張亞婷 黃志忠
(西安電子工程研究所 西安 710100)
未來(lái)反隱身、防空反導(dǎo)武器系統(tǒng)都對(duì)預(yù)警探測(cè)雷達(dá)的探測(cè)威力提出了更高的要求,這就使雷達(dá)要有更大的功率孔徑乘積。雷達(dá)的靈敏度與天線孔徑的平方成正比,但當(dāng)天線尺寸增大時(shí),雷達(dá)的機(jī)動(dòng)靈活性將很受影響,因?yàn)榇罂讖较到y(tǒng)本來(lái)就非常昂貴且不容易運(yùn)輸[1],巨型相控陣?yán)走_(dá)的研制道路行不通,所以就需要下一代新體制雷達(dá)。下一代新體制雷達(dá)應(yīng)該滿足雷達(dá)既要具有較高的靈敏度、遠(yuǎn)距離搜索、跟蹤和識(shí)別能力,同時(shí)還要便于運(yùn)輸,于是出現(xiàn)了由幾部較小雷達(dá)組成的分布式孔徑相參合成新體制雷達(dá)系統(tǒng)。該雷達(dá)系統(tǒng)使用大量分散而不是共置的協(xié)同工作的小孔徑,通過(guò)空間相參合成可以達(dá)到單個(gè)大孔徑的性能。該雷達(dá)作為下一代雷達(dá)的發(fā)展方向,不僅僅是單點(diǎn)的技術(shù)應(yīng)用或創(chuàng)新,涉及面較廣。分布式孔徑相參合成雷達(dá)是繼MIMO雷達(dá)之后的又一種新體制雷達(dá)。
圖1 分布式孔徑相參合成雷達(dá)示意圖
分布式孔徑相參合成雷達(dá)系統(tǒng)按照標(biāo)準(zhǔn)積木式相干結(jié)合多個(gè)分布雷達(dá)孔徑,也就是說(shuō)使用大量分散而不是共置的協(xié)同工作的小孔徑,當(dāng)小孔徑相參合成在一起時(shí)可以達(dá)到單個(gè)大孔徑的性能,繼而獲得雷達(dá)的高靈敏度和機(jī)動(dòng)性。
分布式孔徑相參合成雷達(dá)系統(tǒng)包含N部可車載機(jī)動(dòng)的單元雷達(dá)和一個(gè)中心控制處理系統(tǒng),其組成見(jiàn)圖1。這些單元雷達(dá)按一定方式布局,波束指向相同區(qū)域,等效形成一個(gè)大威力的機(jī)動(dòng)式雷達(dá)。所有單元雷達(dá)通過(guò)中心控制處理系統(tǒng)進(jìn)行信號(hào)級(jí)合成處理,實(shí)現(xiàn)信號(hào)級(jí)相參合成,實(shí)現(xiàn)N3信噪比增益,從而提高探測(cè)威力、測(cè)量精度和識(shí)別能力。
分布式孔徑相參合成雷達(dá)中的每個(gè)單元均是一部完整的雷達(dá),除了受控于中心系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)合工作外,也可自行獨(dú)立工作探測(cè)不同區(qū)域,工作模式靈活,功能擴(kuò)展方便。作為一種新體制雷達(dá),分布式孔徑相參合成雷達(dá)與MIMO雷達(dá)、雙(多)基地雷達(dá)、組網(wǎng)雷達(dá)不同。
分布式孔徑相參合成雷達(dá)的最大特點(diǎn),就是其性能優(yōu)于MIMO雷達(dá)(MIMO雷達(dá)只能獲得N2信噪比增益),其研制難度也高于MIMO雷達(dá),因?yàn)镸IMO雷達(dá)側(cè)重于視頻處理,而分布式孔徑相參合成雷達(dá)側(cè)重在射頻處理。分布式孔徑相參合成雷達(dá)的接收相參模式僅在正交波形收發(fā)處理這點(diǎn)上類似MIMO雷達(dá),但不是MIMO雷達(dá),這只是為實(shí)現(xiàn)收發(fā)相參的一個(gè)瞬態(tài)過(guò)渡階段,最終目標(biāo)是在空間實(shí)現(xiàn)發(fā)射相參。
MIMO由多個(gè)發(fā)射陣元和多個(gè)接收陣元組成,發(fā)射端發(fā)射正交波形,接收端通過(guò)匹配濾波器組將不同發(fā)射信號(hào)對(duì)應(yīng)的回波分離,并進(jìn)行集中處理,可同時(shí)形成對(duì)目標(biāo)的多個(gè)觀測(cè)通道,它是近年由通信領(lǐng)域引入的全新雷達(dá)體制。MIMO雷達(dá)根據(jù)各天線間距的“遠(yuǎn)近”又可分為統(tǒng)計(jì)MIMO雷達(dá)和相參MIMO雷達(dá)兩大類,相參MIMO雷達(dá)的提出源于稀布陣綜合脈沖孔徑雷達(dá)(SIAR)。即當(dāng)目標(biāo)相對(duì)于各天線的視線角可近似相等時(shí)為相參MIMO雷達(dá),反之目標(biāo)相對(duì)于各天線的視線角明顯不同時(shí)則為統(tǒng)計(jì)MIMO雷達(dá)。
(雙)多基地雷達(dá)系統(tǒng)是指使用兩個(gè)或多個(gè)相距頗遠(yuǎn)的基地,其中一個(gè)放置發(fā)射機(jī),兩個(gè)或者多個(gè)具有公共覆蓋空域的接收基地,目標(biāo)檢測(cè)時(shí)發(fā)射能量照射目標(biāo),接收檢測(cè)和處理目標(biāo)回波,并且每個(gè)基地的目標(biāo)數(shù)據(jù)在一個(gè)中心站融合。它們通常是將來(lái)自每個(gè)基地的數(shù)據(jù)用相參的方式進(jìn)行融合以形成大的孔徑。多部發(fā)射機(jī)也可置于單獨(dú)的基地或和接收機(jī)放在同一個(gè)基地。
組網(wǎng)雷達(dá)是指通過(guò)將多部不同體制、不同頻段、不同工作模式、不同極化方式的雷達(dá)或者無(wú)源偵察裝備適當(dāng)交錯(cuò)布站,借助于通信手段鏈接成網(wǎng),由中心站統(tǒng)一調(diào)配而形成的一個(gè)有機(jī)整體,形成一種靜態(tài)部署與動(dòng)態(tài)部署相結(jié)合,前沿部署與縱深部署相銜接,有源探測(cè)和無(wú)源探測(cè)并存的有效綜合性探測(cè)網(wǎng)。網(wǎng)內(nèi)各雷達(dá)和雷達(dá)對(duì)抗偵察裝備的目標(biāo)點(diǎn)跡、航跡等信息由中心站收集,綜合處理后形成雷達(dá)網(wǎng)覆蓋范圍內(nèi)的情報(bào)信息,并按照戰(zhàn)爭(zhēng)態(tài)勢(shì)的變化自適應(yīng)的調(diào)整網(wǎng)內(nèi)各雷達(dá)裝備的工作狀態(tài),發(fā)揮各個(gè)雷達(dá)和雷達(dá)對(duì)抗偵察裝備的優(yōu)勢(shì),從而完成整個(gè)覆蓋范圍內(nèi)的探測(cè)定位和跟蹤等任務(wù)。
分布式孔徑相參合成雷達(dá)體制新穎,具有快速移動(dòng)、機(jī)動(dòng)部署、靈活使用等很多潛在優(yōu)勢(shì)[1,7-8],具體表現(xiàn)在:
a.密集分布相參雷達(dá)是多個(gè)雷達(dá)單元的拼接,完全可以當(dāng)一部雷達(dá)那樣工作,包括波束控制、波束形成、目標(biāo)跟蹤等,只不過(guò)需要采用一個(gè)基準(zhǔn)時(shí)鐘源并采用集中控制;密集分布與分散分布二者之間具有良好繼承性,一旦技術(shù)難題得到破解,便可很快改成分散分布工作模式;
b.機(jī)動(dòng)部署靈活、生存力強(qiáng)、易于維護(hù):每個(gè)雷達(dá)單元均具有良好的機(jī)動(dòng)性,可以機(jī)動(dòng)部署,快速移動(dòng),而且其配置方式也可變化,既可集中配置也可前置分開(kāi)配置,既能要地部署,也可前沿部署,及時(shí)變化陣地,增強(qiáng)重要方向的作戰(zhàn)能力,因而使用十分靈活;
c.能獲得極高的角度分辨率,識(shí)別能力強(qiáng),且具有優(yōu)良的可擴(kuò)展性。該雷達(dá)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)很高的角度分辨力,可與導(dǎo)引頭的角度分辨力匹配,同時(shí)可高精度測(cè)角,實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)軌;該雷達(dá)系統(tǒng)易實(shí)現(xiàn)大掃描角寬帶目標(biāo)成像,大范圍識(shí)別能力強(qiáng);
d.更好的實(shí)現(xiàn)性和更高的可靠性:單元雷達(dá)規(guī)模小,技術(shù)成熟,工程實(shí)現(xiàn)性好。另外多部雷達(dá)分布聯(lián)合工作,即使一部雷達(dá)失效,不會(huì)給系統(tǒng)造成很大影響,系統(tǒng)仍可運(yùn)行,雷達(dá)的功能和威力理論上可以通過(guò)增加雷達(dá)單元數(shù)量任意擴(kuò)展。
分布式孔徑相參合成雷達(dá)是由多個(gè)雷達(dá)單元集成的新體制雷達(dá)。其中各雷達(dá)單元的設(shè)計(jì)很重要,應(yīng)考慮以下幾方面的問(wèn)題:
a.在保證機(jī)動(dòng)性的前提下,雷達(dá)系統(tǒng)應(yīng)盡可能大,因?yàn)榉植际嚼走_(dá)系統(tǒng)要求雷達(dá)單元具備獨(dú)立搜索、檢測(cè)并跟蹤目標(biāo)的能力。規(guī)模太小顯然達(dá)不到獨(dú)立工作的要求;
b.單元雷達(dá)工作模式的設(shè)計(jì),當(dāng)單元雷達(dá)發(fā)射正交波形時(shí),只能實(shí)現(xiàn)接收相參,發(fā)射相同波形時(shí)才能實(shí)現(xiàn)發(fā)射相參。系統(tǒng)要能實(shí)現(xiàn)孔徑相差,工作模式需要切換過(guò)渡,因此各單元雷達(dá)必須具有發(fā)射不同波形的能力;
c.雷達(dá)單元工作頻段選擇,滿足機(jī)動(dòng)性要求,工作頻段不能太高,雷達(dá)工作頻段越高(如X波段)參數(shù)估計(jì)和控制精度等要求越高,相參合成的難度也越大,所以工作頻率選擇應(yīng)該詳細(xì)論證;
d.單元雷達(dá)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)差異,會(huì)導(dǎo)致合成信號(hào)的差異,直接影響合成信噪比增益,因此單元雷達(dá)的相參合成工作模式的系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)盡可能保持一致。
分布式孔徑相參合成雷達(dá)采用正交波形和多輸入多輸出(MIMO)技術(shù)以實(shí)現(xiàn)相參接收和相參發(fā)射的參數(shù)估計(jì)。在接收相參模式,對(duì)接收到的正交波形相參合成,得到了N2倍(相對(duì)于單部雷達(dá))的信噪比增益。在發(fā)射相參模式,各單元雷達(dá)發(fā)射相同的波形,而且每個(gè)發(fā)射脈沖的相位和發(fā)射時(shí)間都要自適應(yīng)調(diào)節(jié)以使所發(fā)射的脈沖同時(shí)到達(dá)目標(biāo),且相位相同。當(dāng)發(fā)射和接收都實(shí)現(xiàn)相參時(shí),系統(tǒng)可以獲得N3倍的 SNR 增益[1,8,11-12]。
分布式相參合成孔徑雷達(dá)的工作模式具體到3種形式:
a.獨(dú)立工作模式
每個(gè)單元雷達(dá)可獨(dú)立工作,進(jìn)行目標(biāo)搜索、檢測(cè)、跟蹤。
b.接收相參模式
各單元雷達(dá)發(fā)射彼此正交波形,波形設(shè)計(jì)類似于MIMO雷達(dá),在接收端通過(guò)通道分離和匹配濾波實(shí)現(xiàn)接收相參,對(duì)目標(biāo)的距離和角度進(jìn)行估計(jì),獲取發(fā)射相參時(shí)所需的各單元延時(shí)和相位信息,該過(guò)程不是一種獨(dú)立的工作模式,只是實(shí)現(xiàn)發(fā)射相參的中間過(guò)度過(guò)程。
c.收發(fā)全相參模式
利用接收相參模式估計(jì)的時(shí)延和相位參數(shù),對(duì)單元雷達(dá)的延時(shí)與相位進(jìn)行精確補(bǔ)償控制,使它們能夠同時(shí)到達(dá)目標(biāo)同時(shí)具有相同的相位,各單元輻射的能量在目標(biāo)處實(shí)現(xiàn)相參合成。實(shí)現(xiàn)收發(fā)全相參,獲得N3倍的增益。這是分布式雷達(dá)所獨(dú)有的常態(tài)化模式,是MIMO雷達(dá)所不具備和無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。
圖2中3部雷達(dá)都對(duì)公共視場(chǎng)內(nèi)的目標(biāo)測(cè)距。分布式孔徑相參合成雷達(dá)具體的工作過(guò)程為:
a.首先系統(tǒng)處于接收相參模式,由外部信息源,如紅外衛(wèi)星或超遠(yuǎn)程預(yù)警雷達(dá)提供目標(biāo)先驗(yàn)位置信息,雷達(dá)單元采用正交波形圍繞指示位置搜索目標(biāo);或雷達(dá)主動(dòng)在感興趣的空域內(nèi)進(jìn)行目標(biāo)搜索,目標(biāo)在較遠(yuǎn)距離條件下,系統(tǒng)采用長(zhǎng)時(shí)間積累模式檢測(cè)直至發(fā)現(xiàn)目標(biāo)。一旦獲得穩(wěn)定跟蹤,就可以得到N2倍的增益;
圖2 分布式相參孔徑雷達(dá)系統(tǒng)工作圖
b.根據(jù)目標(biāo)距離和角度信息,計(jì)算發(fā)射相參模式下各單元雷達(dá)所對(duì)應(yīng)的延時(shí)和相位補(bǔ)償量;各個(gè)雷達(dá)單元發(fā)射相同波形,并做適當(dāng)延時(shí)和相位調(diào)整,使系統(tǒng)切換到發(fā)射相參模式。一旦系統(tǒng)進(jìn)入全相參工作模式,獲得N3倍信噪比增益,可以對(duì)該目標(biāo)進(jìn)行更遠(yuǎn)距離的精確跟蹤;
c.若跟蹤出現(xiàn)問(wèn)題可退回接收相參狀態(tài)重新進(jìn)行參數(shù)估計(jì)。
2003年美國(guó)導(dǎo)彈防御局發(fā)起了一項(xiàng)研究,來(lái)自包括林肯實(shí)驗(yàn)室在內(nèi)的多家研究實(shí)驗(yàn)室、工業(yè)部門和政府軍方機(jī)構(gòu)的眾多研究者參與了這項(xiàng)工作,旨在研究能應(yīng)對(duì)未來(lái)彈道導(dǎo)彈威脅的高級(jí)雷達(dá)傳感器概念。林肯實(shí)驗(yàn)室從2000年左右就開(kāi)始了分布式相參合成體制雷達(dá)技術(shù)的研究,進(jìn)行了大量試驗(yàn)工作。先后研制了L波段室內(nèi)分布式試驗(yàn)系統(tǒng)和X波段兩單元分布式收發(fā)相參實(shí)時(shí)演示試驗(yàn)系統(tǒng),完成了回波接收相參的原理演示;大約從2003年起開(kāi)始研究分布式雷達(dá)在彈道導(dǎo)彈防御系統(tǒng),目前已完成原理驗(yàn)證試驗(yàn)并獲得成功,2004年4月成功完成了室內(nèi)對(duì)模擬器目標(biāo)的靜態(tài)相參合成演示試驗(yàn)。
分布式孔徑相參合成雷達(dá)技術(shù)在國(guó)內(nèi)的研究還屬于起步階段,多家科研院所如北京無(wú)線電測(cè)量研究所、西安電子工程研究所、清華大學(xué)、西安電子科技大學(xué)、北京理工大學(xué)、成都電子科技大學(xué)已經(jīng)關(guān)注該技術(shù)的潛在優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用前景,并開(kāi)展了分布式孔徑相參合成雷達(dá)先期的概念研究,取得初步研究成果,為分布式孔徑相參合成雷達(dá)系統(tǒng)開(kāi)展關(guān)鍵技術(shù)預(yù)研攻關(guān)和工程實(shí)現(xiàn)奠定了一定的基礎(chǔ)。
航天二院二十三所已經(jīng)利用相關(guān)資源,基于分布式關(guān)鍵技術(shù)理論研究和仿真分析,完成了相參合成原理和算法初步驗(yàn)證,依靠簡(jiǎn)易試驗(yàn)平臺(tái),分別完成了P波段雷達(dá)單發(fā)雙收跟蹤飛機(jī)試驗(yàn)和C波段典型雙發(fā)雙收平臺(tái)室內(nèi)模擬和標(biāo)桿空饋相參合成試驗(yàn)。2012年,西安電子工程研究所在S波段固定分布式孔徑相參合成雷達(dá)和MIMO雷達(dá)方面取得了技術(shù)突破,并在戶縣試驗(yàn)場(chǎng)完成了地面動(dòng)目標(biāo)觀測(cè)試驗(yàn)。
分布式相參合成孔徑雷達(dá)作為未來(lái)雷達(dá)的發(fā)展方向,特別是中遠(yuǎn)程反導(dǎo)武器制導(dǎo)雷達(dá)的發(fā)展方向,被稱為下一代彈道導(dǎo)彈防御雷達(dá)。鑒于目前尚有若干問(wèn)題需要深入研究,依然存在一定的風(fēng)險(xiǎn)。所以可以考慮采用密集分布的形式進(jìn)行相參雷達(dá)實(shí)驗(yàn),即雷達(dá)單元相同,雷達(dá)單元分布的距離不是在上百米以外,而是密集分布在一起。
分布式孔徑相參合成雷達(dá)涉及的面較廣,是雷達(dá)的又一重要發(fā)展方向。然而,就系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)而言,相比于常規(guī)雷達(dá),分布式孔徑相參合成雷達(dá)首當(dāng)其沖的技術(shù)難點(diǎn)就是各單元雷達(dá)之間的時(shí)間、空間和相位的同步。新體制、新技術(shù)帶來(lái)好處的同時(shí)又提出了一些理論技術(shù)難點(diǎn)和挑戰(zhàn),如為獲取分布式雷達(dá)的延時(shí)與相位相干參數(shù)的提取,需要為單元雷達(dá)發(fā)射正交波形的設(shè)計(jì)與處理技術(shù),高精度時(shí)間同步與時(shí)鐘源相參技術(shù)、延時(shí)與相位的估計(jì)技術(shù)、低信噪比高精度參數(shù)估計(jì)、分布式陣列稀疏測(cè)角等,都有待于全面而深入開(kāi)展理論研究和技術(shù)開(kāi)發(fā)[4.12-14]。
a.多單元雷達(dá)間信號(hào)的相對(duì)延時(shí)和相位估計(jì)是實(shí)現(xiàn)分布式相參合成的前提與核心,頻段越高,參數(shù)估計(jì)和處理的難度越大。分布式雷達(dá)遠(yuǎn)距離截獲時(shí),面臨“單個(gè)雷達(dá)看不見(jiàn),合成以后可看見(jiàn)”的低信噪比參數(shù)估計(jì)環(huán)境情形,需要解決低信噪比條件下的高精度參數(shù)估計(jì)難題。
b.正交波形的產(chǎn)生與處理,單元雷達(dá)彼此之間需要發(fā)射正交波形,接收采用一組匹配濾波器,以便對(duì)本地與其它回波分別進(jìn)行匹配處理,從而提取延時(shí)和相位等相干參數(shù)。正交波形的互相關(guān)函數(shù)理想條件下為零,即使兩部雷達(dá)載頻相同,也能互不影響地同時(shí)工作。正交波形主要有頻率正交和相位編碼正交兩種。頻率正交波形帶寬窄,正交性好,多卜勒不靈敏。相位編碼信號(hào)帶寬寬,正交性較好,對(duì)多卜勒敏感,需要作多卜勒頻率補(bǔ)償。由于分布式雷達(dá)最終要用同頻工作,因此最好選擇相位編碼正交波形。
c.以雷達(dá)微波脈沖輸出端為衡量基準(zhǔn),可依次從同步方法、傳輸方式、路徑誤差、補(bǔ)償模型、修正方法和監(jiān)測(cè)方法等方面開(kāi)展研究;同時(shí),本振相參是確保分布式相參合成效率的基礎(chǔ)支撐技術(shù),可分階段遞進(jìn)研究一個(gè)基準(zhǔn)源與多個(gè)基準(zhǔn)源的本振相參。頻段越高,時(shí)間同步要求越高。
d.延時(shí)和相位相干參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和閉環(huán)更新技術(shù)也尤為重要,因?yàn)檠訒r(shí)和相位的一些估計(jì)算法包括:峰值算法、相關(guān)法、全極點(diǎn)模型等。當(dāng)發(fā)射相同波形實(shí)現(xiàn)收發(fā)相參后,需要進(jìn)行相參合成效果評(píng)估,如果合成效果不好,又需回到接收相參模式,更新延時(shí)和相位參數(shù),然后再過(guò)渡到收發(fā)相參模式。
e.分布式布局的問(wèn)題,要實(shí)現(xiàn)相參合成和檢測(cè)概率要求,各單元雷達(dá)分布布局并非任意的。各單元雷達(dá)的布局結(jié)構(gòu)直接影響合成的方向圖,稀疏配置會(huì)帶來(lái)柵瓣問(wèn)題(頻段越高,稀疏測(cè)角的難度越大),在多目標(biāo)情況下,需要解決稀疏布陣的無(wú)模糊測(cè)角。需要解決的技術(shù)難題包括如何減弱柵瓣影響,如何構(gòu)建高精度測(cè)角回路。
f.相參合成的理論模型的應(yīng)用局限,在短基線配置情況下可以實(shí)現(xiàn)收發(fā)全相參,而長(zhǎng)基線觀測(cè)目標(biāo)模式下,視角、RCS、多普勒頻率、雜波等可能會(huì)不同,這些都會(huì)對(duì)多雷達(dá)合成帶來(lái)諸多差異,能否實(shí)現(xiàn)收發(fā)全相參是一個(gè)值得研究和探討的問(wèn)題。更要關(guān)注相參合成的實(shí)際應(yīng)用,若同時(shí)多波束檢測(cè)多目標(biāo),會(huì)引起一些難以預(yù)料的問(wèn)題,這都有待進(jìn)一步地研究。
分布式孔徑相參合成雷達(dá)是一種新體制雷達(dá),具有很多潛在的優(yōu)勢(shì),代表了雷達(dá)特別是遠(yuǎn)程制導(dǎo)雷達(dá)的發(fā)展方向。在研究分布式相參合成雷達(dá)時(shí),面臨如單元雷達(dá)間的時(shí)間延遲和相位延遲的高精度估計(jì)與補(bǔ)償、柵瓣抑制和對(duì)高動(dòng)態(tài)目標(biāo)發(fā)射接收全相參合成的穩(wěn)定維持、高精度時(shí)間同步與本振相參等關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題,而這些還有待于全面而深入開(kāi)展理論研究和技術(shù)開(kāi)發(fā)。
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