李雁斌 黃勇 張志俊

1.上海無(wú)線電設(shè)備研究所上海200090

天基外輻射源雷達(dá)是一個(gè)雙基地或多基地雷達(dá)系統(tǒng),其本身不使用發(fā)射機(jī),利用導(dǎo)航、通信衛(wèi)星信號(hào)作為外輻射源,并將雷達(dá)接收機(jī)安裝在飛機(jī)、無(wú)人機(jī)、飛艇、氣球、衛(wèi)星等廣義天基平臺(tái)上,偵收空中目標(biāo)對(duì)外輻射源電磁場(chǎng)的擾動(dòng)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)探測(cè)[1?2].

在天基外輻射源雷達(dá)信號(hào)處理流程中,地雜波抑制是系統(tǒng)面臨的主要難點(diǎn).傳統(tǒng)地基雷達(dá)的雜波譜主要分布在零多普勒頻率附近一個(gè)較窄的頻帶內(nèi),雜波抑制相對(duì)簡(jiǎn)單,而天基外輻射源雷達(dá)的雜波環(huán)境更為復(fù)雜,平臺(tái)和外輻射源的自身運(yùn)動(dòng)使得地雜波分布具有空時(shí)二維分布特性[3?4].一方面,由于平臺(tái)運(yùn)動(dòng)的徑向速度分量造成地雜波譜整體的多普勒頻移;另一方面,各雜波單元由于相對(duì)平臺(tái)方位的不一致造成多普勒頻移的不一致性,進(jìn)而造成主瓣雜波譜的多普勒展寬[5?6].顯然,天基外輻射源雷達(dá)的地雜波抑制與外輻射源和平臺(tái)選擇、地雜波特性密切相關(guān),因此,本文首先針對(duì)上述兩方面問(wèn)題展開(kāi)了詳細(xì)論述.

1 外輻射源和平臺(tái)選擇

天基外輻射源可分為兩類(lèi),一類(lèi)是低軌雷達(dá)衛(wèi)星(LEO),另一類(lèi)是中軌及地球同步軌道衛(wèi)星(MEO/GEO).例如,德國(guó)的TerraSAR-X和意大利的Cosmo SkyMED高分辨率雷達(dá)衛(wèi)星都屬于LEO雷達(dá)衛(wèi)星,而通信衛(wèi)星和全球定位衛(wèi)星都屬于MEO/GEO衛(wèi)星[7].

由表1可知,諸如Radarsat-2此類(lèi)的LEO雷達(dá)衛(wèi)星相對(duì)于通信衛(wèi)星和全球定位衛(wèi)星具有更高的輻射功率水平,但是它的重訪周期長(zhǎng)達(dá)24天,因此,LEO雷達(dá)衛(wèi)星無(wú)法滿(mǎn)足動(dòng)目標(biāo)探測(cè)的戰(zhàn)術(shù)需求.

盡管通信衛(wèi)星的輻射功率低于LEO雷達(dá)衛(wèi)星,但是它們與地球保持相對(duì)靜止,并通過(guò)星座組網(wǎng)實(shí)現(xiàn)全球覆蓋,可以對(duì)感興趣區(qū)域進(jìn)行持續(xù)照射,因此,本文選擇GEO通信衛(wèi)星作為天基外輻射源,例如Inmarsat-4通信衛(wèi)星系統(tǒng)[8].

而安裝雷達(dá)接收機(jī)的天基平臺(tái)則采用LEO軌道的衛(wèi)星平臺(tái),一方面可減小雷達(dá)平臺(tái)與目標(biāo)的相對(duì)距離,另一方面通過(guò)寬刈幅掃描實(shí)現(xiàn)全球覆蓋.

2 地雜波特性

由于外輻射源采用地球同步軌道衛(wèi)星,其相對(duì)地面是靜止不動(dòng)的,而天基平臺(tái)上雷達(dá)接收機(jī)的天線陣列與雜波散射體的幾何關(guān)系如圖1所示,雷達(dá)天線陣列采用側(cè)視陣,即天線陣元平行于雷達(dá)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)方向.

表1 天基外輻射源統(tǒng)計(jì)表

圖1 外輻射源雷達(dá)與雜波散射點(diǎn)幾何關(guān)系

那么地面上一雜波散射點(diǎn)P的回波多普勒頻率為

式中,v為雷達(dá)平臺(tái)的速度,λ為雷達(dá)工作波長(zhǎng),?為方位角,θ為俯仰角,α為空間錐角[9?10].

以星載平臺(tái)為例,設(shè)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)速度為7.5km/s,軌道高度500km,工作波長(zhǎng)0.1m,根據(jù)圖1所示的坐標(biāo)關(guān)系仿真了天基外輻射源雷達(dá)的等多普勒線和等距離線.

如圖2所示,雷達(dá)位于圖的中心,箭頭所示為雷達(dá)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)方向.等多普勒線是以雷達(dá)所在位置為中心,相對(duì)于雷達(dá)運(yùn)動(dòng)航線對(duì)稱(chēng)的雙曲線,不同顏色的等多普勒線代表具體的多普勒頻率值,單位為赫茲(Hz);等距離線是以雷達(dá)所在位置為圓心的若干同心圓,稱(chēng)其為等距離圓,等距離圓的不同半徑代表不同的雙站相對(duì)距離值[11?12].

圖2 等距離線和等多普勒線

可見(jiàn),在天基外輻射源雷達(dá)較寬的天線波束內(nèi),不同距離、方位角的地雜波將在互模糊函數(shù)二維平面上沿頻率維展寬,甚至淹沒(méi)相同距離處的動(dòng)目標(biāo)回波,這使得采用一部測(cè)量天線無(wú)法在頻率維將目標(biāo)回波從雜波中提取出來(lái).

3 地雜波抑制

目前,常用的雜波抑制技術(shù)主要有動(dòng)目標(biāo)指示(Moving target indicator,MTI)技術(shù)、動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)(Moving target detection,MTD)技術(shù)、時(shí)間平均雜波相干機(jī)載雷達(dá)(Time average clutter coherent airborne radar,TACCAR)技術(shù)、DPCA技術(shù)和STAP 技術(shù)[13?14].

其中MTI和MTD屬于一維頻域雜波抑制技術(shù),TACCAR屬于一維時(shí)域處理技術(shù),而DPCA和STAP屬于空時(shí)二維信號(hào)處理技術(shù),可用于解決距離、方位強(qiáng)烈耦合的地雜波抑制問(wèn)題.

3.1 DPCA方法

如圖3所示,DPCA要求天線陣列各通道沿飛行的軸向排列,且在每個(gè)脈沖重復(fù)間隔上,使后一通道的相位中心與前一通道的相位中心位置重合.這樣,相鄰兩通道接收到的任何相鄰兩幀信號(hào)可看作來(lái)自于空間中同一個(gè)固定的相位中心,利用經(jīng)典的雙脈沖對(duì)消器即可消除雜波干擾[15].

圖3 DPCA方法

3.2 STAP方法

如圖4所示,STAP方法首先將每個(gè)通道的回波與直達(dá)波進(jìn)行混頻相關(guān)處理,然后通過(guò)空域FFT變換將相關(guān)結(jié)果沿方位維細(xì)分成若干子帶信號(hào),再對(duì)每個(gè)子帶信號(hào)采用歸一化最小均方差(NLMS)濾波方法抑制地雜波干擾,最后對(duì)濾波后的每個(gè)子帶信號(hào)進(jìn)行頻域FFT變換,獲得方位—速度二維平面[16].

圖4 STAP方法

4 仿真及結(jié)論

如圖5(a)所示,假設(shè)一組靜止目標(biāo)和4個(gè)動(dòng)目標(biāo)分布在一個(gè)橢圓上,輻射源和天基雷達(dá)分布位于橢圓的兩個(gè)焦點(diǎn),使得地雜波和目標(biāo)回波處于雷達(dá)接收機(jī)的同一距離單元內(nèi),雷達(dá)平臺(tái)速度為7.5km/s,積累時(shí)間為1s,輻射源載頻1.5GHz,帶寬200kHz,采樣率1MHz.

圖5 地雜波抑制算法仿真

由圖5(b)可知,雙通道DPCA和STAP算法對(duì)地雜波的抑制效果相當(dāng),可使地雜波平均衰減30dB左右,而DPCA的算法復(fù)雜度較低,工程實(shí)現(xiàn)性更好,但雙通道間的均衡問(wèn)題是下一步需要重點(diǎn)研究的方向.