主動(dòng)電掃描陣列 (AESA) 雷達(dá)是當(dāng)今先進(jìn)武器系統(tǒng)的關(guān)鍵組成 ， 特別是機(jī)載作戰(zhàn)系統(tǒng)。而其體系結(jié)構(gòu)的未來發(fā)展將超越最初的軍事應(yīng)用，延伸到地球物理測繪、汽車輔助駕駛、自動(dòng)車輛、工業(yè)機(jī)器人和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)等領(lǐng)域：實(shí)際上，這包括任何需要對大量的傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)理，融合到模型中進(jìn)行判決的應(yīng)用。

典型系統(tǒng)的角色

這一方法避免了采用大量的移動(dòng)部件，支持雷達(dá)實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)天線采用物理方法無法獲得的功能，例如，瞬時(shí)改變波束方向，發(fā)送和接收同時(shí)有多個(gè)天線方向圖，或者把陣列分成多個(gè)天線陣，完成多項(xiàng)功能 —— 也就是，根據(jù)地形搜索目標(biāo)，同時(shí)跟蹤目標(biāo)。這些方法只需要在發(fā)送器增加一些信號(hào)，在每一接收器將信號(hào)分開。重疊是一種很好的方法。

一個(gè)完整的系統(tǒng)從CPU簇傳輸?shù)教炀€，然后再返回 ( 圖 1 ) 。 一開始處理時(shí)，軟件控制的波形發(fā)生器產(chǎn)生系統(tǒng)要發(fā)送的啁啾。取決于應(yīng)用，降噪、多普勒處理和隱身的需求會(huì)對信號(hào)有所損傷。

圖 1 .一個(gè)非常簡化的 AESA 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

一開始，接收到的信號(hào)實(shí)際上通過與反方向相同的通路，在后端要進(jìn)行更多的處理。在每一個(gè)天線單元，限幅器和帶通濾波器保護(hù)了低噪聲放大器。放大器驅(qū)動(dòng) RF 下變頻器，可以結(jié)合模擬放大和調(diào)相功能。信號(hào)從 IF 級傳輸?shù)交鶐В恳惶炀€單元的信號(hào)到達(dá)其模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 。然后，聚束模塊把天線信號(hào)重新組合成一路或者多路復(fù)數(shù)數(shù)據(jù)采樣流，每一數(shù)據(jù)流代表了來自某一接收波束的信號(hào)。這些信號(hào)流通過大占空比的數(shù)字信號(hào)處理 (DSP) 電路，進(jìn)一步調(diào)理數(shù)據(jù)，進(jìn)行多普勒處理，嘗試從噪聲中提取出實(shí)際信號(hào)。

什么時(shí)候進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

目前可以把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器放在 IF 中，進(jìn)行 IF 頻率轉(zhuǎn)換，所有基帶處理工作都是數(shù)字化的 ( 圖 2 ) 。 可以在基帶聚束網(wǎng)絡(luò)中，以數(shù)字方式在天線單元之間產(chǎn)生干涉方向圖的時(shí)延，每一個(gè)天線單元并不需要模擬相移器或者延時(shí)線。這種劃分方法支持 DSP 設(shè)計(jì)人員把發(fā)送和接收通路分解成分立的功能 —— 乘法器、濾波器、用于延時(shí)的 FIFO ，以及加法器，在 MATLAB 中對其進(jìn)行建模，從庫中實(shí)現(xiàn)它們。可以把要求最苛刻的功能放到專門開發(fā)的 ASIC 、 FPGA 或者 GPU 芯片中，而把要求不太高的運(yùn)算分組成 DSP 芯片或者加速器中的代碼。

圖 2 .把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器放到 IF 級的最后。

在其最后級，有目的的對接收鏈進(jìn)行修改并實(shí)現(xiàn)。通過其濾波、聚束和脈沖壓縮級，鏈的任務(wù)是從噪聲中提取出信號(hào)，特別是那些可能承載了環(huán)境中實(shí)際目標(biāo)信息的信號(hào)。然后，重點(diǎn)從信號(hào)轉(zhuǎn)向它們所代表的目標(biāo)，任務(wù)的本質(zhì)發(fā)生了改變。

從信號(hào)到目標(biāo)

下一步一般是多普勒處理。首先，脈沖被送入方格陣列中( 圖 3 ) 。在陣列中，每一列含有從某一發(fā)射器啁啾返回的脈沖。陣列中會(huì)有很多列，這取決于系統(tǒng)能夠承受多大的延時(shí)。陣列中的行表示返回切換時(shí)間：距離陣列的 x 軸越遠(yuǎn)，發(fā)射器啁啾和接收脈沖到達(dá)時(shí)間之間的延時(shí)就越大。這樣，延時(shí)方格也代表了與某一脈沖反射的目標(biāo)的距離。

圖 3 .多普勒處理方格。

先進(jìn)系統(tǒng)在陣列中增加了另一個(gè)維度。通過把天線劃分成子陣列，系統(tǒng)可以同時(shí)發(fā)送多個(gè)波束，然后，使用相同的多旁瓣天線方向圖設(shè)置接收器進(jìn)行監(jiān)聽。或者，系統(tǒng)通過聚束或者使用合成孔徑方法來掃描波束。現(xiàn)在，當(dāng)裝入壓縮后的脈沖時(shí)，系統(tǒng)建立一個(gè)三維方格陣列：一個(gè)軸上是發(fā)送脈沖，第二個(gè)是返回延時(shí)，第三個(gè)是波束方位( 圖 4 ) 。現(xiàn)在，對于每一路脈沖，我們有兩維或者三維方格陣列，同時(shí)表示距離和方向 —— 表示物理空間。這種存儲(chǔ)器的排列是空時(shí)自適應(yīng)處理 (STAP) 的起點(diǎn)。

圖 4 .多維方格為STAP建立矩陣。

概念上，實(shí)際情況也是如此，構(gòu)成自適應(yīng)濾波器是一個(gè)矩陣求逆過程：這一數(shù)據(jù)要與哪一矩陣相乘，得到噪聲中隱藏的結(jié)果 ? 據(jù)Altera資深技術(shù)營銷經(jīng)理Michael Parker，推測的隱藏方向圖信息可能來自多普勒處理過程發(fā)現(xiàn)的種子，從其他傳感器采集的數(shù)據(jù)，或者來自智能數(shù)據(jù)。運(yùn)行在 CPU 下游的算法把假設(shè)的方向圖插入到矩陣方程中，解出能夠產(chǎn)生預(yù)期數(shù)據(jù)的濾波函數(shù)。

兩種體系結(jié)構(gòu)

作為對比，汽車或者機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員會(huì)從完全不同的角度看系統(tǒng)。從嵌入式設(shè)計(jì)人員的角度看，系統(tǒng)只是一大段軟件，有一些非常專用的 I/O 器件，以及需要進(jìn)行加速的某些任務(wù)。有經(jīng)驗(yàn)的雷達(dá)信號(hào)工程師考慮到信號(hào)處理和通用硬件的相對規(guī)模，可能會(huì)對這一方法不屑一顧。很顯然，機(jī)載多功能雷達(dá)的數(shù)據(jù)速率、靈活性和動(dòng)態(tài)范圍要求采用專用 DSP 流水線以及大量的本地緩沖才能完成實(shí)時(shí)處理。但是對于有幾個(gè)天線單元的不同應(yīng)用，簡單的環(huán)境、更短的距離和較低的分辨率，以 CPU 為中心的觀點(diǎn)帶來了一些有意思的問題。

實(shí)際結(jié)果可能與以 DSP 為中心的方法完全不同。例如，以 CPU 為中心的方法一開始假設(shè)在一片通用 CPU 上執(zhí)行所有工作。如果速度不夠快，這一方法轉(zhuǎn)向多片 CPU ，共享一個(gè)分層的連續(xù)存儲(chǔ)器。只有當(dāng)多核不足以完成任務(wù)時(shí)，這一方法才轉(zhuǎn)向優(yōu)化的硬件加速器。

在要求最嚴(yán)格的應(yīng)用中，同一個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)可能會(huì)同時(shí)采用兩種體系結(jié)構(gòu)方法。幾乎每一任務(wù)嚴(yán)格的帶寬和計(jì)算需求都導(dǎo)致采用專用硬件流水線和存儲(chǔ)器例化。要求大幅度降低功耗可能會(huì)迫使做出采用高精度數(shù)字方法的決定，這使得在任務(wù)之間共享硬件變得越來越復(fù)雜。

Frantz 指出了關(guān)于模擬 / 數(shù)字邊界的問題。他說：“我們需要重新考慮模擬信號(hào)處理。三十年以前，我們開始告訴系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員只要做好數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換就行，我們采用數(shù)字方法完成其他所有工作。但是實(shí)際上，在 8 位分辨率，模擬和數(shù)字方法大概是相同的。模擬是不是更好一些 ? 這取決于在您的系統(tǒng)中，‘更好'的含義是什么。”

圖 5 .一個(gè)理想的低性能AESA系統(tǒng)。

AESA 雷達(dá)系統(tǒng)不但為研究實(shí)現(xiàn)策略提供了豐富的環(huán)境，而且還提供了方法來研究有大量信號(hào)的系統(tǒng)。這些有源陣列分布在軍事等多種設(shè)計(jì)應(yīng)用中，所以，不應(yīng)該局限在傳統(tǒng)的嵌入式設(shè)計(jì)思路中。因此，對于完全不同的需要大量信號(hào)的領(lǐng)域要有新思路，這包括信號(hào)智能和網(wǎng)絡(luò)安全等應(yīng)用。這是值得注意的領(lǐng)域。