潘 潔 李道京 周建衛(wèi) 盧曉春

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大型稀疏陣列天基雷達(dá)系統(tǒng)分析

潘 潔*①②李道京①周建衛(wèi)①②盧曉春③

①(中國(guó)科學(xué)院電子學(xué)研究所 北京 100190)②(中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 北京 100049)③(中國(guó)科學(xué)院國(guó)家授時(shí)中心 西安 710600)

天基雷達(dá)可以在全球范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)探測(cè)和對(duì)地高分辨率成像。該文研究了天基雷達(dá)系統(tǒng)問題，基于大型稀疏陣列天線，論述了天基雷達(dá)的技術(shù)體制和關(guān)鍵技術(shù)，設(shè)計(jì)了基于稀疏陣列的MEO軌道X波段天基雷達(dá)系統(tǒng)參數(shù)并分析了其系統(tǒng)性能，為天基雷達(dá)的技術(shù)實(shí)現(xiàn)提供了一種新的途徑。

天基雷達(dá)；稀疏陣列；目標(biāo)探測(cè)；SAR成像；雷達(dá)系統(tǒng)

1 引言

天基雷達(dá)(Space-Based Radar, SBR) 以衛(wèi)星作為觀測(cè)平臺(tái)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)地高分辨率成像和對(duì)空間、空中、地面、海面運(yùn)動(dòng)目標(biāo)探測(cè)，能連續(xù)對(duì)陸?？仗炷繕?biāo)進(jìn)行全方位的偵察監(jiān)視，實(shí)現(xiàn)天基預(yù)警。天基雷達(dá)作為獲取信息的核心裝備，在國(guó)家戰(zhàn)略防御預(yù)警系統(tǒng)中具有重要地位，現(xiàn)已成為當(dāng)今世界各航天軍事大國(guó)的研究重點(diǎn)[1]。

衛(wèi)星軌道通常按照高度分為低軌(LEO)、中軌(MEO)、同步衛(wèi)星軌道(GEO)。LEO軌道高度約為700~1200 km，全球覆蓋約需20~30顆衛(wèi)星；MEO軌道高度約為8000~13000 km，全球覆蓋約需15~25顆衛(wèi)星；GEO軌道高度為35800 km，全球覆蓋約需3~4顆衛(wèi)星。較高的衛(wèi)星軌道，可以提高覆蓋范圍、減少觀測(cè)衛(wèi)星數(shù)目、增加駐留時(shí)間用于運(yùn)動(dòng)目標(biāo)探測(cè)，對(duì)天基雷達(dá)預(yù)警具有重要的意義。

由于探測(cè)距離遠(yuǎn)，天基雷達(dá)需要大功率孔徑積、輕量化、可展開而且收攏體積小的有源相控陣天線[2]。美國(guó)空軍實(shí)驗(yàn)室支持研制的X波段有源透鏡天線，發(fā)射前可收攏，發(fā)射后采用充氣硬化展開，但其全陣的陣面控制精度需要有特殊措施保證[3]。

考慮到星上供電能力有限，天基雷達(dá)必須采用大尺寸天線。當(dāng)軌道高度大于10000 km時(shí)，用于運(yùn)動(dòng)目標(biāo)探測(cè)的天基雷達(dá)，其功率孔徑積應(yīng)大于65 dBwm2 [1,4]。當(dāng)天線發(fā)射平均功率需控制在20~30 kw量級(jí)，其天線面積應(yīng)在250 m2左右。在采用大面積天線保證功率孔徑積的條件下，進(jìn)一步增大天線尺寸提高其空間分辨率有助于對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)探測(cè)定位精度的提升。這種大型天線采用傳統(tǒng)技術(shù)很難工程實(shí)現(xiàn)。

稀疏陣列天線及其孔徑綜合技術(shù)在射電天文望遠(yuǎn)鏡、地基/星載/機(jī)載成像輻射計(jì)和地基對(duì)空觀測(cè)雷達(dá)中已獲得了廣泛的應(yīng)用。近年來，中國(guó)科學(xué)院電子學(xué)研究所積極開展了稀疏微波成像理論和方法的研究[8]，深入研究了稀疏陣列天線雷達(dá)技術(shù)，已取得了一定的研究成果[9]。目前稀疏陣列天線應(yīng)用于機(jī)載雷達(dá)[10]和艇載雷達(dá)[11,12]的研究工作已經(jīng)展開，本文將相關(guān)概念引入天基雷達(dá)，論述了基于大型稀疏陣列的天基雷達(dá)的技術(shù)體制和關(guān)鍵技術(shù)，設(shè)計(jì)了基于稀疏陣列的MEO軌道X波段天基雷達(dá)系統(tǒng)參數(shù)并分析了其系統(tǒng)性能。

2 技術(shù)體制和工作原理

(1)概念： 基于大型稀疏陣列的天基雷達(dá)是指利用稀疏陣列天線孔徑綜合技術(shù)，通過空-時(shí)-頻信號(hào)處理，以較高的空間分辨率和較少的設(shè)備體積重量實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)探測(cè)和對(duì)地成像的雷達(dá)系統(tǒng)。主要由大型稀疏陣列天線和中央電子設(shè)備兩大部分組成，其中稀疏陣列天線由多個(gè)可2維電掃描的有源相控子陣和天線展開機(jī)構(gòu)組成。

(2)體制： 稀疏陣列天基雷達(dá)是各子陣采用正交信號(hào)實(shí)現(xiàn)寬波束發(fā)射，工作在寬發(fā)窄收方式下的多發(fā)多收體制雷達(dá)系統(tǒng)。其全陣高空間分辨率波束形成中的孔徑綜合和窄波束接收，可理解是基于子陣級(jí)接收DBF進(jìn)行處理。

(3)稀疏陣列天線孔徑綜合原理： 利用在空間優(yōu)化稀疏布局的多發(fā)多收結(jié)構(gòu)天線系統(tǒng)，可獲得更小間隔的空間采樣點(diǎn)并產(chǎn)生新的天線相位中心，通過在空間重排處理，可使相位中心的數(shù)量和分布情況與滿陣天線相同，在獲取全陣高空間分辨率天線波束的同時(shí)，避免產(chǎn)生柵瓣和較高的旁瓣。

(4)大型陣列形變的測(cè)量和天線波束形成方法：

從原理上講，只要精確測(cè)量和估計(jì)陣列形變誤差并實(shí)施補(bǔ)償，就有可能形成理想的天線方向圖。由于陣列天線方向圖形成和合成孔徑雷達(dá)成像在本質(zhì)上是一致的，合成孔徑雷達(dá)的成像可理解為利用不同時(shí)刻的空間采樣實(shí)現(xiàn)了大型陣列的瞬時(shí)空間采樣。在此基礎(chǔ)上，傳統(tǒng)的天線波束形成問題也可轉(zhuǎn)化為雷達(dá)成像處理問題，故合成孔徑雷達(dá)成像處理中的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償方法也可以用于大型陣列形變誤差的補(bǔ)償。

(5)特點(diǎn)： 采用稀疏陣列天線，在同樣的發(fā)射功率孔徑積條件下，不僅可以大幅度提高有源陣天線的空間分辨率，而且便于發(fā)射前收攏和星上展開。

3 關(guān)鍵技術(shù)和解決途徑

3.1 大型稀疏陣列天線設(shè)計(jì)

主要內(nèi)容包括大型天線陣列優(yōu)化布局技術(shù)、高效輕量有源相控子陣技術(shù)、接收和發(fā)射DBF技術(shù)、稀疏陣列天線收攏和展開機(jī)構(gòu)技術(shù)等。

隨著技術(shù)的發(fā)展，目前高效輕量有源相控陣天線(AESA)技術(shù)已有長(zhǎng)足的發(fā)展。AESA的關(guān)鍵部件T/R組件，初期是磚塊Brick結(jié)構(gòu)，體積大而重，很難滿足的安裝尺寸要求，生產(chǎn)需要許多手工參與，成本高，不易小型化設(shè)計(jì)。隨著MMIC, LTCC, HTCC, SOC等的技術(shù)進(jìn)步，美國(guó)、德國(guó)等西方先進(jìn)國(guó)家已經(jīng)設(shè)計(jì)制造出帶輻射陣元立體集成的瓦片式Tile的T/R，并已成功裝備到F-15戰(zhàn)斗機(jī)上使用。德國(guó)EADS公司已提出星載TerraSAR-X的磚塊Brick式T/R到瓦片Tile式T/R的過渡計(jì)劃。

2006年，國(guó)外在X波段由多層LTCC+HTCC的帶輻射元的立體集成T/R組件尺寸為15 mm×15 mm×8 mm，重量小于4 g，輸出功率4 W，噪聲系數(shù)NF為3.5 dB。

由于瓦片式T/R組件，薄而輕，易小型化設(shè)計(jì)，便于星上使用。瓦片式T/R組件可以大大減少生產(chǎn)中的手工參與，便于自動(dòng)化生產(chǎn)和各工序中的檢測(cè)，有利于降低成本，改善和提高可靠性。

基于小型芯片T/R組件和平面集成技術(shù)，目前國(guó)外研制的X波段輕質(zhì)低功率密度有源相控陣天線，已用于平流層飛艇的驗(yàn)證試驗(yàn)[13]，其重量密度達(dá)到1.8 kg/m2，在接收狀態(tài)下功耗為4.7 W/m2。設(shè)計(jì)并選擇低峰值功率芯片T/R組件有利于天基雷達(dá)天線的小型化和散熱，是目前的發(fā)展趨勢(shì)[14]。

本文大型稀疏陣列天線，子陣擬設(shè)計(jì)成剛性結(jié)構(gòu)，全陣擬工作在非剛性狀態(tài)下，其收攏和展開方式可和衛(wèi)星太陽翼類似。

3.2 多子陣相位中心高精度測(cè)量和陣列誤差補(bǔ)償

主要內(nèi)容包括基于分布式位置和姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)(POS)多子陣相位中心高精度測(cè)量技術(shù)、基于回波信號(hào)的陣列誤差估計(jì)技術(shù)、大型陣列誤差高精度補(bǔ)償技術(shù)等。

本文大型天線全陣擬工作在非剛性狀態(tài)下，多子陣相位中心高精度測(cè)量和陣列誤差補(bǔ)償就成為一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，擬采用安裝在各子陣上的分布式POS形成多節(jié)點(diǎn)測(cè)量系統(tǒng)，完成陣列形變誤差測(cè)量并引入SAR成像處理中的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償方法實(shí)施誤差補(bǔ)償，同時(shí)考慮使用雷達(dá)成像常用的自聚焦技術(shù)實(shí)施陣列誤差估計(jì)和補(bǔ)償。

陣列形變誤差測(cè)量精度的要求約為1/16個(gè)波長(zhǎng)，在C和X波段對(duì)應(yīng)的相對(duì)空間位置測(cè)量精度分別約為3.0 mm和1.5 mm。文獻(xiàn)[15]分析了分布式POS的測(cè)量精度和用于陣列形變誤差測(cè)量的可行性，文獻(xiàn)[12]分析了艇載陣列形變誤差對(duì)成像的影響并實(shí)施了陣列形變誤差補(bǔ)償。

3.3 運(yùn)動(dòng)目標(biāo)探測(cè)和對(duì)地高分辨率成像

主要內(nèi)容包括低信噪比運(yùn)動(dòng)目標(biāo)探測(cè)技術(shù)、高速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)探測(cè)技術(shù)、地面雜波抑制技術(shù)、多模式對(duì)地高分辨率成像技術(shù)等。

遠(yuǎn)距離觀測(cè)和對(duì)低RCS運(yùn)動(dòng)目標(biāo)探測(cè)，要求天基雷達(dá)具有對(duì)低信噪比微弱信號(hào)探測(cè)能力。雷達(dá)對(duì)遠(yuǎn)距離目標(biāo)信號(hào)可采用長(zhǎng)時(shí)間相干積累，對(duì)近距離目標(biāo)信號(hào)可采用短時(shí)間相干積累，并自動(dòng)實(shí)現(xiàn)一定的靈敏度時(shí)間控制(STC)功能。通過設(shè)置不同的波駐時(shí)間，雷達(dá)可在作用距離、波束掃描范圍和數(shù)據(jù)率等參數(shù)間進(jìn)行折中選擇。采用多頻信號(hào)和雙頻共軛處理解除回波信號(hào)的多普勒模糊，利用雷達(dá)成像處理方法完成高速目標(biāo)大范圍距離徙動(dòng)校正，解決低信噪比高速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)探測(cè)問題[16]。為減少波駐時(shí)間，可使用稀疏陣列中的密集相鄰子陣做發(fā)射DBF，減少瞬時(shí)波束覆蓋范圍，提高探測(cè)距離。

由于軌道較高，天基雷達(dá)的探測(cè)對(duì)象可包括陸海空天運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，應(yīng)同時(shí)考慮對(duì)空間目標(biāo)的成像問題，故在系統(tǒng)設(shè)計(jì)上對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)探測(cè)，應(yīng)考慮設(shè)置遠(yuǎn)距離窄帶探測(cè)和中距離寬帶高分辨率成像模式。

關(guān)于對(duì)地高分辨率SAR成像模式，由于本文天基雷達(dá)天線主要工作在子陣寬波束發(fā)射，全陣接收DBF處理方式下，客觀上為多模式對(duì)地成像提供了有利條件。

3.4 天基信號(hào)高速采集和高時(shí)效處理技術(shù)

主要內(nèi)容包括多通道信號(hào)高速采集技術(shù)、稀疏陣列天線孔徑綜合和接收DBF處理技術(shù)、高時(shí)效信號(hào)處理技術(shù)等。

由于天線子陣數(shù)量和通道數(shù)較多，數(shù)據(jù)量較大，為保證信號(hào)質(zhì)量和通道一致性，信號(hào)采集擬使用中頻采樣，海量信號(hào)存儲(chǔ)擬使用高密度固態(tài)盤，信號(hào)采集設(shè)備并入天線子陣設(shè)備中?？紤]到天基雷達(dá)稀疏陣列天線孔徑綜合、接收DBF處理和對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)探測(cè)的實(shí)際應(yīng)用需求，星上應(yīng)有足夠的實(shí)時(shí)和高時(shí)效信號(hào)處理能力，相關(guān)的信號(hào)處理硬件結(jié)構(gòu)可采用FPGA+DSP的方式實(shí)現(xiàn)。

4 系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)

4.1 波段

波段是雷達(dá)的重要參數(shù)，使用較短波長(zhǎng)可使雷達(dá)的空間分辨率和目標(biāo)探測(cè)定位精度較高。使用較長(zhǎng)波長(zhǎng)(如S波段)可使雷達(dá)T/R組件的效率較高，由于波長(zhǎng)較長(zhǎng)，也可降低對(duì)多子陣相位中心測(cè)量和陣列誤差補(bǔ)償?shù)木纫?。目前天基雷達(dá)具有明顯的向高頻段發(fā)展的趨勢(shì)，且在高頻段高密度小功率芯片T/R組件更容易工程實(shí)現(xiàn)，本文雷達(dá)系統(tǒng)參數(shù)分析主要圍繞X波段(中心頻率10 GHz)展開。

4.2 稀疏陣列

本文X波段大型稀疏陣列由20個(gè)有源相控子陣組成，形成一個(gè)長(zhǎng)為238 m的稀疏線陣。稀疏線陣在交軌方向展開，在獲得交軌向高空間分辨率的同時(shí)，可考慮利用天基雷達(dá)和運(yùn)動(dòng)目標(biāo)存在的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，根據(jù)SAR/ISAR成像原理提高順軌方向的空間分辨率和對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的探測(cè)定位精度。

本文稀疏陣選為主動(dòng)冗余線列陣，采用模擬退火算法得到的稀疏線陣布陣方式[5,9]為：[1 2 4 5 6 9 15 21 27 33 36 42 48 54 60 63 64 65 67 68]，圖1為其孔徑綜合的結(jié)果。

陣列可獲得的等效相位中心信號(hào)數(shù)量為400，第1次換為滿陣的孔徑綜合使用的相位中心信號(hào)數(shù)量為135，第2次近似換為滿陣的孔徑綜合使用的相位中心信號(hào)數(shù)量為127，可以近似得到兩次滿陣孔徑綜合的結(jié)果[5]。圖1橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)表示陣列位置，圖中第2條橫虛線表示第1次孔徑綜合處理結(jié)果，第1條橫虛線表示第2次孔徑綜合處理結(jié)果。稀疏陣列天線的參數(shù)如表1所示。

圖1 稀疏線陣孔徑綜合結(jié)果

表1 稀疏陣列天線的參數(shù)

子陣參數(shù)數(shù)值全陣參數(shù)數(shù)值 信號(hào)波長(zhǎng)(m)0.03波束展寬因子1.2~1.4 子陣尺寸(m2)3.5×3.5全陣尺寸(m2)238×3.50 子陣波束寬度(°)0.6×0.6全陣波束寬度(°)0.01×0.60 波束2維掃描范圍(°)±25全陣面積(m2)245 子陣發(fā)射平均功率(kW)1全陣發(fā)射平均功率(kW)20 子陣數(shù)量(個(gè))20功率孔徑積(dBWm2)66.9

對(duì)本文子陣T/R規(guī)模和功率分析如下：

4.3 信號(hào)波形

為實(shí)現(xiàn)多發(fā)多收，本文天基雷達(dá)需采用正交信號(hào)波形，擬使用頻分正交信號(hào)和碼分正交信號(hào)，當(dāng)距離分辨率為1 m時(shí)，其總的信號(hào)帶寬應(yīng)優(yōu)于200 MHz。

在對(duì)地SAR成像模式時(shí)，需對(duì)稀疏陣做孔徑綜合，使綜合后的相位中心數(shù)量和滿陣天線相同，主要使用頻分正交信號(hào)。

在運(yùn)動(dòng)目標(biāo)探測(cè)模式時(shí)，使用碼分正交信號(hào)時(shí)，通過瞬時(shí)孔徑綜合將稀疏陣換成滿陣?yán)肧TAP實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)探測(cè)；使用頻分正交信號(hào)時(shí)，由于運(yùn)動(dòng)目標(biāo)信號(hào)具有稀疏特性，可將壓縮感知(CS)理論引入稀疏陣列信號(hào)處理過程，實(shí)施運(yùn)動(dòng)目標(biāo)探測(cè)和圖像重構(gòu)[17]，因此頻分正交信號(hào)將是本文天基雷達(dá)的首選信號(hào)。

圖2為碼分信號(hào)和頻分信號(hào)與子陣的收發(fā)關(guān)系示意圖。

圖2 正交信號(hào)和子陣的收發(fā)關(guān)系示意圖

5 系統(tǒng)性能分析

5.1 信噪比和作用距離

本文信噪比分析引入孔徑綜合處理，主要比對(duì)了密集陣窄發(fā)窄收、密集陣寬發(fā)窄收和稀疏陣寬發(fā)窄收3種情況。由于運(yùn)動(dòng)目標(biāo)探測(cè)模式所需的功率孔徑積遠(yuǎn)高于對(duì)地SAR成像模式，本文的信噪比分析主要針對(duì)多目標(biāo)搜索模式進(jìn)行。雷達(dá)系統(tǒng)參數(shù)如表2所示。

表2 雷達(dá)系統(tǒng)參數(shù)

參數(shù)數(shù)值參數(shù)數(shù)值 噪聲系數(shù)Fn(dB)3軌道高度(km)10000 噪聲溫度(K)290目標(biāo)RCS3 波駐時(shí)間tot(s)5地物散射系數(shù)-15 系統(tǒng)損耗L(dB)7子陣面積A(m2)3.5×3.5 最大作用距離R(km)12000天線效率50 SAR斜距分辨率1衛(wèi)星速度(km/s)5

用單脈沖信噪比表示的雷達(dá)方程如式(1)：

(1)

其中，為子陣平均發(fā)射功率，為波爾茲曼常數(shù)。

(1) 密集布陣：

參考條件1：1個(gè)子陣自發(fā)自收，工作在寬發(fā)寬收狀態(tài)下，信噪比為：。

參考條件2(A1)：1個(gè)子陣發(fā)射，20個(gè)子陣密集排布，接收做DBF處理，實(shí)現(xiàn)寬發(fā)窄收，相對(duì)于參考條件1，接收增益提高了20倍，信噪比為：。

參考條件3：20個(gè)子陣密集排布，發(fā)射碼分正交信號(hào)，接收做DBF處理，實(shí)現(xiàn)寬發(fā)窄收，相對(duì)于參考條件2，發(fā)射功率提高了20倍，對(duì)20組碼的信號(hào)做相參積累，信噪比可提高20倍，為：。

參考條件4：20個(gè)子陣密集排布，實(shí)現(xiàn)窄發(fā)窄收，適用于單目標(biāo)跟蹤模式，相對(duì)于參考條件1，收/發(fā)天線增益和發(fā)射功率均增加了20倍，信噪比可提高(功率)×20(發(fā)射面積)×20(接收面積)=26.8 dB。

(2)稀疏布陣： 20個(gè)子陣稀疏排布，陣列布局如圖1所示，實(shí)現(xiàn)多子陣寬發(fā)，接收DBF窄收，信噪比推導(dǎo)過程如下：

對(duì)于稀疏陣，由于可以得到兩次近似滿陣孔徑綜合的結(jié)果，可獲得增益3 dB，則稀疏陣做兩次孔徑綜合的信噪比為：。

總結(jié)上述分析結(jié)果，當(dāng)采用碼分信號(hào)時(shí)，密集陣的信噪比僅比稀疏陣的信噪比高1.61 dB。在上述參數(shù)下，各種收發(fā)方式的信噪比分析結(jié)果如表3所示。

5.2 功率孔徑積

在功率孔徑積分析時(shí)考慮的兩種雷達(dá)工作模式[18]如下：

(1)多目標(biāo)搜索模式下，

(3)

當(dāng)檢測(cè)信噪比SNR為13 dB時(shí)，由系統(tǒng)參數(shù)可知多目標(biāo)搜索模式下的功率口徑積需PA=63.1 dB W·m2。

(2)SAR成像模式下，

當(dāng)成像信噪比SNR為15 dB時(shí)，由系統(tǒng)參數(shù)可知SAR成像模式下功率口徑積需PA2=84.2 dB W·m4。

本文設(shè)計(jì)的天基雷達(dá)的功率孔徑積基本符合MEO軌道使用要求。

5.3 波束覆蓋范圍和空間分辨率

天基雷達(dá)主要用于運(yùn)動(dòng)目標(biāo)探測(cè)，當(dāng)軌道高度為10000 km，衛(wèi)星地速約為5 km/s。當(dāng)波束擦地角為45°時(shí)，在最大作用距離12000 km處，由子陣波束寬度決定的瞬時(shí)覆蓋面積約22500 km2(180 km×125 km)。

為減少波駐時(shí)間，可考慮利用稀疏陣列中的密集相鄰子陣做發(fā)射DBF，減少瞬時(shí)波束覆蓋范圍。若要進(jìn)一步提高作用距離，需考慮再增加波駐時(shí)間。通過有源相控子陣波束的2維電掃可擴(kuò)大探測(cè)范圍。

當(dāng)本文大型稀疏線陣天線在交軌方向展開，雷達(dá)工作在MEO軌道10000 km高度時(shí)，全陣波束寬度0.01°×0.60°形成星下點(diǎn)空間分辨率為1.75 km(交軌向)×104.70 km(順軌向)。對(duì)地面和空中運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，利用SAR/ISAR成像處理方法進(jìn)一步提高順軌方向的空間分辨率到1 km量級(jí)是可能的。

6 結(jié)束語

研究大功率孔徑積的天基雷達(dá)系統(tǒng)具有重要意義，目前中高軌天基雷達(dá)[19]已成為新的研究熱點(diǎn)?；诖笮拖∈桕嚵刑炀€，本文論述了天基雷達(dá)的技術(shù)體制和關(guān)鍵技術(shù)，設(shè)計(jì)了基于MEO軌道X波段稀疏陣列天基雷達(dá)的系統(tǒng)參數(shù)并分析了其系統(tǒng)性能。

采用稀疏陣列天線，在同樣發(fā)射功率孔徑積情況下，可將有源陣天線的空間分辨率提高3倍，對(duì)提高運(yùn)動(dòng)目標(biāo)遠(yuǎn)距離探測(cè)定位精度具有重要意義。本文論述的大型稀疏陣列天線為中高軌天基雷達(dá)的技術(shù)實(shí)現(xiàn)提供了一種新的途徑。

表3 各種收發(fā)方式的信噪比分析結(jié)果

項(xiàng)目密集陣窄發(fā)窄收密集陣寬發(fā)窄收稀疏陣寬發(fā)窄收 信噪比(dB)26.813.812.2 接收分辨率(°)0.036×0.60.036×0.60.01×0.6 技術(shù)特點(diǎn)適用于單目標(biāo)跟蹤模式，密集大陣工程實(shí)現(xiàn)困難適用于多目標(biāo)搜索模式空間分辨率提高3倍，目標(biāo)探測(cè)定位精度高，陣列稀疏布局容易工程實(shí)施，信噪比略下降1.6 dB，適用于多目標(biāo)搜索模式

[1] 賁德, 林幼權(quán). 天基監(jiān)視雷達(dá)[J]. 現(xiàn)代雷達(dá), 2005, 27(4): 1-4. doi: 10.3969/j.issn.1004-7859.2005.04.001.

BEN De and LIN Youquan. Space-based surveillance radar[J]., 2005, 27(4): 1-4. doi: 10.3969/j.issn.1004- 7859.2005.04.001.

[2] 陳升友. 天基雷達(dá)大型可展開相控陣天線及其關(guān)鍵技術(shù)[J]. 現(xiàn)代雷達(dá), 2008, 30(1): 5-8. doi: 10.3969/j.issn.1004-7859. 2008.01.002.

CHEN Shengyou. Large deployable phased array antenna for space-based radar and its key techniques[J]., 2008, 30(1): 5-8. doi: 10.3969/j.issn.1004-7859.2008.01.002.

[3] GUERCI J and JASKA E. ISAT-Innovative space-based- radar antenna technology[C]. 2003 IEEE International Symposium on Phased Array Systems and Technology, Boston, Massachusetts, USA, 2003: 45-51.

[4] 羅倩, 閆鴻慧. 天基雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)相關(guān)問題分析[J]. 艦船電子工程, 2008, 28(5): 118-121. doi: 10.3969/j.issn.1627-9730. 2008.05.033.

LUO Qian and YAN Honghui. Analysis for space-based radar system design issues[J]., 2008, 28(5): 118-121. doi: 10.3969/j.issn.1627-9730.2008.05.033.

[5] MARKUS P, HELMUT S, STEPHAN D,. Imaging technologies and applications of microwave radiometry[C]. European Radar Conference 2004, Amsterdam, The Netherlands 2004: 356-359.

[6] CHEN D F, CHEN B X, and ZHANG S H. Muti-input muti-output radar and sparse array synthetic impulse and aperture radar[C]. International Conference on Radar, Shanghai, China, 2006: 28-31.

[7] MA C, YEO T S, TAN H S,Three-dimensional ISAR imaging using a two-dimensional sparse antenna array[J]., 2008, 5(3): 378-382. doi: 10.1109/LGRS.2008.916071.

[8] 吳一戎, 洪文, 張冰塵, 等. 稀疏微波成像研究進(jìn)展[J]. 雷達(dá)學(xué)報(bào), 2014, 3(4): 383-395. doi: 10.3724/SP.J.1300.2014. 14105.

WU Yirong, HONG Wen, ZHANG Bingchen,Current developments of sparse microwave imaging[J]., 2014, 3(4): 383-395. doi: 10.3724/SP.J.1300.2014. 14105.

[9] 李道京, 侯穎妮, 滕秀敏, 等. 稀疏陣列天線雷達(dá)技術(shù)及其應(yīng)用[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2014: 152-169.

LI Daojing, HOU Yingni, TENG Xiumin,Radar Technology and Its Application in Sparse Array Antenna[M]. Beijing: Science Press, 2014: 152-169.

[10] 侯穎妮, 李道京, 洪文. 基于稀疏陣列和碼分信號(hào)的機(jī)載預(yù)警雷達(dá)STAP研究[J]. 航空學(xué)報(bào), 2009, 30(4): 732-737. doi: 10.3321/j.issn:1000-6893.2009.04.025.

HOU Yingni, LI Daojing, and HONG Wen. Airborn early warning radar STAP based on thinned array and code division signal[J]., 2009, 30(4): 732-737. doi: 10.3321/j.issn:1000-6893.2009.04. 025.

[11] 滕秀敏, 李道京. 艇載共形稀疏陣列天線雷達(dá)成像研究[J]. 電波科學(xué)學(xué)報(bào), 2012, 27(4): 644-649. doi: 10.13443/j.cjors.2012. 04.015.

TENG Xiumin and LI Daojing. Airship conformal sparse array radar imaging[J]., 2012, 27(4): 644-649. doi: 10.13443/j.cjors.2012.04.015.

[12] 李烈辰. 變換域稀疏壓縮感知雷達(dá)成像技術(shù)研究[D]. [博士論文], 中國(guó)科學(xué)院電子學(xué)研究所, 2015.

LI Liechen. Study on the technique of sparse compressed sensing radar imaging in transform domain[D]. [Ph.D. dissertation], Institute of Electrics, Chinese Academy of Sciences, 2015.

[13] CLARK T and JASKA E. Million element ISIS array[C]. 2010 IEEE International Symposium on Phased Array Systems and Technology (ARRAY), Boston, Massachusetts, USA, 2010: 29-36.

[14] VAN BEZOUWEN H, FELDLE H, and HOLPP W. Status and trends in AESA-based radar[C]. 2010 IEEE MTT-S International on Microwave Symposium Digest (MTT), California, USA, 2010: 526-529.

[15] 李道京, 滕秀敏, 潘舟浩. 分布式位置和姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)的概念與應(yīng)用方向[J]. 雷達(dá)學(xué)報(bào), 2013, 2(4): 400-405. doi: 10.3724/ SP.J.1300.2013.13086.

LI Daojing, TENG Xiumin, and PAN Zhouhao. The concept and application of distributed POS[J]., 2013, 2(4): 400-405. doi: 10.3724/SP.J.1300.2013.13086.

[16] 李道京, 等. 高分辨率雷達(dá)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)成像探測(cè)技術(shù)[M]. 北京: 國(guó)防工業(yè)出版社, 2014: 89-101.

LI Daojing,. High Resolution Radar Moving Target Imaging Detection Technology[M]. Beijing: National Defence Industry Press, 2014: 89-101.

[17] CETIN M, STOJANOVIC I, ONHON N,. Sparsity- Driven synthetic aperture radar imaging: reconstruction, autofocusing, moving targets, and compressed sensing[J].,2014, 31(4): 27-40. doi: 10.1109/MSP.2014.2312834.

[18] 王文生, 王小謨. 天基雷達(dá)的幾個(gè)基本問題[J]. 現(xiàn)代雷達(dá), 2007, 29(4): 1-4. doi: 10.3969/j.issn.1004-7859.2007.04.001.

WANG Wensheng and WANG Xiaomo. Several basic questions for Space-based radar[J]., 2007, 29(4): 1-4. doi: 10.3969/j.issn.1004-7859.2007.04.001.

[19] MATAR J, LOPEZ-DEKKER P, and KRIEGER G. Potential and limitations of MEO SAR[C]. EUSAR 2016, Hamburg, Germany, 2016: 1035-1039.

潘 潔： 女，1977年生，高級(jí)工程師，博士生，研究方向?yàn)橄∈桕嚵欣走_(dá)系統(tǒng).

李道京： 男，1964年生，研究員，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)槔走_(dá)系統(tǒng)和雷達(dá)信號(hào)處理.

周建衛(wèi)： 男，1989年生，碩士，研究方向?yàn)橥廨椛湓蠢走_(dá)系統(tǒng).

盧曉春： 女，1970年生，研究員，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)榫軙r(shí)間信息傳輸與信息處理.

Space-based Radar System Analysis Based on Large Scale Sparse Array

PAN Jie①②LI Daojing①ZHOU Jianwei①②LU Xiaochun③

①(,,100190,)②(,100049,)③(,,,710600,)

Space-Based Radar (SBR) can realize moving target detection and the high resolution imaging on a global scale. Based on large scale sparse array antenna, this paper discusses the space-based radar technology system and key technology. The system parameters are designed and its performance is analyzed for an X band MEO space-based radar. The large scale sparse array antenna provides a new selection for space-based radar.

Space-Based Radar(SBR); Sparse array; Target detection; SAR imaging; Radar system

TN957

A

1009-5896(2016)12-3269-06

10.11999/JEIT160672

2016-06-27；改回日期：2016-11-09；

2016-12-02

潘潔 panj@mail.ie.ac.cn