一种大型分布式阵列雷达频率与相位同步

摘要:分布式数字阵列雷达由于其优良的探测性能,是现代预警探测领域未来发展方向之一,为获得分布式和数字阵列体制融合应用的理想探测得益,雷达频率源系统设计范畴已超越了传统频率合成器的概念,相距几十公里预警探测雷达收发系统频率源必须实现远程相参、同步。详细介绍了频率源系统设计,该频率源由频率合成器、微波光电传输与数字阵列单元(DAM)本振时钟分配三部分组成,其中远程微波光电低相噪传输是设计重点,文中最后给出了实验数据和研制结果。

0 引言

随着雷达技术的发展,雷达频率源系统设计范畴已超越了传统频率合成器的概念,如多基地、分布式雷达时间与相位同步,近程杂波的相关对消,数字阵列雷达的噪声合成等。为获得分布式雷达理想的探测性能,分布式收发站之间必须实现良好的相位同步,分布式雷达收发站之间距离较远,可达几十公里,传统的有线微波链路传输损耗极大,几十公里的损耗达几千分贝,几乎无法实现基准信号的传输与同步。实现分布式之间相位同步目前主要有4种方式:(1)微波信道发送频率与相位同步的校准脉冲;(2)利用导航卫星(如GPS、北斗导航)的时间基准进行频率与相位同步;(3)采用锁相接收机对基准信号频率与相位进行远程锁定;(4)远程微波光电传输实现双站之间频率与相位同步。这四种方案中,微波光电传输技术的同步带宽最大,相参性能最优[1]。

本文涉及的雷达为某S波段分布式远程预警雷达,其中接收站为主站,发射站为辅站,收发站之间距离约为50 km。由于该数字阵列雷达为地面固定式系统,杂波主要来源于时间相关性较强的近程地杂波,因此采用了相位噪声相关性设计,如数字阵列雷达为机载雷达,杂波主要来源于时间相关性较差的远程地杂波,该频率源系统将采用分布式噪声去相关设计,该技术将另文讨论。为获得系统优良信噪比和动目标检测特性,系统频率源采用低相噪频率合成技术,同时为实现雷达系统收发站之间最大的系统相位相参性,方案采用微波光电传输技术实现超远程相位同步[2]。

1 系统设计

该雷达为地面固定式大型数字阵列远程预警雷达,其杂波主要来源于近程地物杂波,其固定回波近载频相位噪声与系统信号近载频相位噪声存在较大的时间相关特性,因此系统频率源方案采用集中式频率源体制。收发站均为地面站,两站之间距离较远,微波路径遮挡严重,难以采用微波锁相接收实现两地同步,而利用导航卫星(如GPS、北斗导航)进行频率与相位同步带宽过窄,难以满足系统宽带相参的要求,且对导航卫星系统有强依赖性,不宜采用,因此方案采用远程微波光电技术实现异地相位同步、噪声相参。该雷达为超远程预警系统,采用大型数字阵列体制,接收和反射天线均有近万个数字阵列组成,天线大而复杂,每16个接收单元组成1个RDAM,每16个发射单元组成1个TDAM。接收站为雷达主站,其主工作舱与大型接收阵列天线之间距离等效约百米,且电磁环境复杂,因此,安置于主工作舱的频率合成器与接收天线之间也采用微波光电技术实现本振与时钟的传输,系统频率源方案框图如图1所示[3]。

图1 双基地数字阵列雷达频率源系统

雷达主舱与接收天线设计传输距离设计为200 m,雷达主舱与发射天线设计距离为50 km,均采用单模野战光缆。

2 频率合成

该雷达为大型数字阵列雷达,由上万个数字收发单元组成,为简化系统设备量,系统收发微波链路采用一次变频。为适应多带宽模式、商用化波形产生器DDS及ADC数字采样,收发单元采用不同的采样时钟。本振频率为S波段,频率覆盖范围为400 MHz,最小步进为5 MHz,采用模拟直接频率合成,满足跳频时间小于5μs,以适应捷变频抗干扰和频率分集。系统各类时钟采用数字锁相合成,实现在任意状态下时钟同步且相位关系一致,保证系统多通道数据的稳定。频率合成器方案框图如图2所示。

图2 频率合成器实现框图

3 光电传输与网络分配

微波光子学是一项被认为对雷达系统产生重大影响的新技术领域,其中光电技术在射频传输中将具有巨大的应用前景,主要优点是:具有超远程的传输能力;无电磁泄漏,不易被截获和干扰,强电、雷击等不会影响光纤的传输性能,甚至在核辐射的环境中,光纤传输仍能正常进行;体积小重量轻易集成;对振动不敏感,易于多路信号间相位的稳定。高性能的射频光电传输在某些领域将替代传统的同轴电缆,成为阵列雷达、多基地雷达、远程无人值守雷达以及稀布阵雷达传输本振及时钟的优选方案。基本的射频光电传输系统由光调制器、光纤、光解调器三部分组成,为实现超远程和多路传输,链路还常常包括光隔离器、光波复用器、光分路器、光放大器等。

微波光电传输与接收的主要难点是噪声、增益及动态的控制,其中微波光电链路增益与激光器转换效率、光纤的损耗、探测器转换效率、激光器和探测器阻抗及链路负载有关;噪声主要包括热噪声、相对强度噪声和散粒噪声,链路有光放大器时还存在放大器噪声。光链路下电模型的建立,是光电传输系统设计的关键,目前我们已完成这方面的研究,该技术已应用于基于无源定位的机场综合监视雷达接收机。

为保证50 km远距离复合时钟(同步时钟和DDS时钟)之间的相位同步性,采用同一光电链路进行传输,即不同载频由同一光波长进行调制,用单光纤进行传输,在接收端,用同一光波长进行解调接收。

对于上万个单元大型数字阵列雷达,阵面上本振与时钟的分配是繁杂的,主要涉及相位一致性和稳定性、各路之间的高隔离、连接电缆的数量等。本振采用多级分配放大,提高路路之间隔离;同步时钟和采样时钟(或DDS时钟)采用合并传输,以减少射频电缆的数量,在RDAM(或TDAM)内再由双工滤波器进行分离,滤波器的相位不稳定性是时钟路路间相位不稳定性的主要因素。滤波器之间相位特性主要有相位不一致性和相位不稳定性,其中一定范围内的相位不一致性可以采用多通道之间幅相校准进行定标,而相位不稳定将影响校准的频率和效果,是设计的重点。产生滤波器之间的相位不稳定性主要是滤波器延时特性对温度的敏感性造成的,通过实验研究,发现较高频率的采样时钟(DDS时钟)采用介质滤波器,低频率的同步时钟采用集总参数LC滤波器是较好的选择,发射阵本振与时钟实现框图如图3所示。

接收阵本振与时钟实现框图与图3相同。该方案的优点是路径传输相位一致性好,光元件相对较少,成本低;缺点是需要较多数量的射频滤波器,同时对光调制解调器线性度要求较高,否则会产生较大的多载频互调干扰。

4 研制结果

频率源系统已完成了样机研制和雷达整机实验[4],效果良好。其相位噪声、杂波抑制、多路之间相位一致性如下:

图3 发射阵本振、时钟光电传输实现框图

频率合成器本振相位噪声:-122 d Bc/Hz@1k Hz,-127d Bc/Hz@100k Hz,-145dBc/Hz@1MHz,如图4所示。

微波光电远程传输后相位噪声:-121d Bc/Hz@1k Hz,-126dBc/Hz@1k Hz,-140d Bc/Hz@1MHz,如图5所示。

该远程传输本振和时钟任意之间具有极高的幅度和相位稳定性,路路之间隔离度较高,满足接收通道之间的相互隔离度的要求。工作稳定后半小时内幅相稳定性和隔离度如表1所示。

同步时钟和采样时钟(或DDS时钟)在同一个光电调制器上进行多载频调制和接收,同一个光纤进行传输,有利于多时钟相位的高度一致性,但多载频射频信号在光调制解调器内会产生互调干扰,要求调制器有较好的线性度,通过调整激光功率和合适的接口电平,交调分量可控制在-60dBc以下。

5 结束语

图4 合成器本振相位噪声

图5 本振光电远程传输后相位噪声

表1 微波光电传输任两路之间幅相稳定性与隔离度

随着雷达技术的发展,雷达频率源系统设计范畴已远远超越了传统频率合成器的概念,如多基地、分布式雷达时间与相位同步,近程杂波的相关对消,数字阵列雷达的噪声合成等。设计不仅仅关注各自频谱纯度和相位噪声,而需要关注多站之间时间与相位同步,以及本振、时钟的相位噪声组成结构与相互之间的相关性[5-6]。本文利用微波光电技术实现超低相位噪声本振与时钟的超远程传输,使收发站之间实现良好的宽带相参,同时实现超低相位噪声。随着相关技术的发展,特别是光电元件的发展和成本的降低,微波光电技术在未来的雷达领域将有更广泛的发展前景。

[1]吴曼青.数字阵列雷达的发展与构想[J]雷达科学与技术,2008,6(6):401-405.

[2]YAO Jianpin.Microwave Photonics[J].IEEE International Workshop on Electromagnetics,Applications and Student Innovation,2012,27(3)314-335.

[3]方立军,李佩,马骏,等.基于微波光电技术的未来数字阵列构想[J].雷达科学与技术,2013,11(6):583-586.

[4]方立军,柳勇,张焱,等.射频光电传输的实验研究[C]∥第十二界全国雷达学术年会论文集,武汉:中国电子学会无线电定位技术分会,2012:439-442.

[5]宋靖,张剑云,代林,等.基于相位同步的分布式全相参雷达参数估计及相参性能[J].中国科学,2015,45(5):668-684.

[6]孟喆,刘光炎.多基站星载SAR相位同步链路误差分析[J].现代雷达,2015,37(2):8-12.

(The38th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation,Hefei230088,China)

Abstract:Because of superior detection capability,distributed digital array radar is one development direction of early warning detection in the future.In order to get the ideal detection gain of the distributed digital array,the design of its frequency source system is different from the traditional frequency synthesizer.The frequency sources in the transmit station and the receive station of the early warning radar are separated tens of kilometers.They must be designed to be phase coherent and synchronous through long distance.The design of the frequency source system is introduced clearly.The frequency source is composed of frequency synthesizer,microwave photonic transmission device and digital array module LO distributor.Long distance microwave photonic low phase noise transmission is the most important.At last,the experiment data and development results are given.

Key words:distributed;frequency source;microwave photonics;digital array radar

方立军男,1969年生,中国电子科技集团公司第三十八研究所研究员,主要从事频率合成器及雷达接收机研究工作,发表论文近50篇,获专利8项,国防科技进步一、二等奖7项。E-mail:38_flj@163.com