周寶亮 雷子健 周東明 高紅衛(wèi)

(北京無線電測量研究所,北京 100854)

1 引言

分布式孔徑雷達(dá)廣義上指空間分置的多部雷達(dá)在統(tǒng)一的控制和調(diào)度下,實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)的協(xié)同探測。按技術(shù)實(shí)現(xiàn)手段劃分,分布式孔徑雷達(dá)分為“數(shù)據(jù)級”和“信號級”協(xié)同探測兩個方面,“數(shù)據(jù)級”協(xié)同探測是利用各雷達(dá)自身探測能力(探測威力和測量精度等)獲取目標(biāo)的點(diǎn)跡和航跡等信息進(jìn)行融合處理,實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)連續(xù)、穩(wěn)定和精確的探測,傳統(tǒng)的多雷達(dá)組網(wǎng)屬于“數(shù)據(jù)級”協(xié)同探測范疇;“信號級”協(xié)同探測是綜合利用各雷達(dá)能量域(發(fā)射信號和接收信號等)和空域等資源,實(shí)現(xiàn)雷達(dá)系統(tǒng)整體探測性能的提升。按是否相參,“信號級”協(xié)同探測又分為非相參探測[1-3]和相參探測[4-6]兩方面,非相參探測是指各雷達(dá)之間信號不相參。在技術(shù)發(fā)展方面,相參探測技術(shù)大致分為三個階段:一、僅接收相參處理階段,獲得N倍相參合成增益改善(N為雷達(dá)數(shù)目);二、相參MIMO雷達(dá)階段[7-10],獲得N2倍相參合成增益改善;三、分布式孔徑相參雷達(dá)階段[11-18],獲得N3倍相參合成增益改善。三個發(fā)展階段中,分布式孔徑相參技術(shù)獲得的增益改善最大、性能提升最明顯、技術(shù)實(shí)現(xiàn)水平最高,是分布式孔徑雷達(dá)重要的發(fā)展方向。國外方面,以美國林肯實(shí)驗(yàn)室為代表,進(jìn)行了分布式孔徑相參技術(shù)機(jī)理研究,提出了雷達(dá)系統(tǒng)架構(gòu),研究了參數(shù)估計(jì)方法,并進(jìn)行了一系列驗(yàn)證試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果表明控制單元雷達(dá)發(fā)射延時和相位可使發(fā)射信號同時同相到達(dá)目標(biāo),獲得N3倍相參合成增益改善。由于分布式孔徑相參雷達(dá)在機(jī)動性、靈活性和擴(kuò)展性等方面的優(yōu)勢,美國國家科學(xué)院提出GBX雷達(dá)概念,由兩部AN/TPY-2雷達(dá)堆疊,通過相參探測,提升反導(dǎo)識別能力[19]。國內(nèi)研究機(jī)構(gòu)和學(xué)者對分布式孔徑相參技術(shù)也表現(xiàn)出了濃厚的興趣,在分布式雷達(dá)系統(tǒng)總體、波形設(shè)計(jì)、參數(shù)估計(jì)、聯(lián)合孔徑測角、時頻同步、抗干擾[20]和成像等方面開展了卓有成效的研究,對技術(shù)進(jìn)步起到了重要的推動作用,部分研究成果可直接用于雷達(dá)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。

從應(yīng)用領(lǐng)域出發(fā),分布式孔徑雷達(dá)相參探測可應(yīng)用于防空反導(dǎo)、預(yù)警探測、精密跟蹤和空間目標(biāo)監(jiān)視等領(lǐng)域;從適用平臺出發(fā),分布式孔徑雷達(dá)相參探測可適用于陸基、?；?、空基和天基等多種平臺。本文將針對分布式孔徑雷達(dá)相參探測在預(yù)警領(lǐng)域的應(yīng)用開展技術(shù)研究,首先分別給出了一發(fā)多收和多發(fā)多收相參合成預(yù)警探測工作原理;然后從探測威力和檢測性能兩方面對相參合成預(yù)警探測性能進(jìn)行了分析;最后,通過試驗(yàn)驗(yàn)證了相參合成預(yù)警探測的性能優(yōu)勢。

2 相參合成預(yù)警探測工作原理

按照收發(fā)體制劃分,相參合成預(yù)警探測分為一發(fā)多收和多發(fā)多收兩種體制。相比于多發(fā)多收,一發(fā)多收相參合成預(yù)警探測具有雷達(dá)系統(tǒng)簡單、易于實(shí)現(xiàn)和成本低的特點(diǎn),但多發(fā)多收相參合成預(yù)警探測性能改善更為明顯,兩種收發(fā)體制各具特點(diǎn)和優(yōu)勢,本節(jié)將分別介紹其工作原理。

2.1 一發(fā)多收工作原理

一發(fā)多收相參合成預(yù)警探測如圖1所示,系統(tǒng)只存在一部發(fā)射單元雷達(dá),其余單元雷達(dá)只負(fù)責(zé)接收。

設(shè)接收單元雷達(dá)數(shù)目為N,每個接收端都存在一個回波,對所有回波進(jìn)行相參合成處理,相比單元雷達(dá)能夠獲得N倍最大信噪比增益改善,如圖2所示為一發(fā)多收相參合成探測原理示意圖。

圖2 一發(fā)多收原理示意圖(獲得N倍增益)Fig.2 Schematic diagram of Multiple input Single Output (with SNR improved N)

2.2 多發(fā)多收工作原理

多發(fā)多收相參合成預(yù)警探測如圖3所示,系統(tǒng)由多部收發(fā)雷達(dá)組成,按基線間距分為短基線和長基線相參預(yù)警探測兩種情況。

2.2.1 短基線相參預(yù)警探測

短基線相參預(yù)警探測,單元雷達(dá)基線較短,可認(rèn)為單元雷達(dá)之間具有相同的探測視角,基線間距滿足電磁波輻射遠(yuǎn)場條件:

(1)

式中,R為雷達(dá)探測距離,λ為雷達(dá)工作波長。

圖3 多發(fā)多收相參探測示意圖Fig.3 Coherent detection diagram of Multiple Input Multiple Output

短基線相參預(yù)警探測工作流程如圖4所示,主要為相參搜索探測,根據(jù)搜索模式分為大空域搜索和重點(diǎn)區(qū)域小空域搜索。

圖4 相參合成預(yù)警探測工作流程Fig.4 Workflow diagram of early warning coherent synthesis detection

a)大空域搜索

大空域搜索情況下,采用接收相參模式對目標(biāo)進(jìn)行搜索,單元雷達(dá)之間發(fā)射相互正交的波形,發(fā)射波束在空間不發(fā)生干涉作用,聯(lián)合搜索波束寬度與單元雷達(dá)一致,有利于快速實(shí)現(xiàn)對大空域范圍的搜索。

接收相參模式下單元雷達(dá)不僅接收自己發(fā)射的信號也接收其他單元雷達(dá)發(fā)射的信號,中心控制處理系統(tǒng)對接收的所有回波信號進(jìn)行相參合成處理,利用相參合成處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行目標(biāo)檢測。設(shè)單元雷達(dá)數(shù)目為N,通過對所有接收回波信號進(jìn)行匹配濾波處理,獲得N2路回波,根據(jù)每個回波對應(yīng)的相位與延時進(jìn)行接收相參合成,接收信號總功率為N4E,E為一路回波信號功率,噪聲功率為N2σ2,σ2為一路回波噪聲功率,信噪比為SNR=N2E/σ2。相比單元雷達(dá),獲得N2倍最大信噪比增益改善,其原理如圖5所示。

圖5 接收相參原理示意圖(獲得N2倍增益改善)Fig.5 Schematic diagram of receiving coherence (with SNR improved N2)

b)重點(diǎn)區(qū)域小空域搜索

重點(diǎn)區(qū)域小空域搜索情況下,采用收發(fā)相參模式對目標(biāo)進(jìn)行搜索,一般情況下,收發(fā)相參搜索適用于低波段雷達(dá)系統(tǒng)。單元雷達(dá)之間發(fā)射相同波形,通過控制單元雷達(dá)發(fā)射信號的延時和相位,使發(fā)射信號在空間實(shí)現(xiàn)能量合成,同時在接收端進(jìn)行接收相參合成處理,利用收發(fā)全相參合成處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行目標(biāo)檢測。但區(qū)別于收發(fā)相參合成跟蹤,收發(fā)相參合成搜索時,目標(biāo)信息未知,無法通過目標(biāo)信息獲取發(fā)射信號的延時相位值,可采用基于標(biāo)定的參數(shù)估計(jì)方法、基于基線反演的參數(shù)估計(jì)方法等方法,這里不重點(diǎn)描述。

設(shè)單元雷達(dá)數(shù)目為N,發(fā)射相參和接收相參信號總功率為N2·N2E,接收相參噪聲功率為Nσ2,信噪比為SNR=N3E/σ2,相比單元雷達(dá),獲得N3倍最大信噪比增益改善,其原理如圖6所示。

2.2.2 長基線相參預(yù)警探測

長基線相參探測單元雷達(dá)之間具有不同的探測視角,為了實(shí)現(xiàn)相參探測,除單元雷達(dá)之間要保持相參,目標(biāo)回波信號也要保持一定的相參性。為了保證回波信號具有相參性,基線間距需滿足如下關(guān)系[21]:

(2)

式中,L為探測目標(biāo)尺寸。

長基線相參預(yù)警探測采用接收相參模式對目標(biāo)進(jìn)行搜索,原理如圖5所示,獲得N2倍最大信噪比增益改善。

3 相參合成預(yù)警探測性能分析

分布式孔徑雷達(dá)相參合成預(yù)警探測分為一發(fā)多收和多發(fā)多收兩種體制,多發(fā)多收體制下系統(tǒng)又可工作于接收相參和收發(fā)相參兩種模式。其中收發(fā)相參模式工作過程最為復(fù)雜,因此本節(jié)首先針對相參合成預(yù)警探測收發(fā)相參模式下探測性能進(jìn)行理論推導(dǎo)分析,然后開展接收相參模式與一發(fā)多收模式下探測性能理論分析,最后對三種模式下相參合成預(yù)警探測性能進(jìn)行了仿真研究。

3.1 收發(fā)相參模式

分布式孔徑相參雷達(dá)由N部單元雷達(dá)組成,收發(fā)相參模式下,各單元雷達(dá)發(fā)射相參波形,聯(lián)合天線增益[22-23]為:

(3)

式中,P(θ,φ)是在(θ,φ)方向的輻射強(qiáng)度,P(θ,φ)max是天線的最大輻射強(qiáng)度,Gt為單元雷達(dá)天線增益,γ為增益系數(shù),當(dāng)單元雷達(dá)間距等于半波長整數(shù)倍時,γ=1,分布式孔徑相參合成雷達(dá)的單元雷達(dá)間距一般在幾十倍波長以上,在此條件下,γ的取值隨距離變化在1上下振蕩,且隨距離增大逐漸趨近于1。

單元雷達(dá)發(fā)射功率為Pt,由于天線各向同性輻射,分布式孔徑相參合成雷達(dá)總功率為P=NPt。離雷達(dá)半徑為R的球體的表面積為4πR2,則沿波束軸方向功率密度為:

圖6 收發(fā)相參階段原理示意圖(獲得N3倍增益改善)Fig.6 Schematic diagram of transmitting and receiving coherence (with SNR improved N3)

(4)

波束軸上距離為R,雷達(dá)散射截面(RCS)為σ的目標(biāo)攔截部分發(fā)射信號并各向同性輻射,則雷達(dá)處功率密度為:

(5)

若分布式孔徑相參合成雷達(dá)有效接收面積為Ar,則雷達(dá)接收回波功率為:

(6)

由天線理論可知,收發(fā)共置的天線其接收增益等于發(fā)射增益,天線增益和有效面積之間有以下關(guān)系:

(7)

則雷達(dá)接收回波功率可表示為:

(8)

其中

(9)

為單元雷達(dá)單獨(dú)工作時的接收功率,Gr為單元雷達(dá)天線接收增益,同樣由天線理論知,Gr等于Gt。

分布式孔徑相參合成雷達(dá)接收機(jī)輸出噪聲功率表示為:

N0=kTsBn

(10)

式中,k為玻爾茲曼常數(shù),Bn為接收機(jī)帶寬;Ts為系統(tǒng)輸入噪聲溫度。

當(dāng)接收機(jī)實(shí)際輸出信噪比S/N0等于可靠檢測最小輸出信噪比SNRmin,即S/N0=SNRmin時,可得分布式孔徑相參合成雷達(dá)最大作用距離為:

(11)

式中τ=1/Bn為等效脈沖寬度。

考慮實(shí)際傳播路徑與系統(tǒng)損耗影響,分布式孔徑相參合成雷達(dá)最大作用距離表示為:

(12)

式中,Ft為發(fā)射方向圖傳播因子,Fr為反射方向圖傳播因子,CB為帶寬修正因子,L為系統(tǒng)損耗。

分布式孔徑相參合成雷達(dá)基線間距一般在幾十倍波長以上,γ≈1,上式可改寫為:

(13)

即收發(fā)相參模式下,分布式孔徑相參合成雷達(dá)威力等效于一個相同功率孔徑積的大雷達(dá)威力。

3.2 接收相參模式

接收相參模式下,各單元雷達(dá)發(fā)射正交波形,總功率仍為P=NPt。由于波形正交性在空間不進(jìn)行相參合成,沒有發(fā)射增益改善,只有接收增益改善,相當(dāng)于幾個單發(fā)多收系統(tǒng)的結(jié)合,因此接收相參模式下分布式孔徑相參合成雷達(dá)最大作用距離表示為:

(14)

3.3 一發(fā)多收模式

N個孔徑接收回波信號,通過相參合成,相比單元雷達(dá)能夠獲得N倍最大信噪比增益改善,最大作用距離可表示為:

(15)

3.4 性能仿真分析

3.4.1 探測威力性能分析

由上述分析可知,分布式孔徑相參合成雷達(dá)工作于一發(fā)多收模式時,探測威力提高N0.25倍;多發(fā)多收接收相參模式時,探測威力提高N0.5倍;多發(fā)多收收發(fā)相參模式時,探測威力提高N0.75倍,探測威力較單元雷達(dá)改善如圖7所示。

圖7 探測威力性能分析Fig.7 Performance analysis of radar detection power

3.4.2檢測性能分析

在Swerling5型目標(biāo)(恒定RCS),虛警概率為10-6條件下開展分布式孔徑相參合成雷達(dá)檢測性能分析,表1給出了Pfa=10-6時檢測概率與信噪比的關(guān)系,通過表1可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)信噪比為11 dB時,檢測概率僅為44.34%,但當(dāng)信噪比提升3 dB,為14 dB時,檢測概率達(dá)到97.17%,說明信噪比的改善對于檢測性能的提升十分明顯。

表1 Pfa=10-6時檢測概率與信噪比的關(guān)系

分布式孔徑相參合成雷達(dá)工作于一發(fā)多收模式時,其信噪比提高N倍;多發(fā)多收接收相參模式時,其信噪比提高N2倍;多發(fā)多收收發(fā)相參模式時,其信噪比提高N3倍。圖8給出了不同雷達(dá)數(shù)目條件下多發(fā)多收接收相參合成檢測性能仿真結(jié)果。

圖8 多發(fā)多收接收相參合成檢測性能分析Fig.8 Detection performance analysis of Multiple Input Multiple Output receiving coherence

4 相參合成預(yù)警探測試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)系統(tǒng)簡介

為了驗(yàn)證相參合成預(yù)警探測性能,利用兩部低頻段米波相控陣?yán)走_(dá)構(gòu)建了一發(fā)兩收相參合成預(yù)警探測試驗(yàn)系統(tǒng),試驗(yàn)系統(tǒng)由收發(fā)天線站(主站)、僅接收天線站(副站)、電子設(shè)備艙和標(biāo)校車組成,如圖9所示為試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖,電子設(shè)備艙完成相參合成預(yù)警探測信號處理,目標(biāo)檢測和數(shù)據(jù)處理等工作。

圖9 一發(fā)兩收相參合成預(yù)警探測試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖Fig.9 Diagram of early warning coherent synthesis detection of Two Input Single Output test system

4.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

利用試驗(yàn)系統(tǒng),對飛機(jī)目標(biāo)開展了相參合成預(yù)警探測試驗(yàn),通過錄取單元雷達(dá)與相參合成回波數(shù)據(jù),開展相參合成性能與相參探測性能分析。

4.2.1 相參合成性能分析

如圖10所示為相參合成搜索飛機(jī)目標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果,由圖10可以看出,該波位回波存在著3個目標(biāo)。

對于目標(biāo)1,其相參合成結(jié)果如圖11所示,主站信號幅度為338.3,副站信號幅度為859.5,合成后信號幅度為1196,合成效率為99.85%,接近于幅度改善理論值。

圖10 相參合成搜索飛機(jī)目標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果Fig.10 Result of coherent synthesis search test of aircraft

圖11 目標(biāo)1相參合成結(jié)果Fig.11 Coherent synthesis result of target 1

目標(biāo)2和目標(biāo)3相參合成結(jié)果如圖12所示,目標(biāo)2主站信號幅度為296.4,副站信號幅度為176.1,合成后信號幅度為472.1,合成效率達(dá)到99.92%;目標(biāo)3主站信號幅度為127.3,副站信號幅度為85.38,合成后信號幅度為210.7,合成效率達(dá)到99.07%。對于目標(biāo)3,雖然其回波信號幅度較小,但相參合成效果依然接近于理論值,充分驗(yàn)證了相參合成算法在實(shí)際應(yīng)用中的有效性。

圖12 目標(biāo)2與目標(biāo)3相參合成結(jié)果Fig.12 Coherent synthesis results of target 2 and 3

4.2.2 相參探測性能分析

試驗(yàn)過程中分別對主站雷達(dá)搜索的點(diǎn)跡和相參合成搜索的點(diǎn)跡進(jìn)行關(guān)聯(lián)形成航跡,并同時在顯控軟件上進(jìn)行顯示,有利于直觀的比較相參合成搜索性能。

圖13為對飛機(jī)目標(biāo)相參搜索航跡結(jié)果,紫紅色曲線代表單元雷達(dá)形成的航跡,綠色曲線代表相參合成形成的航跡。從圖中可以看出,相參合成預(yù)警探測相比于單元雷達(dá)能夠提前發(fā)現(xiàn)飛向雷達(dá)的目標(biāo),同時對遠(yuǎn)離雷達(dá)的目標(biāo)能夠形成更長距離的航跡,驗(yàn)證了相參合成預(yù)警探測的性能優(yōu)勢。

圖13 第一次飛機(jī)目標(biāo)相參搜索航跡結(jié)果Fig.13 The first time coherent synthesis search tracks of aircraft targets

圖14為另一次對飛機(jī)目標(biāo)相參搜索航跡結(jié)果,從圖中可以看出,相參合成預(yù)警探測能夠?qū)δ繕?biāo)形成穩(wěn)定航跡,并能夠持續(xù)一段時間,而單元雷達(dá)不能穩(wěn)定形成航跡,同時,相對于單元雷達(dá)能夠?qū)δ繕?biāo)形成更長距離的航跡跟蹤。

圖14 第二次飛機(jī)目標(biāo)相參搜索航跡結(jié)果Fig.14 The second time coherent synthesis search tracks of aircraft targets

針對典型場景進(jìn)行相參合成預(yù)警探測性能分析與討論。如圖15所示為相參合成搜索航跡結(jié)果,航跡1目標(biāo)遠(yuǎn)離雷達(dá)飛行,當(dāng)達(dá)到一定飛行距離后,單元雷達(dá)不能穩(wěn)定形成航跡,而相參合成探測依然能夠穩(wěn)定形成航跡,并能夠持續(xù)一段時間。航跡2目標(biāo)只有相參合成探測形成了連續(xù)穩(wěn)定的航跡。

圖15 相參搜索航跡結(jié)果Fig.15 Result of coherent synthesis search tracks

圖16給出了圖15中單元雷達(dá)航跡1以及相參合成探測航跡1的回波幅度值,由圖16可以看出,相參合成探測航跡比單元雷達(dá)航跡要長,對應(yīng)的點(diǎn)跡數(shù)目多,并且相參合成探測航跡回波幅度值較單元雷達(dá)回波幅度值改善明顯,驗(yàn)證了相參合成預(yù)警探測優(yōu)勢。

圖16 單元雷達(dá)航跡與相參聯(lián)合航跡回波幅度對比圖Fig.16 Echo amplitude comparison between unit radar and coherent synthesis radar

5 結(jié)論

本文首先分別給出了一發(fā)多收和多發(fā)多收相參合成預(yù)警探測工作原理;然后分別從探測威力和檢測性能兩方面對相參合成預(yù)警探測性能進(jìn)行了分析;最后,通過試驗(yàn)驗(yàn)證了相參合成預(yù)警探測的性能優(yōu)勢。通過試驗(yàn)得出如下結(jié)論:

(1)飛機(jī)目標(biāo)試驗(yàn)中,多目標(biāo)相參合成效果接近理論值,驗(yàn)證了搜索多運(yùn)動目標(biāo)條件下相參合成性能;(2)飛機(jī)目標(biāo)試驗(yàn)中,相參合成預(yù)警探測性能穩(wěn)定,航跡連續(xù),通過與單元雷達(dá)搜索航跡比較,相參合成預(yù)警探測距離更遠(yuǎn),能夠提早發(fā)現(xiàn)目標(biāo),形成穩(wěn)定航跡,具有明顯的探測優(yōu)勢。