存在著一定的雜波信號，因此可 借助目標通道附近的輔助通道來對消主通道的雜波，從而更好地實現目標檢測。而 降維STAP的關鍵是降維矩陣T的構建，一般選擇的波束域不同，那么選擇的輔助 通道也不同，即從1T抽取得到T的方法不同。

圖4-8 JDL3×3角度-多普勒二維波束選擇示意圖

綜上，同時多波束框架下進行雜波抑制的降維空時自適應處理流程如圖4-9所 示。首先構造降維矩陣T，將回波數據轉為角度-多普勒域數據Tx，然后再對數據T x做匹配濾波，使用匹配濾波輸出數據估計協方差矩陣，從而計算最優權向量， 使用最優權向量對數據Tx進行加權處理后實現雜波抑制，最后進行CFAR檢測。 為降低運算量，不直接對陣列接收到的回波數據做匹配濾波，先通過降維矩陣T實 現降維后再進行匹配濾波。若發射多波束個數為4時，接收的主波束通道也為4， 使用JDL3×3降維STAP算法，每個主波束通道還應有兩個相鄰的輔助通道，則 需要的波束通道數總共為12個，匹配濾波器的數量由原來的陣元通道數降低為12 個，從而降低了計算量。

審核編輯：湯梓紅