(中國電子科技集團公司第三十八研究所,安徽合肥230088)

機載UWB數(shù)字陣列SAR系統(tǒng)技術(shù)研究

孫 龍,鄔伯才,沈明星,江 凱,魯加國

(中國電子科技集團公司第三十八研究所,安徽合肥230088)

合成孔徑雷達作為一種無線電裝備,也必然遵循從模擬到數(shù)字再到軟件化的發(fā)展道路。數(shù)字陣列SAR/MTI雷達可以克服常規(guī)SAR/MTI雷達的瓶頸問題,具有許多常規(guī)SAR/MTI系統(tǒng)所不具備的優(yōu)勢。首先介紹了常規(guī)數(shù)字陣列雷達的優(yōu)勢;然后從工作體制的選擇、系統(tǒng)的組成和關(guān)鍵技術(shù)等方面對機載UWB數(shù)字陣列的系統(tǒng)設計進行了詳細的闡述;最后給出了飛行試驗和地面試驗驗證的結(jié)果。

數(shù)字陣列雷達;多輸入多輸出(MIMO);合成孔徑雷達;數(shù)字波束形成

0 引 言

數(shù)字陣列雷達是一種收、發(fā)均采用數(shù)字波束形成技術(shù)的全數(shù)字化相控陣雷達,它在數(shù)字域?qū)崿F(xiàn)幅相加權(quán),即數(shù)字波束形成(DBF)。數(shù)字陣列雷達將接收機前移,上行通過數(shù)字頻率直接合成器(DDS)移相產(chǎn)生不同相移的信號,上變頻到射頻天線單元從而進行波束合成;下行靠接收機將信號放大濾波,A/D采樣后,在數(shù)字域形成所需接收波束。數(shù)字陣列雷達每個通道發(fā)射及接收波形所需要的幅相數(shù)據(jù)等參數(shù)均單獨可控,因而波束形成靈活、準確。數(shù)字陣列雷達是相控陣雷達發(fā)展到數(shù)字化階段的必然產(chǎn)物,是數(shù)字技術(shù)和陣列天線技術(shù)的完美結(jié)合[1-6]。國際著名雷達專家Eli Brookner曾指出:“摩爾定律的進步使得數(shù)字波束形成(DBF)及其眾多的先進能力變得切實可行?，F(xiàn)在可以在2 500個單元陣列上實現(xiàn)單元級的DBF,這是一項重大突破!”

相對于DBF技術(shù)在地基和空基目標探測雷達系統(tǒng)中的應用,DBF技術(shù)運用于SAR系統(tǒng)研究稍晚一些。1989年,日本三菱電氣公司的Takahiko Fujisaka等就提出了將DBF天線用于側(cè)視SAR的設想;1999年,德國卡爾斯魯厄大學的M.Younis和W.Wiesbeck提出了機載接收DBF SAR概念;2000年,他們又提出將接收DBF技術(shù)用于前視SAR;2001年,W.Wiesbeck提出了軟件化雷達傳感器(SDRS)的概念;2003年,德國DLR的G.Krieger等探討了DBF技術(shù)在雙/多基地SAR方面的應用潛力;2006年,G.Krieger等結(jié)合現(xiàn)有的T/R組件技術(shù),將多維波形編碼技術(shù)和DBF技術(shù)相結(jié)合,提出了收發(fā)DBF SAR概念;2007年,M.Younis等提出了DBF MIMO SAR的概念;2008年,德國FGAN-FHR的J.Klare將DBF MIMO SAR技術(shù)應用于UAV ARTINO進行真三維下視成像;2012年,G.Krieger對DBF MIMO SAR技術(shù)的新概念進行了探討,給出了DBF MIMO SAR實現(xiàn)寬觀測帶成像的工作原理。

DBF SAR/MTI雷達系統(tǒng)作為一種新型的多功能雷達系統(tǒng),主要面向戰(zhàn)場偵察需求,力求快速、高效完成廣域監(jiān)視、熱點高精度偵察、動目標指示等任務,采用DBF技術(shù)后,雷達系統(tǒng)工作能力將顯著提升,除了提升傳統(tǒng)的SAR/MTI工作模式的性能之外,還可實現(xiàn)同時多模式、同時多任務[3-6]。本文首先介紹了常規(guī)數(shù)字陣列雷達的優(yōu)勢,然后重點闡述了UWB數(shù)字陣列SAR雷達的設計要素,最后給出試驗驗證的結(jié)果。

1 數(shù)字陣列SAR的優(yōu)勢

合成孔徑雷達的發(fā)展主要經(jīng)歷了無源陣列、有源相控陣以至數(shù)字相控陣,圖1給出了雷達體制發(fā)展的趨勢。無源陣列雷達需借助于機械方式進行波束指向控制,不僅掃描精度低,波束指向不靈活,而且需伺服機構(gòu)進行驅(qū)動。有源相控陣雷達發(fā)射波形由模擬波束形成網(wǎng)絡和T/R組件進行收發(fā),極大地提高了波束掃描捷變能力,但由于存在工作模式單一,高分辨率與寬觀測帶之間矛盾突出。數(shù)字陣列SAR是一種依靠數(shù)字方式實現(xiàn)波束形成的技術(shù),利用數(shù)字加權(quán)取代射頻衰減器,利用數(shù)字移相取代移相器,分別將數(shù)字的幅度權(quán)值、相位權(quán)值加載至每一路輸入/輸出信號中。它保留了天線陣列單元信號的全部信息,并可以構(gòu)成空間受控的一個或多個定向波束,從而獲得優(yōu)良的波束性能。

圖1 雷達體制發(fā)展趨勢

與傳統(tǒng)的雷達相比,數(shù)字陣列雷達性能上具有如下優(yōu)點:1)大的動態(tài)范圍;2)容易實現(xiàn)多波束;3)寬帶寬角掃描情況下,容易解決孔徑渡越問題;4)低損耗、低副瓣;5)低角測高精度高;6)系統(tǒng)任務可靠性高;7)擴展性好;8)具備自適應抗干擾能力。由于具有無可比擬的優(yōu)勢,DBF技術(shù)在目標探測雷達中已獲得廣泛應用。接下來,重點分析給出數(shù)字陣列SAR較之模擬相控陣SAR的性能對比,詳細的性能對比如表1所示。

表1 兩種體制SAR性能比較

2 系統(tǒng)設計

接下來從工作體制選擇、系統(tǒng)組成及關(guān)鍵技術(shù)等方面闡述機載UWB數(shù)字陣列SAR系統(tǒng)的設計要素。

2.1 工作體制選擇

系統(tǒng)技術(shù)體制選擇主要包括距離向一維DBF技術(shù)體制、方位向一維DBF技術(shù)體制、距離向DBF和方位向MIMO相結(jié)合技術(shù)體制,以及二維DBF體制等,主要性能優(yōu)缺點對比如表2所示。

本系統(tǒng)采用低頻段UWB雷達系統(tǒng),由于雷達波長長,考慮到雷達同時多模式、同時多功能的需求,以及裝機的可行性,采用方位向一維DBF體制。

表2 不同體制數(shù)字陣列SAR性能對比

2.2 系統(tǒng)組成

雷達系統(tǒng)主要由兩個互聯(lián)的子系統(tǒng)構(gòu)成,即數(shù)據(jù)獲取子系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)。其中,數(shù)據(jù)獲取子系統(tǒng)即數(shù)字陣列天線。數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)實質(zhì)上是把傳統(tǒng)的有源相控陣天線陣面與中央電子設備進行了單元級或子陣級的集成,完成波形產(chǎn)生與激勵發(fā)射、射頻接收、數(shù)據(jù)采集與數(shù)字波束形成。在“機電熱一體化”的創(chuàng)新系統(tǒng)集成技術(shù)支撐下,每個數(shù)字陣列單元或數(shù)字子陣都是完整的小型化寬帶發(fā)射和接收雷達系統(tǒng),即微機電系統(tǒng)。數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)包括實時信號處理單元、任務管理單元和數(shù)據(jù)記錄單元三大部分,其他的試驗系統(tǒng)還包括環(huán)控設備、電源單元、慣導系統(tǒng)等。圖2給出了機載UWB數(shù)字陣列SAR系統(tǒng)組成框圖。

2.3 關(guān)鍵技術(shù)

圖2 機載UWB數(shù)字陣列SAR系統(tǒng)組成框圖

從本文前面的分析可以看出,數(shù)字陣列SAR系統(tǒng)性能優(yōu)勢明顯,但受寬帶數(shù)字陣列天線工程設計、寬帶數(shù)據(jù)傳輸與處理能力、多維波形編碼技術(shù)等因素限制,工程實現(xiàn)上具有較大的技術(shù)難度,主要在于:1)工程上研制出天線輻射線陣級或單元級大小的寬帶數(shù)字陣列天線模塊的技術(shù)難度客觀存在,主要是寬帶微小型化發(fā)射脈沖激勵信號產(chǎn)生與接收前端電路模塊的設計,另外天線陣面微波電路、中頻模擬電路、數(shù)字電路的機電熱一體化設計實現(xiàn)具有一定的難度;2)隨著SAR雷達分辨率要求的提升,雷達瞬時信號帶寬達到1 GHz以上,若采用單元級DBF體制,通道數(shù)目高達數(shù)百個的DBF SAR系統(tǒng)的數(shù)據(jù)量高達數(shù)百GB/s量級,必須研究海量DBF數(shù)據(jù)的機上處理和存儲技術(shù);3)實現(xiàn)高分辨率寬觀測帶SAR成像、快速廣域GMTI掃描、多目標跟蹤和同時掃描/跟蹤、同時多模式、同時多任務等功能,需要在滿足靈活捷變和自適應能力的條件下,設計出適合多維空時耦合波形編碼的信號形式和多維空時編碼的實現(xiàn)方法。

針對上述技術(shù)難點,主要開展了以下關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)。

2.3.1 寬帶數(shù)字陣列模塊(DAM)設計技術(shù)

數(shù)字陣列模塊(DAM)是數(shù)字陣列體制雷達的基本單元,是一種全新的微波、模擬與數(shù)字電路高度集成的多通道數(shù)字化收發(fā)模塊。單個DAM既有高功率部分又有低功率部分,既有模擬部分又有數(shù)字部分。寬帶DAM的關(guān)鍵技術(shù)有高密度系統(tǒng)集成技術(shù)、電路結(jié)構(gòu)三維立體化安裝、有源變頻技術(shù)、一體化數(shù)字收發(fā)技術(shù)、電磁兼容技術(shù)、自動測試技術(shù)、結(jié)構(gòu)及熱設計技術(shù)等。

另外,應用于成像雷達的DAM模塊,需要具備瞬時大帶寬的收發(fā);另外要求具有雷達和通信等多種功能,且需實現(xiàn)同時多模式和同時多任務,這要求DAM模塊支持任意波形編碼能力,能夠產(chǎn)生較復雜的通信調(diào)制波形,除了常規(guī)的線性調(diào)頻、非線性調(diào)頻等信號之外,還需產(chǎn)生支撐通信功能的BPSK,QPSK,MSK,GMSK等調(diào)制信號,系統(tǒng)采用“FPGA+DAC”的方案實現(xiàn)靈活的波形產(chǎn)生。圖3為寬帶數(shù)字陣列模塊的原理框圖和實物圖,工作于P波段,最大瞬時工作帶寬為200 MHz,通道數(shù)為8個。

2.3.2 寬帶數(shù)字陣列SAR波束形成技術(shù)

寬帶數(shù)字陣列SAR系統(tǒng)采用數(shù)字波束形成方式實現(xiàn)收發(fā)波束形成,即通過控制每個輻射單元DDS產(chǎn)生的波形初相來實現(xiàn)發(fā)射波束空間合成,通過對每個陣元接收到的信號進行加權(quán)實現(xiàn)期望的接收波束。收發(fā)波束形成的波束控制均由通用模塊化的波束形成器插件來完成。

圖3 寬帶數(shù)字陣列模塊

寬帶數(shù)字陣列SAR波束形成技術(shù)主要涵蓋兩個方面,多通道幅相校正技術(shù)和多波束形成技術(shù)。數(shù)字陣列的多通道特點必須進行通道幅相誤差補償,以確保通道間的幅相一致性,否則將嚴重影響天線方向圖特性等,主要表現(xiàn)在:①距離向壓縮特性不一致,包括距離主瓣對齊誤差、主副瓣幅度誤差;②方位多普勒域頻譜幅度不一致、頻譜相對畸變、通道間相對相位誤差,以及相位差沿距離向的空變性;③通道間相位中心間距的偏差。數(shù)字陣列SAR在數(shù)字域進行通道幅相誤差補償,相比于模擬相控陣SAR,不僅可以校正由天線方向圖不一致、通道接收器件特性不一致等導致的通道間距離、方位出現(xiàn)幅相誤差,而且可以在數(shù)字域?qū)崿F(xiàn)對平臺速度不穩(wěn)定、實時天線姿態(tài)變換引起的幅相誤差進行高精度校正。圖4給出了數(shù)字陣列雷達校正試驗中的多通道幅相校正結(jié)果,其中相位誤差精度可達5°,幅度誤差精度可達0.5 dB。

圖4 多通道幅相校正

系統(tǒng)采用一維均勻線陣,假定陣元數(shù)為N,陣元間距為d,波長為λ,波束指向為θ,錐化系數(shù)為w,x為陣元坐標,y為合成結(jié)果,在均勻加窗的情況下接收和發(fā)射波束形成運算為

發(fā)射波束形成常用相位加窗的方法展寬發(fā)射波束,接收波束形成常用幅度窗增加波束的主副比。加窗波束形成為

2.3.3 多維波形編碼技術(shù)

寬帶數(shù)字陣列SAR/MTI系統(tǒng)總體設計最核心的內(nèi)容是如何充分優(yōu)化雷達波束、波形等空時參數(shù),發(fā)掘雷達體制優(yōu)勢,最大程度發(fā)揮寬帶數(shù)字陣列SAR/MTI系統(tǒng)的潛力,以達到性能的最優(yōu)化。如何在寬帶數(shù)字陣列SAR/MTI系統(tǒng)設計上充分發(fā)揮數(shù)字陣列體制優(yōu)勢是總體設計研究的重要內(nèi)容之一。

本項關(guān)鍵技術(shù)將主要研究同時發(fā)射與分時發(fā)射、頻分正交與碼分正交、相位編碼與頻率編碼等不同設計策略,提出適合不同功能以及同時多功能所需求的波形編碼。多維波形編碼技術(shù)的主要難點是適合不同工作模式的波形選擇和設計,不僅需要考慮發(fā)射波形的工程可實現(xiàn)性,而且需要考慮接收解模糊解耦合處理,以完成接收端混疊信號的分離。表3列出了不同維度波形編碼的對比,在多維波形編碼的“空-時-頻-碼”四個維度上,相比較而言,“碼分”具有占用資源少、易實現(xiàn)同時多模式等諸多優(yōu)勢,是緩解資源占用和應用需求之間矛盾的有效手段之一?！按a分”是經(jīng)過特殊編碼設計的一組信號波形,具有較好的正交特性,同時便于產(chǎn)生發(fā)射和接收分離,多通道回波合成后具有以下特性:①良好的模糊函數(shù)特性;②較強的鄰帶信號干擾抑制性能;③較低的匹配濾波旁瓣;④一定的多普勒非敏感性,能夠滿足不同功能或同時多功能應用需求。

表3 不同維度波形編碼

圖5給出了DBF SAR同時多模式多任務示意圖,圖6給出了用于雷達通信一體化的“空-時-頻”多維波形編碼。

圖5 DBF SAR同時多模式多任務示意圖

圖6 雷達通信一體化波形(“空-時-頻”多維波形編碼)

2.3.4 雷達通信一體化技術(shù)

雷達系統(tǒng)和通信系統(tǒng)的工作原理都是電磁波的發(fā)射和接收過程,在系統(tǒng)架構(gòu)的組成上表現(xiàn)為兩者子系統(tǒng)有相當大的重疊,例如天線、發(fā)射機、接收機、信號處理器等。所不同的只是在信號的頻帶和信號波形的形式上,只要增加某些頻率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)和信號變換電路等就可使雷達資源為通信所共用,使雷達和通信實現(xiàn)一體化。雷達與通信一體化系統(tǒng)集多種功能于一體,在體積、重量、電磁信號特征等方面比獨立的雷達和通信系統(tǒng)更具優(yōu)勢,因此雷達與通信一體化裝備的平臺適應性也比較強,適合于各類飛機、飛艇以及艦艇等平臺。

雷達通信一體化設計需要解決天線孔徑、DAM模塊等硬件資源共用問題,根據(jù)所需實現(xiàn)的功能,通過頻譜、時間和空間資源的合理調(diào)度,實現(xiàn)硬件資源的共用。為實現(xiàn)大容量信息數(shù)據(jù)傳輸,通信系統(tǒng)必須以相應的模式工作。機載通信一體化系統(tǒng)主要由陣列天線、DAM模塊及任務管理分系統(tǒng)等分系統(tǒng)組成。其中,雷達的天線陣列、DAM模塊與通信共用,通信基帶處理與雷達信號處理一體化設計,通信信息接口為通信系統(tǒng)專用。雷達通信一體化系統(tǒng)機載部分原理圖和通信應用示意圖如圖7所示。

圖7 雷達通信一體化系統(tǒng)

3 試驗驗證

中國電科38所研制了機載UWB數(shù)字陣列SAR/GMTI系統(tǒng)原理樣機系統(tǒng),突破了寬帶數(shù)字陣列模塊技術(shù)、寬帶數(shù)字陣列波束形成技術(shù)和數(shù)字陣列系統(tǒng)幅相校正等關(guān)鍵技術(shù),并以運-7為載機平臺開展了若干架次飛行試驗,獲取了大量運動目標檢測數(shù)據(jù),初步驗證了數(shù)字陣列SAR的優(yōu)勢。圖8為運-7試驗平臺照片,圖9為飛行試驗結(jié)果,其中圖9(a)為1.5 m分辨率SAR圖像,圖9(b)為方位向的剖面圖,峰值旁瓣比(PSLR)為-20.17 d B,積分旁瓣比(ISLR)為-14.916 6 d B,分辨率為1.485 m。

利用機載UWB數(shù)字陣列SAR/GMTI系統(tǒng)開展了雷達通信一體化的地面試驗驗證。同時多任務(SAR與通信一體化)主要基于數(shù)字陣列任意波形編碼能力實現(xiàn),基于數(shù)字陣列系統(tǒng)QPSK通信調(diào)制信號輸出,如圖10所示,實現(xiàn)數(shù)據(jù)率10 Mbit/s(SAR雷達工作帶寬為100 MHz,分辨率優(yōu)于1.5 m),G/T值優(yōu)于-22.5 d B/K。

圖8 運-7試驗平臺

圖9 飛行試驗結(jié)果

圖10 QPSK信號實驗室測試圖

4 結(jié)束語

數(shù)字陣列SAR/MTI系統(tǒng)采用數(shù)字化、軟件化處理取代硬件實現(xiàn),具有許多常規(guī)SAR/MTI系統(tǒng)所不具備的優(yōu)勢。但受寬帶數(shù)字陣列天線工程設計、寬帶數(shù)據(jù)傳輸與處理能力、多維波形編碼技術(shù)等因素限制,工程實現(xiàn)上具有較大的技術(shù)難度(特別針對高頻段雷達)。隨著微系統(tǒng)、光電子、計算機、通信技術(shù)的快速發(fā)展,數(shù)字陣列雷達結(jié)構(gòu)將會更加合理,使用成本將更低,從而最終取代模擬相控陣技術(shù)。

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Research on UWB Airborne Digital Array SAR Technology

SUN Long,WU Bocai,SHEN Mingxing,JIANG Kai,LU Jiaguo
(The38th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation,Hefei230088,China)

As a radio equipment,synthetic aperture radar follows the path of development from analog to digital and then to software.Digital array SAR/MTI radar can overcome the bottlenecks in conventional SAR/MTI radar and has many advantages that conventional SAR/MTI system does not have.This paper firstly introduces the advantages of conventional digital array radar,and then describes the design of the airborne UWB digital array radar system,including the structure,the form and the key technologies.Finally,the flight experiment results and the laboratory experiment results are showed.

digital array radar;multiple-input multiple-output(MIMO);synthetic aperture radar(SAR);digital beamforming(DBF)

TN958.92;TN957

A

1672-2337(2017)02-0171-07

10.3969/j.issn.1672-2337.2017.02.011

2016-08-17;

2017-02-08

孫 龍男,1980年12月出生,安徽安慶人,碩士,高級工程師,主要從事SAR/MTI雷達系統(tǒng)技術(shù)、新體制SAR/MTI系統(tǒng)技術(shù)研究。

E-mail:1713260960@qq.com

鄔伯才男,1981年12月出生,湖北孝感人,碩士,高級工程師,主要從事高分辨率SAR系統(tǒng)、數(shù)字陣列SAR/MTI系統(tǒng)技術(shù)研究。

沈明星男,1987年3月出生,安徽池州人,碩士,工程師,主要從事新體制SAR系統(tǒng)技術(shù)研究。

江 凱男,1972年6月出生,安徽安慶人,研究員,主任,主要從事SAR/MTI雷達系統(tǒng)技術(shù)和應用技術(shù)研究。

魯加國男,1964年出生,安徽人,1987年畢業(yè)于西安電子科技大學電磁場和微波技術(shù)專業(yè),現(xiàn)為中國電子科技集團公司第三十八研究所副所長,研究員、博士生導師,中國電子學會高級會員,IEEE高級會員,主要從事雷達系統(tǒng)設計、信號處理技術(shù)研究,獲科技進步獎6項,發(fā)表論文20余篇。