數(shù)字陣列雷達(dá)：零中頻接收機(jī)的優(yōu)缺點

數(shù)字陣列雷達(dá)可以實現(xiàn)陣元級的數(shù)字收發(fā)，為了減少射頻前端的復(fù)雜性同時降低對高采樣率的需求，本文簡單介紹正交解調(diào)接收機(jī)，或者稱為零中頻接收機(jī)，從而每個陣元只需要一個本振就可以了。

零中頻接收機(jī)的一個重要的缺陷是IQ正交通道的不平衡性，那如何降低這種不平衡性的影響呢？本文介紹了一種IQ通道不平衡性的補償方法，這種方法利用數(shù)字陣列架構(gòu)實現(xiàn)這些誤差的解相關(guān)，并且可以顯著降低這些誤差對數(shù)字波束形成的影響。

零中頻接收機(jī)

數(shù)字陣列雷達(dá)是的特征是在陣列天線的每個陣元上以數(shù)字化的形式形成發(fā)射波形，而接收到的信號在陣列單元處數(shù)字化，并且，波束合成是在數(shù)字化后的信號處理階段中，而不是在射頻階段。

為了降低射頻前端的復(fù)雜性，同時降低對高采樣率的需求，提出正交解調(diào)接收機(jī)(又稱零中頻接收機(jī)等)，這種接收機(jī)的各個接收陣元只需要一個本振，這種架構(gòu)需要較少的濾波器及較低的轉(zhuǎn)換采樣率。

優(yōu)點：

這帶來了如下好處：1)降低和損耗和能量損失；2)更容易實現(xiàn)多接收通道的集成；3)降低每個接收通道的數(shù)據(jù)率，從而使大型陣列的后端處理成為可能。

缺點：

然而零差架構(gòu)也帶來了些許影響雷達(dá)性能的缺點，如IQ不平衡，二階交調(diào)，直流分量以及1/f噪聲。本文的主要工作是數(shù)字陣列中IQ通道不平衡誤差的補償。陣列的每個陣元的接收通道缺陷的去相關(guān)已經(jīng)進(jìn)行了一段時間。

雖然有一些射頻前端的非理想因素，如混頻器雜散去相關(guān)，但學(xué)術(shù)界主要聚焦于模數(shù)轉(zhuǎn)換過程中的雜散。

I/Q通道幅相不平衡

IQ通道的幅相不平衡導(dǎo)致了一個IQ鏡像。雷達(dá)應(yīng)用比其他應(yīng)用場景對這個鏡像的抑制需求更為迫切；單通道IQ不平衡修正技術(shù)無法滿足多通道雷達(dá)應(yīng)用需求。

然而，對于數(shù)字陣列，這些誤差存在著被去相關(guān)化的可能，使得總的數(shù)字波束形成的IQ鏡像明顯低于任何單個通道的輸出鏡像。已有兩種方法出現(xiàn)在公開文獻(xiàn)中。

而重點關(guān)注一種新的方法，即考慮陣列中的所有陣元及所有陣元不平衡性的統(tǒng)計估值。確定了提高陣列級鏡像抑制率的單個補償因子。

本文將描述接收通道IQ解調(diào)過程并提出一種窄帶數(shù)字陣列的解析解。這些隨后應(yīng)用于一個有32個數(shù)字接收單元的陣列的實測數(shù)據(jù)處理。不平衡解調(diào)技術(shù)還與陣元級直接補償技術(shù)進(jìn)行了比較，表明該技術(shù)顯著提升了鏡像抑制率。

前面所講的IQ通道不均衡性會產(chǎn)生虛假的多普勒目標(biāo)，事實上，之前通常采用選擇合適的采樣率和使用數(shù)字信號處理實現(xiàn)下變頻為IQ信號，這種IQ圖像是雷達(dá)系統(tǒng)工程師們時常遇到的。如果有用的回波信號包含多普勒分量，那么這個鏡像也會有多普勒頻移，表現(xiàn)為一個較小的，徑向速度與真實目標(biāo)相反的虛假目標(biāo)。

三種補償方法

為了比較數(shù)字陣列的IQ不平衡補償方法，我們假設(shè)采用均勻陣列加權(quán)，且波束指向天線軸線方向，在有N個正交接收機(jī)的情況下，波束形成器的輸出為

接下來介紹下三種IQ不均衡補償方法：陣元級補償，隨機(jī)相位分量法和單復(fù)因子補償法。

陣元級補償：

典型情況下可以達(dá)到40到60dB的鏡像抑制比，有時也可以達(dá)到70dB，如對于通信系統(tǒng)的單通道情況。

陣元級的幅相不平衡直接補償?shù)娜秉c是不平衡誤差估計值的不準(zhǔn)確性，可以在試驗結(jié)果中看出。在現(xiàn)有噪聲水平下的任何估值，這種估值受制于考慮的采樣點的數(shù)量，信噪比，或者兩者皆有。

隨機(jī)相位分量法：

實現(xiàn)數(shù)字陣列雷達(dá)IQ通道不平衡性解相關(guān)的可行方法是認(rèn)為引入已知的隨機(jī)相位分量方法，即在數(shù)字波束成形之前，在RF通道或LO通道和隨后的數(shù)字處理通道中加入已知的隨機(jī)相位分量。

在每個單元的LO端口合成一個可控的相對相移分量。然而，這種架構(gòu)在相位噪聲的改善依賴于雜波環(huán)境的強(qiáng)弱和陣列的尺寸。無論如何，這種方法還是值得考慮的，因為它具有低成本，彈性和概念簡單的優(yōu)點。

單復(fù)因子補償法：

這個復(fù)因子應(yīng)用于波束形成相加之后，并影響陣列的維度(陣元數(shù)量)，且實現(xiàn)通道不平衡的均值估計。其實現(xiàn)方法如圖所示，第n通道的I和Q分量，可以用復(fù)指數(shù)表示。

這種陣列級的補償使陣列級的IRR趨向于無窮，這種理想極限在通道級的不均衡性估計精度和幅度相位單因子補償精度有限的情況下是可以實現(xiàn)的。

由于單因子和陣元級補償方法都有依賴于相同的信道振幅和相位不平衡估計，它們的初值是相同的，達(dá)到52.6 dB的IRR值，提高了26 dB。用于單因子補償?shù)钠骄黄胶庹`差是根據(jù)方程中描述的信道不平衡估計量來計算的。

估計值的準(zhǔn)確性受每個通道信噪比的限制，其精度將限制陣元級和單因子補償方法的有效性。估計值的準(zhǔn)確度取決于信噪比，也可能取決于估計過程中使用的數(shù)據(jù)點說明初始因子在實現(xiàn)最優(yōu)IRR的真實因子的附近。

來源：雷達(dá)通信電子戰(zhàn)