張　良，?！g，吳　濤

(南京電子技術(shù)研究所，　南京 210039)

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機(jī)載預(yù)警雷達(dá)系統(tǒng)架構(gòu)發(fā)展路徑研究

張良，祝歡，吳濤

(南京電子技術(shù)研究所，南京 210039)

摘要：機(jī)載預(yù)警雷達(dá)體系架構(gòu)與信號(hào)處理技術(shù)相互推動(dòng)、代次發(fā)展，信號(hào)處理變革的驅(qū)動(dòng)力來自于系統(tǒng)需求，系統(tǒng)架構(gòu)的搭建以核心處理能力發(fā)揮到最優(yōu)為準(zhǔn)則。文中首先分析了機(jī)載預(yù)警雷達(dá)雜波譜空間-頻域以及空間-距離-頻域的特點(diǎn)；然后，概括總結(jié)了脈沖多普勒和空時(shí)自適應(yīng)處理兩代體系架構(gòu)演變的歷史；最后，從機(jī)載預(yù)警雷達(dá)面臨的雜波和干擾抑制需求出發(fā)，提出了未來機(jī)載預(yù)警雷達(dá)體系架構(gòu)三種可能的演變路徑。

關(guān)鍵詞：機(jī)載預(yù)警雷達(dá)；雷達(dá)系統(tǒng)架構(gòu)；空時(shí)自適應(yīng)處理；多輸入多輸出；認(rèn)知全自適應(yīng)雷達(dá)

0引言

由于受地球曲率的影響,地面雷達(dá)發(fā)現(xiàn)低空目標(biāo)的能力極為有限,需要依靠機(jī)載預(yù)警雷達(dá)來彌補(bǔ)這方面的不足,因此機(jī)載預(yù)警雷達(dá)是防止低空入侵的重要手段。機(jī)載預(yù)警雷達(dá)工作平臺(tái)高、探測(cè)威力遠(yuǎn)、活動(dòng)范圍大并且機(jī)動(dòng)靈活，可以指揮引導(dǎo)我方戰(zhàn)斗機(jī)編隊(duì)對(duì)敵方空中目標(biāo)實(shí)施攔截作戰(zhàn)，也可以為作戰(zhàn)飛機(jī)提供海面艦船目標(biāo)指示，引導(dǎo)實(shí)施對(duì)艦作戰(zhàn)。預(yù)警機(jī)是現(xiàn)代戰(zhàn)場(chǎng)的情報(bào)中心和指揮控制中心，可以大大提高作戰(zhàn)體系的效能，是現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中不可缺少的核心武器裝備[1]。

現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中，人為的和自然的、敵方和我方的、對(duì)抗和非對(duì)抗的各種電磁信號(hào)充斥于整個(gè)作戰(zhàn)空間，綜合形成了一個(gè)信號(hào)密集、種類繁多、對(duì)抗激烈、動(dòng)態(tài)多變的戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境。機(jī)載預(yù)警雷達(dá)平臺(tái)的升高和運(yùn)動(dòng)雖然帶來監(jiān)視區(qū)域的擴(kuò)大以及機(jī)動(dòng)性增強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，但雜波區(qū)域及多普勒譜也隨之?dāng)U展，使得雷達(dá)面臨更復(fù)

雜的雜波環(huán)境，同時(shí)更易受到地面、海上以及空中各種有意和無(wú)意干擾的影響。

為了應(yīng)對(duì)各種雜波和干擾的影響，國(guó)內(nèi)外研究人員一直在持續(xù)探索新的信號(hào)處理技術(shù)以及由此演變形成的雷達(dá)體系架構(gòu)。早期采用動(dòng)目標(biāo)顯示/動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)(MTI/MTD)技術(shù)，在最強(qiáng)的主瓣雜波位置形成多普勒凹口以提高反雜波能力，MTI/MTD主要適用于雜波譜沒有擴(kuò)展的地基雷達(dá)。而脈沖多普勒(PD)是現(xiàn)役機(jī)載預(yù)警雷達(dá)比較通用的技術(shù)，通過對(duì)相參脈沖串進(jìn)行頻譜分析(FFT)，既相參積累提高了信噪比，又大大縮窄了雜波分辨單元面積從而降低了雜波強(qiáng)度，不過PD處理需要超低副瓣天線配合才能較好地解決雜波和干擾的影響問題。隨著相控陣和高速信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展，空時(shí)自適應(yīng)處理(STAP)技術(shù)開始應(yīng)用于新一代機(jī)載預(yù)警雷達(dá)，STAP利用相控陣天線提供的多個(gè)空域通道信息和相干脈沖串提供的時(shí)域信息，在空域和時(shí)域兩維聯(lián)合自適應(yīng)濾波，實(shí)現(xiàn)對(duì)雜波和干擾的有效抑制。

雖然STAP技術(shù)相對(duì)于PD是很大的跨越，性能也有較大提升，但實(shí)際情況異常復(fù)雜，地形的快速起伏、大量離散強(qiáng)雜波點(diǎn)的存在、瞬息萬(wàn)變的電磁環(huán)境均使

得傳統(tǒng)意義上的STAP技術(shù)有時(shí)難以應(yīng)對(duì)復(fù)雜的新環(huán)境。近年來，雷達(dá)先進(jìn)信號(hào)處理技術(shù)的研究空前活躍，多輸入多輸出(MIMO)技術(shù)、正交波形設(shè)計(jì)技術(shù)、數(shù)字陣列技術(shù)、認(rèn)知探測(cè)技術(shù)和高速實(shí)時(shí)信號(hào)處理技術(shù)的研究逐步深入并逐步進(jìn)入工程試驗(yàn)與應(yīng)用階段，使雷達(dá)架構(gòu)的再發(fā)展與再突破成為可能。

機(jī)載預(yù)警雷達(dá)系統(tǒng)架構(gòu)過去如何演變，未來又將怎樣演變是本文探討的主要問題。本文首先分析了機(jī)載預(yù)警雷達(dá)雜波譜的空間-頻域以及空間-距離-頻域特點(diǎn)，揭示了近程雜波產(chǎn)生的機(jī)理以及對(duì)目標(biāo)檢測(cè)的影響；接著總結(jié)了PD和STAP兩代架構(gòu)演變的歷史，并概要介紹了STAP通用架構(gòu)的原理以及工程化降維處理方法；文中第四部分基于未來機(jī)載預(yù)警雷達(dá)面臨的任務(wù)，提出體系架構(gòu)三種可能的演變路徑。

1機(jī)載預(yù)警雷達(dá)雜波譜特點(diǎn)

1.1空-時(shí)雜波譜與空時(shí)濾波

為了研究機(jī)載預(yù)警雷達(dá)雜波譜的特點(diǎn)，建立機(jī)載雷達(dá)坐標(biāo)系如圖1所示。載機(jī)水平飛行，速度為V，以載機(jī)的速度方向?yàn)閄軸方向，以與速度垂直的方向?yàn)閅軸方向，按照右手系法則，垂直于X-Y平面向上的為Z軸方向。天線軸A與速度矢量V之間的夾角為α，天線軸A在地面上的投影為B，若陣列沿載機(jī)的速度方向布置，則稱之為正側(cè)視陣列(α=0°)；若陣列與載機(jī)的速度垂直，則稱之為前視陣列(α=-90°)或后視陣列(α=90°)；若有一定的夾角，則稱之為斜視陣列。

圖1　機(jī)載雷達(dá)坐標(biāo)系

如圖1所示，在XYZ坐標(biāo)系中，地雜波散射體P在天線坐標(biāo)系中的方位角和高低角分別為θa和φ，相對(duì)于天線軸的夾角為Ψ(天線錐角)，它們之間的關(guān)系為：θ=θa+α，cosΨ=cosθacosφ。該散射體回波的多普勒頻率[2]為

(1)

以歸一化多普勒頻率2fd/fr和天線錐角余弦cosΨ為坐標(biāo)，式(1)可改寫成

cosφ2sinα2

(2)

式中：fdM=2VP/λ；fr為脈沖重復(fù)頻率。

通過改變天線軸與載機(jī)飛行方向V的夾角α，可以得到不同陣列流形下空時(shí)二維雜波譜。圖2是不同α?xí)r的二維雜波譜。α=0°時(shí)，雷達(dá)天線陣面正側(cè)面安裝，二維雜波譜是一條斜率為fr/2fdM的直線，雜波譜結(jié)構(gòu)與高低角(即距離)無(wú)關(guān)；α≠0°時(shí)，在2fd/fr-cosΨ坐標(biāo)里二維雜波譜為斜橢圓，雜波譜結(jié)構(gòu)隨距離變化(距離不平穩(wěn)性)。對(duì)α=-90°的機(jī)頭陣，雜波譜為正橢圓。一般地，當(dāng)斜距Rc>3H時(shí)，雜波橢圓與φ=0°度時(shí)基本一致，Rc<2H時(shí)隨距離變化較快，H為載機(jī)高度。

此外，圖2中實(shí)線為從陣面前向進(jìn)入的雜波，虛線表示從天線背瓣進(jìn)入的雜波，絕大多數(shù)天線背瓣電平能夠做得很低，相應(yīng)的背瓣雜波很弱，這樣實(shí)際的雜波譜就只存在于橢圓的一半。另外，由于地雜波內(nèi)部存在起伏，雜波譜有一定的寬度，實(shí)際呈現(xiàn)帶狀分布。

圖2　不同α的二維雜波譜

1.2距離-方位-多普勒雜波譜

從圖2可知，對(duì)正側(cè)面陣而言，雜波譜在距離上變化緩慢，基本上是均勻的，因此利用相鄰若干距離門數(shù)據(jù)樣本可以估計(jì)雜波協(xié)方差矩陣。但是，對(duì)斜側(cè)面陣或機(jī)頭陣，近程雜波多普勒頻率隨距離變化較快，機(jī)載預(yù)警雷達(dá)一般采用較高的脈沖重復(fù)頻率工作，從天線主波束俯仰旁瓣來的近程雜波與遠(yuǎn)程雜波模糊混疊在一起，導(dǎo)致雜波在距離上呈現(xiàn)出非均勻性[4]，嚴(yán)重影響STAP性能。

圖3說明了非正側(cè)面陣近程雜波形成機(jī)理，波束指向方位角為θ，φ1和φ2分別對(duì)應(yīng)近程雜波和遠(yuǎn)程雜波的俯仰角。對(duì)多普勒頻率式(1)的參量進(jìn)行變換，將雜波俯仰角φ用雜波斜距Rc代替即可研究近程雜波規(guī)律

(3)

式中：Re為等效地球半徑；H為載機(jī)高度。對(duì)于波束方位指向θ，斜距Rc處的地雜波，其多普勒頻率表達(dá)式[5]為

(4)

主雜波多普勒軌跡隨陣面安裝角α和波束指向角θ變化，根據(jù)式(4)計(jì)算出的主瓣雜波軌跡與距離單元的關(guān)系如圖4所示。Rc<2H內(nèi)的雜波隨距離變化很快，我們將其定義為近程雜波。當(dāng)重復(fù)頻率不太高時(shí)，近程雜波落在一次模糊距離內(nèi)，但當(dāng)重復(fù)頻率較高時(shí)，近程雜波會(huì)跨越好幾個(gè)模糊距離，在距離維影響更大?？傊?，近程雜波強(qiáng)度大、距離上不均勻，并且在距離-多普勒平面上所占比例大，近程雜波對(duì)檢測(cè)的影響必須高度重視。

圖3　近程雜波形成機(jī)理

圖4　不同α與不同波束指向時(shí)雜波多普勒隨與距離關(guān)系及雜波區(qū)域邊緣圖

2機(jī)載預(yù)警雷達(dá)架構(gòu)的兩代演變——PD和STAP

2.1演變歷史

雷達(dá)體系架構(gòu)與信號(hào)處理技術(shù)相互推動(dòng)、相互牽引，信號(hào)處理變革的驅(qū)動(dòng)力來自于系統(tǒng)需求，系統(tǒng)架構(gòu)的搭建以核心處理能力發(fā)揮到最優(yōu)為準(zhǔn)則。盡管信號(hào)處理理論和技術(shù)在持續(xù)發(fā)展，但機(jī)載預(yù)警雷達(dá)架構(gòu)的演變呈現(xiàn)明顯的階段性，代次發(fā)展。預(yù)警機(jī)的誕生已有70年，雷達(dá)反雜波體制也經(jīng)歷了MTI/MTD、PD和STAP三個(gè)階段，因?yàn)镸TI/MTD和PD均是單接收通道相參體制，從雷達(dá)架構(gòu)角度將二者可歸于一類。因此，機(jī)載預(yù)警雷達(dá)架構(gòu)可劃分為PD和STAP兩代。

早期的E-2C預(yù)警機(jī)雷達(dá)采用MTI/MTD體制，反雜波能力差，制約了E-2C在陸地上空使用，目前最新型E-2D預(yù)警機(jī)則一步跨進(jìn)STAP階段。國(guó)內(nèi)外E-3A、PHALCON和Erieye等現(xiàn)役預(yù)警機(jī)雷達(dá)普遍采用PD體制，實(shí)踐證明，以E-3A為代表的超低副瓣天線+PD的雷達(dá)體制能很好地適應(yīng)強(qiáng)雜波和強(qiáng)干擾背景。圖5為PD雷達(dá)體系架構(gòu)，以現(xiàn)在的標(biāo)準(zhǔn)來看，PD架構(gòu)比較簡(jiǎn)單，首先通過模擬網(wǎng)絡(luò)合成和差波束，A/D轉(zhuǎn)換后級(jí)聯(lián)MTI、數(shù)字脈壓(DPC)、相參積累(FFT)和恒虛警檢測(cè)(CFAR)處理，PD架構(gòu)靈活性和自適應(yīng)能力均顯得不足。

從20世紀(jì)90年代開始，有源相控陣?yán)走_(dá)開始大量應(yīng)用于預(yù)警機(jī)[6]，它具有探測(cè)距離遠(yuǎn)、發(fā)射效率高、可靠性及維修性好、波束掃描靈活快捷等優(yōu)點(diǎn)，能更好地適應(yīng)高速高機(jī)動(dòng)、密集多目標(biāo)、復(fù)雜電磁環(huán)境下的預(yù)警探測(cè)任務(wù)，成為當(dāng)今機(jī)載預(yù)警雷達(dá)的主流技術(shù)體制[7]。有源相控陣?yán)走_(dá)需要配置多個(gè)陣面才能實(shí)現(xiàn)360°方位覆蓋，在大角度掃描下(對(duì)三面陣，掃描±60°；對(duì)四面陣，掃描±45°)天線副瓣電平必然明顯抬高，強(qiáng)雜波背景下PD處理剩余大，探測(cè)能力反而退化，換句話說，有源相控陣?yán)走_(dá)其實(shí)是用天線副瓣電平的抬高換取掃描靈活性。STAP技術(shù)則減輕了對(duì)天線全方位超低副瓣的要求，可以說STAP與有源相控陣完美結(jié)合是新一代機(jī)載預(yù)警雷達(dá)的必然選擇。

圖5　機(jī)載預(yù)警雷達(dá)PD系統(tǒng)架構(gòu)

2.2STAP通用架構(gòu)

假設(shè)雷達(dá)天線有N個(gè)陣元，一個(gè)相參處理間隔內(nèi)發(fā)射K個(gè)相參脈沖。理論上，NK全維空時(shí)自適應(yīng)處理性能最佳；事實(shí)上，由于獨(dú)立同分布樣本數(shù)量的限制以及全維實(shí)時(shí)處理運(yùn)算量巨大超出實(shí)現(xiàn)可能，必須做降維預(yù)處理[8]，圖6為基于固定結(jié)構(gòu)降維STAP的通用架構(gòu)。

固定結(jié)構(gòu)降維有統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)表達(dá)[9]。假定輸入數(shù)據(jù)是一個(gè)NK×1維的空時(shí)快拍X。通過一個(gè)NK×D(D=NK)的預(yù)處理矩陣T，可以將輸入數(shù)據(jù)變換為一個(gè)新的D×1維向量Xr，即

Xr=THX

(5)

然后，對(duì)Xr進(jìn)行STAP濾波，此架構(gòu)中核心是降維矩陣T的設(shè)計(jì)，T的形式即降維方法也雷達(dá)架構(gòu)的重要要素。

文獻(xiàn)[9]提出了在陣元域/波束域和脈沖域/多普勒域四大域中進(jìn)行降維STAP處理的統(tǒng)一框架。波束空間算法目前廣泛用于空域零陷和角度估計(jì)，空域?yàn)V波雖可實(shí)現(xiàn)空域的局域化，不過由于很多雷達(dá)空域通道數(shù)有限，空域分辨率不高，雜波局域化效果并不明顯；時(shí)域?yàn)V波等效于在方位上對(duì)雜波進(jìn)行局域化，脈沖串長(zhǎng)度一般比空域通道數(shù)大得多，而且時(shí)域?yàn)V波器可以獲得非常低的旁瓣。因此，時(shí)域?yàn)V波后可以明顯地降低雜波維度，從而減少STAP處理所需的自由度。事實(shí)證明，以mDT-SAP算法[8]為代表的Post-Doppler降維方法在大多數(shù)場(chǎng)合更為有效實(shí)用?？傊@四類固定結(jié)構(gòu)降維方法各具優(yōu)勢(shì)，不同的應(yīng)用場(chǎng)合應(yīng)該分別優(yōu)化選擇。

圖6　STAP通用架構(gòu)

除固定結(jié)構(gòu)的降維方法外，有關(guān)數(shù)據(jù)域降維(或稱作降秩)國(guó)內(nèi)外也開展了很多研究。顧名思義，數(shù)據(jù)域降維從全維的雜波協(xié)方差矩陣出發(fā)，尋求次優(yōu)的降維處理方法。如互譜法(CSM)[10]、主分量法(PC)[11]等，均首先利用全維空時(shí)數(shù)據(jù)對(duì)協(xié)方差矩陣進(jìn)行估計(jì)，然后對(duì)協(xié)方差矩陣進(jìn)行奇異值分解，根據(jù)一定準(zhǔn)則構(gòu)建STAP降維處理的特征空間。數(shù)據(jù)域降維在理論研究?jī)r(jià)值大于其實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

有關(guān)降維或降秩STAP技術(shù)研究很多，在此不再贅述。

2.3兩個(gè)應(yīng)用案例

STAP架構(gòu)已成功應(yīng)用于E-2D APY-9雷達(dá)[12]以及多通道機(jī)載雷達(dá)測(cè)量(MCARM)[13]試驗(yàn)系統(tǒng)上。E-2D APY-9雷達(dá)天線為18通道的有源相控陣，采用ADBF和STAP技術(shù)提升雜波和干擾抑制能力，在濱海地區(qū)和陸地上空的探測(cè)能力得到極大提高。由于工作在UHF波段，天線空域通道數(shù)不多，所以在空域上無(wú)需降維。MCARM試驗(yàn)系統(tǒng)工作在L波段，雷達(dá)天線有16列8行共128個(gè)單元，該試驗(yàn)雷達(dá)預(yù)先準(zhǔn)備了好幾套子陣/波束形成網(wǎng)絡(luò)(T矩陣)，最終形成24個(gè)空域通道，其中2路分別為和波束與方位差波束，另22路子陣用于STAP處理，MCARM系統(tǒng)STAP架構(gòu)對(duì)陣面規(guī)模較大的雷達(dá)更有實(shí)際參考意義。

3機(jī)載預(yù)警雷達(dá)系統(tǒng)架構(gòu)演變路徑分析

針對(duì)機(jī)載預(yù)警雷達(dá)目前存在的問題以及未來可能面臨的挑戰(zhàn)，并結(jié)合信號(hào)處理技術(shù)發(fā)展的現(xiàn)實(shí)水平，我們認(rèn)為機(jī)載預(yù)警雷達(dá)系統(tǒng)架構(gòu)未來演變路徑可能有三個(gè)：一是基于現(xiàn)有框架在接收端繼續(xù)挖潛，增加距離向維度，將自適應(yīng)處理從空間-時(shí)間兩維(2D-STAP)擴(kuò)展到空間-時(shí)間-距離三維(3D-STAP )，主要目的是抑制與距離相關(guān)的近程雜波；二是在發(fā)射端開展研究，同時(shí)發(fā)射多通道正交波形，按MIMO模式工作，將STAP理念應(yīng)用于發(fā)射空時(shí)方向圖的綜合過程，通過聯(lián)合接收和發(fā)射STAP獲得更好的雜波與干擾抑制性能[13]，我們將此架構(gòu)定義為MIMO STAP；三是隨著環(huán)境感知技術(shù)和知識(shí)輔助技術(shù)的研究深入，全自適應(yīng)認(rèn)知雷達(dá)(COFAR)概念應(yīng)運(yùn)而生[14]，COFAR雷達(dá)包含環(huán)境實(shí)時(shí)感知、MIMO陣列、自適應(yīng)發(fā)射和接收STAP等功能，智能化處理水平空前提高，是未來機(jī)載預(yù)警雷達(dá)的發(fā)展方向。

3.1路徑一：由2D-STAP向3D-STAP演變

對(duì)于正側(cè)面陣來說，雜波分布與距離無(wú)關(guān)，它不依賴距離，基本上沿著一條直線分布，即雜波譜為一條直線，相對(duì)來說這種雜波比較容易抑制，沿著“雜波脊”形成一條凹口即可有效地抑制雜波了。但是對(duì)非正側(cè)面陣(前視陣或者斜側(cè)陣)雷達(dá)來說，雜波譜線近似為一條橢圓(圓)曲線而不是一條直線，表現(xiàn)在距離多普勒?qǐng)D上為一條彎曲的雜波線，這嚴(yán)重影響了雜波回波距離平穩(wěn)性，十分不利于樣本訓(xùn)練，影響雜波抑制效果。對(duì)于非正側(cè)面陣機(jī)載雷達(dá)來說，一般的先降維再空時(shí)自適應(yīng)處理的處理方式雖然能夠在遠(yuǎn)程雜波處有效形成凹口，但是對(duì)于近程雜波是無(wú)能為力的，它不能夠有效地抑制近程雜波，從而嚴(yán)重影響目標(biāo)的可檢測(cè)性。近程雜波抑制是一個(gè)比較難的問題，它對(duì)目標(biāo)檢測(cè)性能的影響不可忽略。

針對(duì)近程雜波的形成機(jī)理，文獻(xiàn)[4-5]有針對(duì)性提出了多種抑制方法，基本思路是利用天線俯仰上的自由度抑制與俯仰角相關(guān)的近程雜波，這就要求雷達(dá)采用全數(shù)字陣列。具體的流程：(1)先在俯仰向?yàn)V波在指定距離門形成凹口；(2)進(jìn)行方位向的STAP處理，圖7為3D-STAP架構(gòu)原理。由于第2步與2D-STAP無(wú)異，在此僅對(duì)第1步作簡(jiǎn)要介紹。

圖7　3D-STAP架構(gòu)原理

以某一列為例，假設(shè)俯仰列子陣有M個(gè)陣元，需要抑制的近程雜波對(duì)應(yīng)的俯仰角為φ1(參考圖3)，俯仰主波束指向φ0，近程雜波的導(dǎo)向矢量可以寫為

(6)

俯仰主波束的導(dǎo)向矢量為

(7)

列內(nèi)自適應(yīng)權(quán)矢量wel是下述最優(yōu)化問題的解

(8)

式中：Rel為列子陣數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣。第一個(gè)條件約束近程雜波處增益為零，第二個(gè)條件約束目標(biāo)方向無(wú)增益損失，根據(jù)需要也可以在其他方向(如第二個(gè)模糊距離處)增加零點(diǎn)約束。

利用wel對(duì)M×1的列數(shù)據(jù)向量進(jìn)行濾波，就在近程雜波對(duì)應(yīng)的距離上形成凹口。圖8通過仿真分步演示了3D-STAP流程及其效果。

圖8　3D-STAP仿真結(jié)果

3.2路徑二：由RX-STAP向MIMO-STAP演變

無(wú)論2D-STAP還是3D-STAP均是在接收端進(jìn)行處理，而發(fā)射端在反雜波和抗干擾方面所起的作用發(fā)揮得遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。雷達(dá)收發(fā)是互易的，從理論上分析，接收端STAP本質(zhì)上是對(duì)多通道一個(gè)CPI內(nèi)的接收脈沖幅相進(jìn)行自適應(yīng)加權(quán)處理。同理，如果發(fā)射端有足夠的空時(shí)自由度供調(diào)節(jié)，那么完全可以將接收端STAP理念推廣應(yīng)用到發(fā)射端，在發(fā)射端設(shè)計(jì)出與雜波譜反向匹配的空時(shí)發(fā)射方向圖預(yù)先消除部分雜波，從而與接收端STAP共同分擔(dān)雜波抑制任務(wù)。MIMO陣列每個(gè)陣元發(fā)射相互正交的波形，提供了足夠的發(fā)射自由度，為實(shí)現(xiàn)MIMO-STAP提供了可能，架構(gòu)如圖9所示。

圖9　MIMO-STAP通用架構(gòu)

圖中，每個(gè)陣元與一個(gè)數(shù)字化收/發(fā)(DT/R)通道相連，DT/R發(fā)射支路負(fù)責(zé)正交波形產(chǎn)生、調(diào)制與放大；接收支路負(fù)責(zé)射頻信號(hào)的放大、濾波與A/D變換。從N個(gè)發(fā)射陣元同時(shí)發(fā)射K個(gè)相參脈沖串, 其中N個(gè)發(fā)射陣元發(fā)射的是相互正交的波形u1,u2,…,uN，定義發(fā)射正交波形矢量為u=[u1,u2,…,uN]T，在遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)射端無(wú)法形成方向圖。

設(shè)第m個(gè)接收陣元接收到的目標(biāo)回波矢量為

(9)

MIMO-STAP分以下三個(gè)步驟實(shí)施：

第一步將每個(gè)陣元的接收空時(shí)數(shù)據(jù)通過匹配濾波器組(u1,u2,…,uN)進(jìn)行濾波，在接收端重構(gòu)N元發(fā)射陣列。設(shè)第m個(gè)接收通道重構(gòu)出來的第n個(gè)發(fā)射陣列為Xmn，則

(10)

式中：conv(·,·)表示卷積。對(duì)于正交波形組，自卷積即為匹配濾波，互卷積響應(yīng)很低，可以忽略不計(jì)，因此式(10)只保留了自相關(guān)項(xiàng)。

第二步對(duì)重構(gòu)的發(fā)射陣進(jìn)行TX-STAP，方法類似于常規(guī)的接收端STAP。以mDT-SAP方法為例，先通過FFT將匹配濾波后的數(shù)據(jù)變換到頻域，再對(duì)N元發(fā)射陣按多普勒通道依次進(jìn)行自適應(yīng)濾波，綜合出等效的空時(shí)發(fā)射方向圖，這一過程需要針對(duì)N個(gè)接收通道依次進(jìn)行，共形成NK個(gè)空時(shí)發(fā)射自適應(yīng)方向圖。

第三步將NK個(gè)發(fā)射空時(shí)自適應(yīng)數(shù)據(jù)按常規(guī)的接收端STAP方法繼續(xù)進(jìn)行濾波，最后形成NK個(gè)收發(fā)雙程空時(shí)自適應(yīng)檢測(cè)通道，在此不再贅述。

文獻(xiàn)[14]提出了一種基于多普勒分集復(fù)用(DDMA)的MIMO-STAP結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)架構(gòu)如圖10所示，每個(gè)通道發(fā)射的波形錯(cuò)開一個(gè)多普勒頻率，各多普勒譜線相互正交(如圖10a)所示)。處理流程相對(duì)簡(jiǎn)單，利用FFT進(jìn)行多普勒點(diǎn)頻濾波即可重構(gòu)發(fā)射陣，后續(xù)處理流程與圖9類似。

圖10　DDMA MIMO-STAP

從理論上分析，MIMO-STAP架構(gòu)增加了TX-STAP環(huán)節(jié)，收發(fā)共同承擔(dān)雜波與干擾抑制任務(wù)，預(yù)計(jì)將獲得比RX-STAP更好的性能，具有突出的研究?jī)r(jià)值與應(yīng)用前景。

3.3路徑三：由MIMO STAP向CoFAR演變

STAP 或MIMO-STAP技術(shù)需要基于接收數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)估計(jì)協(xié)方差矩陣，然后根據(jù)估計(jì)結(jié)果自適應(yīng)調(diào)整空時(shí)濾波權(quán)值，從而達(dá)到最好的干擾/雜波抑制效果。實(shí)時(shí)估計(jì)協(xié)方差矩陣實(shí)際上就是對(duì)環(huán)境的實(shí)時(shí)感知，而空時(shí)濾波權(quán)值的自適應(yīng)調(diào)整可以看作一種智能化的處理過程，所以STAP或MIMO-STAP從本質(zhì)上已體現(xiàn)了實(shí)時(shí)感知及智能化的概念。

作為傳感器，雷達(dá)是通過與環(huán)境、目標(biāo)相互作用來獲取信息的。在復(fù)雜的背景下，固定的工作模式和不變的發(fā)射波形很難取得滿意的性能，這是傳統(tǒng)雷達(dá)的不足，認(rèn)知全自適應(yīng)雷達(dá)(CoFAR)可以根據(jù)目標(biāo)和外部環(huán)境特性智能地選擇發(fā)射波形、工作方式以及資源調(diào)度方式，并且盡可能利用電磁環(huán)境和雜波環(huán)境的先驗(yàn)信息來提高檢測(cè)能力，被譽(yù)為未來雷達(dá)的發(fā)展方向之一，圖11為CoFAR系統(tǒng)架構(gòu)[15]。CoFAR具有全自適應(yīng)發(fā)射，全自適應(yīng)接收、先驗(yàn)信息感知和控制調(diào)度功能，當(dāng)然MIMO陣列不可或缺，它為認(rèn)知雷達(dá)感知環(huán)境和自適應(yīng)發(fā)射提供了更多的自由度。

圖11　認(rèn)知全自適應(yīng)雷達(dá)系統(tǒng)架構(gòu)

先驗(yàn)信息的主要作用如下。

(1)先驗(yàn)電磁環(huán)境信息?；谙闰?yàn)干擾地圖(包括干擾頻段、干擾方向、干擾類型、干擾強(qiáng)度等信息)，綜合運(yùn)用干擾頻段規(guī)避、干擾空域?yàn)V波、發(fā)射反干擾波形等方法，提升干擾抑制效果。

(2)先驗(yàn)雜波信息。國(guó)內(nèi)外機(jī)構(gòu)學(xué)者已經(jīng)對(duì)KA-STAP算法進(jìn)行了大量的研究(具體可參閱文獻(xiàn)[14]及其參考文獻(xiàn))，根據(jù)先驗(yàn)知識(shí)利用方式的不同，KA-STAP算法可以分為兩大類：一類是利用歷史數(shù)據(jù)的KA-STAP算法，另一類是利用基于DEM的雜波反演數(shù)據(jù)的KA-STAP算法，目的均是為了獲得更準(zhǔn)確的協(xié)方差估計(jì)，提高雜波抑制效果。KA-STAP的原理如下式

(11)

圖12　KA-STAP原理圖

需要說明的是，CoFAR是雷達(dá)未來的發(fā)展方向，目前尚處于概念和理論研究階段，需要探索和解決的問題很多，離全系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)尚有相當(dāng)長(zhǎng)的路要走。不過并不妨礙我們將階段性成果先行應(yīng)用，例如KA與MIMO-STAP有望先行成功，為最終真正實(shí)現(xiàn)CoFAR架構(gòu)打下基礎(chǔ)。

4結(jié)束語(yǔ)

機(jī)載預(yù)警雷達(dá)的信號(hào)處理技術(shù)正朝著精細(xì)化、多維化和智能化方向發(fā)展，雷達(dá)系統(tǒng)架構(gòu)將更加多維、更加智能?？v觀70年發(fā)展史，機(jī)載預(yù)警雷達(dá)系統(tǒng)架構(gòu)已經(jīng)經(jīng)歷了PD和2D-STAP兩個(gè)階段，后續(xù)有可能向3D-STAP、MIMO STAP和CoFAR路徑演變；從雷達(dá)硬件的基本特征看，將會(huì)沿著單通道模擬陣系統(tǒng)、多通道模擬相控陣系統(tǒng)、全數(shù)字陣列系統(tǒng)和MIMO陣列系統(tǒng)路徑演變。

我們期待，本文梳理出的系統(tǒng)架構(gòu)和信號(hào)處理技術(shù)演變規(guī)律將對(duì)機(jī)載預(yù)警雷達(dá)的發(fā)展起到一定的指導(dǎo)作用。展望未來，機(jī)載預(yù)警雷達(dá)必將進(jìn)入一個(gè)新的技術(shù)爆炸時(shí)代！

參 考 文 獻(xiàn)

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張良男，1966年生，研究員級(jí)高級(jí)工程師。現(xiàn)任中國(guó)電子科技集團(tuán)公司首席專家，南京電子技術(shù)研究所首席專家。空警-2000預(yù)警機(jī)雷達(dá)總設(shè)計(jì)師，我國(guó)預(yù)警機(jī)雷達(dá)領(lǐng)域主要開拓者。研究方向?yàn)闄C(jī)載預(yù)警雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、雷達(dá)信號(hào)與信息處理技術(shù)。

曹晨男，1974年生，研究員，博士生導(dǎo)師。研究方向?yàn)轭A(yù)警機(jī)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)。

A Study on the Evolution Way of the System Architecture

of AEW Radar

ZHANG Liang，ZHU Huan，WU Tao

(Nanjing Research Institute of Electronics Technology,Nanjing 210039, China)

Abstract：The system architecture and signal processing technology of airborne early-warning (AEW) radar promote each other and evolve generation by generation. The driving force of the signal processing evolution comes from the requirement of the system and the guideline in the building of system architecture is to achieve the core processing ability optimally. In this paper, the characteristics of AEW radar's clutter spectrum in the space-frequency domain and space-range-frequency domain are analyzed firstly. Then, the evolution history of two generation architecture-PD and STAP is summarized. At last, based on the clutter and interference rejection problem AEW radar facing, three possible evolution ways of AEW radar's system architecture in the future are proposed.

Key words：airborne early warning; radar system architecture; space time adaptive processing; multiple input multiple output; cognitive fully adaptive radar

收稿日期：2015-08-04

修訂日期：2015-10-08

通信作者：張良Email：housezl@126.com

中圖分類號(hào)：TN959

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1004-7859(2015)12-0011-08