基于开放标准雷达系统的高性能阵元处理架构

传统上,绝大多数已部署的军用雷达系统采用电子扫描相控阵(ESA)雷达技术,由100至10000个发收发(T/R)单元组成。这些基于ESA的雷达系统在实现上各不相同,但通常通过阵列单元实现波束成形。然后将得到的模拟信号数字化。下一步涉及到数字波束形成器(DBF),然后通过各种数学技术,生成最终的波束形成图像。

生成的图像随后被发送到目标计算机的以满足不同雷达的需求。由于新型模数转换器(ADC)的出现,模拟信号数字化的步骤可能很快就会消失;另外,随着高带宽、低延迟网络的发展,以及对数字信号处理器(DSP)的重大改进,实现单元级的数字化指日可待。这将是数字阵列雷达(DAR)的一个新时代。

这种级别的数字化将允许通过简单地修改系统软件来实现功能的改变,而在基于ESA的模拟雷达中,这是很困难的。

当今军事系统采用DAR架构的最大障碍之一是如何从传统的脉动式DBF设计转变为完全并行的DBF。新的开放标准商用现货(COTS)基于OpenVPX™的系统,以其新颖的背板互连方法,可以为系统设计人员提供重要的体系结构灵活性,他们需要这种灵活性来快速、轻松地将当前ESA雷达迁移到DAR。

雷达通常用于定位、跟踪和识别目标。这些功能是通过发射无线电波和用某种传感器捕捉返回信号来完成的。这个过程已经从早期雷达中使用的单一发射器发展到我们今天看到的阵列中部署的多个传感器。现代传感器阵列的特点是大量应用收发(T/R)单元。将T/R单元聚合在一起的过程称为波束形成。


在雷达的早期,波束形成是全模拟的。现在,随着技术改进,包括“新的高速、低噪声、大带宽ADC;高速、大带宽、低延时网络;新的高速DSP,雷达系统的数字化程度有望迅速提高。DAR具有多种优势,如自适应数字波束形成、自适应角度估计和针对集群的时空处理”。所有这些特性都有潜力显著提高雷达系统的能力、可用性,以及可靠性当然购置成本也会上升。

图1所示为传统但电扫雷达的原理框图。在这个模型中,TR模块接收的信号被分成多路信号并分组以实现接受信号的多路复用,然后进行信号的数字化。接下来,这些信号集群通过数字波束形成装置,以便雷达后端处理器能够跟踪、定位和识别,或者成像。


TR单元级数字化的原理如图2所示。在这个阶段,每个TR阵列都进行数字化,不需要模拟聚类或波束形成。实时波束形成器(RTB)可以是完全并行或脉动的。

全数字的DBF架构如图3所示,通过将M个收发模块与N和信号处理单元连接起来的高速网络实现性能的提升。而脉动式DBF则通过传感器串行网络实现数字化模拟信号在串行流中的波束形成,如图4所示。


根据TR单元的数量、需要数字化的信号的带宽和位宽以及所需的大量计算,创建一个DAR可能很困难。幸运的是,移动电话、高清电视(网络带宽)和电脑游戏的商业市场——以及摩尔定律——为数字化能力的提升提供了帮助。


然而技术的快速进步也带来了问题,即系统设计者要为每年改进的新雷达系统创建所需的新电路板和系统(背板和底盘)。一个更好的简化系统集成的方法是使用基于openvpx的COTS板来设计DAR,这样可以降低技术改进的成本,并且不需要移除安装底盘或系统来进行维修和升级。

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