張倩 江凱 張衛(wèi)華

摘 要：SAR/MTI雷達(dá)將SAR雷達(dá)的全天時、全天候的觀測特性和MTI體制雷達(dá)對地面目標(biāo)良好的跟蹤性能結(jié)合，具備優(yōu)越的戰(zhàn)場感知能力，已成為各國研究的熱點。文章對基于二維有源相控陣體制SAR/MTI雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計進行了研究，論述了系統(tǒng)組成及特點，進行了雷達(dá)體制與工作模式設(shè)計，并給出了試驗結(jié)果。

關(guān)鍵詞：二維有源相控陣天線；實時處理；機載；SAR；GMTI；AMTI

1 概述

合成孔徑雷達(dá)作為一種主動式微波成像系統(tǒng)，已廣泛應(yīng)用于軍事偵察、環(huán)境監(jiān)測、土地資源管理等軍事及國民經(jīng)濟領(lǐng)域[1]。合成孔徑雷達(dá)成像具有全天時、全天候、遠(yuǎn)距離和寬測繪帶等優(yōu)點，可以大大提高雷達(dá)的信息獲取能力；同時在戰(zhàn)場偵察方面，合成孔徑雷達(dá)地面動目標(biāo)檢測功能可以偵察和監(jiān)視敵方的戰(zhàn)略設(shè)備和部隊的運動情況，從而大大提高了成像雷達(dá)的戰(zhàn)場感知能力。在現(xiàn)代戰(zhàn)場監(jiān)視雷達(dá)的研制中，將SAR雷達(dá)的全天時、全天候的觀測特性和MTI體制雷達(dá)對地面目標(biāo)和低空目標(biāo)良好的跟蹤性能結(jié)合，研制SAR/MTI模式雷達(dá)成為各國研究的熱點[3-4]。

國外最早開發(fā)的機載SAR/MTI雷達(dá)是美國的JSTARS系統(tǒng)，其作戰(zhàn)效能在近幾次局部戰(zhàn)爭中得到了充分驗證和發(fā)揮。此外，類似的系統(tǒng)還有英國的ASTOR、美國的Global Hawk（“全球鷹”無人機）及Predator（“捕食者”無人機）等。

國內(nèi)的機載SAR雷達(dá)系統(tǒng)經(jīng)過二十多年的發(fā)展已經(jīng)具備了堅實的基礎(chǔ)，我們已經(jīng)成功開發(fā)了機載SAR/MTI雷達(dá)樣機，并成功進行了機載校飛試驗，實現(xiàn)了多模戰(zhàn)場監(jiān)視功能。

文章對基于二維有源相控陣體制SAR/MTI雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計進行了研究，論述了系統(tǒng)組成及特點，進行了雷達(dá)工作模式設(shè)計，并給出了試驗結(jié)果。

2 系統(tǒng)組成及特點

機載SAR/MTI雷達(dá)系統(tǒng)由機載SAR/MTI雷達(dá)、數(shù)據(jù)鏈及地面站3個部分組成。機載雷達(dá)完成多模式戰(zhàn)場偵察監(jiān)視功能，實時獲取戰(zhàn)場目標(biāo)情報信息（包含固定目標(biāo)圖像情報和運動目標(biāo)點跡、航跡情報），并通過數(shù)據(jù)鏈實時下傳到地面站進行顯示及分發(fā)。

圖1 SAR/MTI系統(tǒng)原理框圖

機載SAR/MTI雷達(dá)組成框圖如圖1所示，分為機艙外、機艙內(nèi)2個部分。機艙外設(shè)備為機腹下的船形天線罩內(nèi)的雷達(dá)天線，機艙內(nèi)設(shè)備包括低功率射頻單元、綜合處理單元和實時處理分機等。

天線采用二維有源相控陣天線，在方位向和俯仰向進行二維電掃，能夠保證雷達(dá)成像的靈活性及對低空或地面運動目標(biāo)的快速搜索能力，提高了雷達(dá)的探測效率。

多功率射頻單元包括1路SAR接收通道、4路MTI接收通道、晶振模塊、功分網(wǎng)絡(luò)模塊、時鐘本振插件、波形倍頻插件、激勵源插件、接收監(jiān)控插件等。

綜合處理單元包括A/D采集和時序模塊，其中A/D采集包括SAR通道采集和MTI通道采集。

實時信號處理單元由硬件以及嵌入式軟件組成，在硬件電路中包括DSP處理板、數(shù)字接口板等；嵌入式軟件由成像處理、動目標(biāo)檢測等算法處理軟件組成。

在機艙內(nèi)與地面站均設(shè)有指揮控制臺，實現(xiàn)任務(wù)規(guī)劃、指揮與控制通信、監(jiān)視與圖像傳送等功能。

在進行機載SAR/MTI雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計時，考慮如下三個方面技術(shù)特點。

（1）采用二維有源相控陣天線。為滿足戰(zhàn)場監(jiān)視的遠(yuǎn)距離、高分辨率、多模式偵察工作的需要，系統(tǒng)必須要有足夠的功率口徑積，同時為保證多模式戰(zhàn)場監(jiān)視所要求的寬視場覆蓋，選擇二維有源相控陣天線應(yīng)該是目前最佳方案。

寬帶二維有源相控陣天線組成框圖，由可擴充陣列模塊（SAM）、波束形成網(wǎng)絡(luò)、延遲放大組件、波控、電源、環(huán)控、俯仰伺服控制等構(gòu)成。

天線工作時由可擴充天線陣列模塊（SAM）完成天線的收/發(fā)、放大、幅相加權(quán)等基本功能；功分器構(gòu)成方位向子波束形成網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)子陣功能；延遲放大組件用來實現(xiàn)不同波位所需的時延控制和發(fā)射/接收信號放大；方位向全波束形成網(wǎng)絡(luò)用于實現(xiàn)發(fā)射時的功率分配和接收時的雙模工作方式，距離向（俯仰向）的信號的分配/合成在SAM中完成，所有這些工作過程都是在波控的控制下進行的。采用SAM思想實現(xiàn)二維有源相控陣天線組陣的好處是可靈活組陣，實現(xiàn)不同尺寸規(guī)模的二維有源相控陣天線，能適應(yīng)多種載機平臺。寬帶二維有源相控陣天線還實現(xiàn)了在線校準(zhǔn)和BIT檢測的功能，為實際使用維護創(chuàng)造了便利的條件。

（2）實時多模信號處理技術(shù)。SAR/MTI雷達(dá)系統(tǒng)中，實時處理分機完成實時動目標(biāo)檢測處理與SAR成像處理的功能，SAR/MTI系統(tǒng)的多模信號處理算法研究及其實時處理實現(xiàn)是研究的核心內(nèi)容。本系統(tǒng)SAR成像模式有條帶模式和聚束模式兩種，成像距離遠(yuǎn)，距離走動與彎曲現(xiàn)象明顯，成像處理可以采用重疊子孔徑算法（OSA），波數(shù)域（ω-k）算法等技術(shù)。OSA算法是先進行子孔徑粗成像和誤差補償，然后對各個子孔徑粗分辨圖像進行相干處理，得到全孔徑高分辨圖像；ω-k算法可以精確成像，算法也簡單，但是需要進行stolt插值，算法的效率受到一定的影響，不過隨著硬件處理能力的增強，處理速度可以得到解決。此外，需要采用基于運動傳感器的運動補償和基于回波數(shù)據(jù)的運動補償相結(jié)合的補償方法，先采用前者獲得粗估值，再采用后者進行精確估計，可以得到高分辨率SAR圖像。動目標(biāo)探測、跟蹤及定位正是SAR/MTI雷達(dá)有別于其它成像雷達(dá)的特色之處，在SAR/MTI雷達(dá)技術(shù)研究中一直處于非常重要的地位。MTI信號處理采用多通道處理技術(shù)。多通道MTI具有較好的地雜波抑制能力，能更好的進行動目標(biāo)檢測，同時采用四個接收通道，可實現(xiàn)動目標(biāo)的精確定位和測速。為了實現(xiàn)動目標(biāo)檢測的實時處理，多通道動目標(biāo)檢測處理主要關(guān)鍵技術(shù)包括通道均衡、雜波抑制、干涉儀定位等技術(shù)。通過通道均衡處理，提高雜波對消性能，從而提高目標(biāo)檢測性能。同時需要考慮計算量，以達(dá)到實時處理硬件的要求。

（3）實時數(shù)據(jù)處理技術(shù)。在實現(xiàn)MTI信號處理之后，需要進行實時數(shù)據(jù)處理，實現(xiàn)對地面動目標(biāo)的檢測、定位與連續(xù)跟蹤，形成航跡并疊加在實時SAR圖像或電子地圖上，并提取出目標(biāo)特征信息，形成完整的戰(zhàn)場態(tài)勢圖，以供進一步的情報分析決策評估。地面動目標(biāo)所處環(huán)境復(fù)雜，有嚴(yán)重的地雜波、雜波對消剩余引起虛警的飽和信號、干擾等因素，這些因素使得真實動目標(biāo)檢測、跟蹤與定位具有很大技術(shù)難度。動目標(biāo)的跟蹤需要針對不同掃描幀的動目標(biāo)點跡數(shù)據(jù)進行目標(biāo)關(guān)聯(lián)、分類，形成目標(biāo)運動的航跡，并對目標(biāo)運動的航跡進行平滑濾波，進一步可以預(yù)測目標(biāo)在下一掃描幀的位置或狀態(tài)。目標(biāo)關(guān)聯(lián)算法常用最大似然法的假設(shè)檢驗方法，平滑濾波及預(yù)測常用卡爾曼濾波算法。在目標(biāo)檢測后的輸出數(shù)據(jù)里，會出現(xiàn)同一目標(biāo)的數(shù)據(jù)存在于多個的距離～方位（或距離～多普勒）單元里，需要采用加權(quán)平均的方法凝聚成一個單元的數(shù)據(jù)，減少后續(xù)目標(biāo)關(guān)聯(lián)跟蹤處理的計算量。

3 功能模式設(shè)計及試驗結(jié)果

SAR/MTI雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計時，充分考慮對地綜合監(jiān)視特點，以及雷達(dá)成像與運動目標(biāo)檢測同時工作需求，進行雷達(dá)體制選擇與系統(tǒng)工作模式設(shè)計?？紤]目標(biāo)包括地面各種運動目標(biāo)、靜止目標(biāo)和固定目標(biāo)場景，需要從各種目標(biāo)環(huán)境中檢測、識別目標(biāo)，設(shè)計工作模式包括廣域GMTI模式、同時SAR/GMTI模式、條帶SAR模式、聚束SAR模式、滑動聚束SAR模式及AMTI模式等。雷達(dá)體制選擇和處理方式與面臨的雜波環(huán)境密切相關(guān)，不同的工作模式針對的目標(biāo)類型不同，需根據(jù)不同模式所處的雜波環(huán)境對雷達(dá)體制和處理方式進行選擇分析。

（1）廣域GMTI模式。廣域GMTI屬SAR/MTI雷達(dá)最主要的功能模式，要求對地面慢速運動目標(biāo)進行廣域監(jiān)視，實現(xiàn)檢測并生成點跡、航跡。圖2為廣域GMTI模式實時獲取的地面動目標(biāo)航跡顯示畫面，背景為電子地圖。對地面動目標(biāo)的最小可檢測徑向速度（MDV）優(yōu)于10公里/小時。

圖2 廣域GMTI模式實時航跡圖

圖3 同時SAR/GMTI模式實時處理結(jié)果

（背景為電子地圖）

（2）同時SAR/GMTI模式。同時SAR/GMTI是SAR/MTI雷達(dá)近些年發(fā)展的一個熱點，圖3中所示為同時SAR/GMTI模式下雷達(dá)顯示畫面，實現(xiàn)在SAR成像同時完成動目標(biāo)檢測、定位功能，實時生成目標(biāo)批號、距離、方位、經(jīng)度、緯度和速度等情報信息。

（3）條帶SAR模式。條帶SAR模式分辨率有0.5米、1米和3米，均為實時成像。圖4為0.5米分辨率條帶SAR實時圖像，實時輸出的圖像均已經(jīng)過地理編碼，易于進行圖像拼接及與數(shù)字地圖的疊加顯示等處理，得到圖像產(chǎn)品及典型目標(biāo)的位置信息。

圖5 0.3米聚束SAR實時圖像

（4）聚束SAR模式。聚束SAR模式分辨率0.3m，也實現(xiàn)了實時處理。圖5為0.3米聚束SAR的實時處理圖像。

（5）滑動聚束SAR模式。除了定點聚束模式，系統(tǒng)還實現(xiàn)了滑動聚束SAR（聚束SAR模式與條帶SAR模式的混合模式），如圖6所示?；瑒泳凼Ｊ降暮锰幨强梢詳U大成像面積（方位向?qū)挾仍黾樱┣曳直媛什粫档停觿菰谟诔上窨讖胶蜁r間上要長（與相同成像距離的定點聚束相比）。

圖6 0.3米滑動聚束SAR實時圖像

圖7 AMTI模式探測結(jié)果

（6）AMTI模式。SAR/MTI雷達(dá)實現(xiàn)AMTI功能是目前國際上的一個技術(shù)發(fā)展方向。本系統(tǒng)也實現(xiàn)了AMTI功能。圖7為AMTI模式空中飛行目標(biāo)探測結(jié)果，在機載雷達(dá)幾分鐘的巡航過程中，一共發(fā)現(xiàn)了6批目標(biāo)，其中最遠(yuǎn)的目標(biāo)距雷達(dá)286公里（圖中距離刻度單位5公里，方位刻度單位10°）。

4 結(jié)束語

SAR/MTI雷達(dá)是信息化戰(zhàn)爭條件下的最重要的傳感器之一，裝備有SAR/MTI雷達(dá)的偵察機與預(yù)警機、電子戰(zhàn)飛機合稱為機載情報系統(tǒng)的“鐵三角”，奪取戰(zhàn)場制地權(quán)、制空權(quán)、制信息權(quán)。文章對基于二維有源相控陣體制SAR/MTI雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計進行了研究，并給出了試驗結(jié)果，在一定范圍內(nèi)能夠為有人機、無人機、臨近空間飛行器等多種平臺上的戰(zhàn)場監(jiān)視雷達(dá)研制提供依據(jù)。

參考文獻

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