深入了解扫描阵列雷达信号处理

主动电扫描阵列 (AESA) 雷达是当今先进武器系统的关键组成 ， 特别是机载作战系统。而其体系结构的未来发展将超越最初的军事应用，延伸到地球物理测绘、汽车辅助驾驶、自动车辆、工业机器人和增强现实等领域：实际上，这包括任何需要对大量的传感器数据进行调理，融合到模型中进行判决的应用。

随着 AESA 体系结构的扩展 ， 它们将突破雷达信号处理专业应用 ， 延伸到其他应用中。在外部应用中，这些设计会遇到典型的嵌入式设计流程：以 CPU 和软件为中心的，基于 C 的以及与硬件无关的。本文中，我们将介绍先进的扫描阵列雷达，从经验丰富的雷达信号处理专家的角度以及传统的嵌入式系统设计人员的角度来研究其体系结构。

典型系统的角色

扫描阵列和传统移动盘式雷达的不同在于天线。扫描阵列并没有采用熟悉的连续旋转抛物线天线，而是在大部分系统中采用了平面静止天线。阵列并不是有一个单元聚焦在反射器上，而是有数百上千个单元，每个单元都有自己的收发器模块。系统电子电路处理每一单元信号的振幅和相位 ， 形成雷达波束和接收方向图并聚焦 ， 设置定义总天线方向图的干涉方向图。

这一方法避免了采用大量的移动部件，支持雷达实现传统天线采用物理方法无法获得的功能，例如，瞬时改变波束方向，发送和接收同时有多个天线方向图，或者把阵列分成多个天线阵，完成多项功能 —— 也就是，根据地形搜索目标，同时跟踪目标。这些方法只需要在发送器增加一些信号，在每一接收器将信号分开。重叠是一种很好的方法。

一个完整的系统从CPU簇传输到天线，然后再返回 ( 图 1 ) 。 一开始处理时，软件控制的波形发生器产生系统要发送的啁啾。取决于应用，降噪、多普勒处理和隐身的需求会对信号有所损伤。

图 1 .一个非常简化的 AESA 系统结构图。

波形发生器将信号送到聚束网络中。在这里，信号被连接至每一发送通道。在这一级，数字复用器在通道上应用振幅权重来实现空间滤波，对波形整形。这一步也可以稍后再做。在很多设计中，每一通道的信号现在会通过一个数模转换器 (DAC) ，然后输入到模拟 IF 和 RF 上变频器中。 RF 上变频后，信号到达独立的发送器模块，附加上相移或者时延，调整振幅 ( 如果在基带没有做 ) ，最终进行滤波和放大。

一开始，接收到的信号实际上通过与反方向相同的通路，在后端要进行更多的处理。在每一个天线单元，限幅器和带通滤波器保护了低噪声放大器。放大器驱动 RF 下变频器，可以结合模拟放大和调相功能。信号从 IF 级传输到基带，每一天线单元的信号到达其模数转换器 (ADC) 。然后，聚束模块把天线信号重新组合成一路或者多路复数数据采样流，每一数据流代表了来自某一接收波束的信号。这些信号流通过大占空比的数字信号处理 (DSP) 电路，进一步调理数据，进行多普勒处理，尝试从噪声中提取出实际信号。

什么时候进行数据转换

在很多设计中，大部分信号处理工作是以模拟方式完成的。但是，随着数字速度的提高，功耗和成本的降低，数据转换器与天线靠的越来越近。 Altera 应用专家 Colman Cheung 建议了一个理想的系统，直接从 DAC 驱动天线单元。但是， 2013 年，这类设计在技术上还无法实现，特别是， trans-GHz RF 。

目前可以把数据转换器放在 IF 中，进行 IF 频率转换，所有基带处理工作都是数字化的 ( 图 2 ) 。 可以在基带聚束网络中，以数字方式在天线单元之间产生干涉方向图的时延，每一个天线单元并不需要模拟相移器或者延时线。这种划分方法支持 DSP 设计人员把发送和接收通路分解成分立的功能 —— 乘法器、滤波器、用于延时的 FIFO ，以及加法器，在 MATLAB 中对其进行建模，从库中实现它们。可以把要求最苛刻的功能放到专门开发的 ASIC 、 FPGA 或者 GPU 芯片中，而把要求不太高的运算分组成 DSP 芯片或者加速器中的代码。

图 2 .把数据转换器放到 IF 级的最后。

需要特别注意信号从聚束网络出来后的接收链信号处理 ， 这是因为其存储器和处理需求会非常大 ， 涉及到的动态范围非常宽 —— 从干扰发射器输入到搜索探测范围的每一边沿。会需要高精度浮点硬件，还需要更强的处理能力。

在其最后级，有目的的对接收链进行修改并实现。通过其滤波、聚束和脉冲压缩级，链的任务是从噪声中提取出信号，特别是那些可能承载了环境中实际目标信息的信号。然后，重点从信号转向它们所代表的目标，任务的本质发生了改变。

从信号到目标

脉冲压缩是这一抽象过程的开始。在时间域或者频域，脉冲压缩器一般通过自相关找到