周寶亮，周東明，高紅衛(wèi)，魯耀兵

(北京無線電測量研究所，北京 100854)

0 引言

分布式孔徑相參合成雷達(dá)技術(shù)通過接收相參和發(fā)射相參提升雷達(dá)系統(tǒng)的探測距離和測量精度，該技術(shù)最早由美國林肯實(shí)驗(yàn)室提出，用于實(shí)現(xiàn)雷達(dá)機(jī)動式大威力探測[1-5]。由于分布式孔徑相參合成雷達(dá)技術(shù)具有探測威力大、角分辨率高、擴(kuò)展性好、機(jī)動性好以及工程實(shí)現(xiàn)性好等技術(shù)優(yōu)勢，也引起了國內(nèi)高校和研究機(jī)構(gòu)的關(guān)注[6-14]，其中北京無線電測量研究所是國內(nèi)較早開展該技術(shù)研究的單位，在理論和試驗(yàn)驗(yàn)證等方面取得了重要進(jìn)展[15-20]。

文章首先簡要介紹了分布式孔徑相參合成雷達(dá)的基本原理；然后分別從雷達(dá)個(gè)數(shù)選擇、基線長度選擇和頻段選擇等方面給出了分布式孔徑相參合成雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)需考慮的因素和設(shè)計(jì)準(zhǔn)則；在此基礎(chǔ)上，提出了雷達(dá)系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)并給出了相參合成目標(biāo)探測流程設(shè)計(jì)；最后，利用分布式雷達(dá)原理樣機(jī)和實(shí)裝雷達(dá)對飛機(jī)和衛(wèi)星等目標(biāo)分別開展了相參合成跟蹤試驗(yàn)，通過試驗(yàn)，驗(yàn)證了分布式孔徑相參合成雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可行性與工程可實(shí)現(xiàn)性。

1 分布式孔徑相參合成雷達(dá)基本原理

分布式孔徑相參合成雷達(dá)一般由中心控制處理系統(tǒng)和多部單元雷達(dá)組成，如圖1所示。單元雷達(dá)在中心控制處理系統(tǒng)的統(tǒng)一控制和調(diào)度下實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)的相參探測。

分布式孔徑相參合成雷達(dá)主要有2個(gè)工作階段，接收相參合成階段和收發(fā)相參合成階段。接收相參合成階段，單元雷達(dá)發(fā)射相互正交的波形，單元雷達(dá)不僅接收自已發(fā)射的波形，還接收其他單元雷達(dá)發(fā)射的波形，并對所有接收到的回波信號進(jìn)行相參合成處理，獲得N2倍增益改善(N為單元雷達(dá)個(gè)數(shù))，原理如圖2所示。

當(dāng)接收相參合成階段延時(shí)相位估計(jì)精度滿足要求時(shí)，雷達(dá)系統(tǒng)轉(zhuǎn)到收發(fā)相參合成階段，該階段單元雷達(dá)發(fā)射相同波形，通過控制發(fā)射信號的延時(shí)和相位值，使發(fā)射信號在空間實(shí)現(xiàn)發(fā)射相參合成，同時(shí)在接收端實(shí)現(xiàn)接收相參合成，獲得N3倍增益改善，原理如圖3所示。

2 分布式孔徑相參合成雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 雷達(dá)個(gè)數(shù)選擇

分布式孔徑相參合成雷達(dá)單元雷達(dá)個(gè)數(shù)選擇受如下因素影響：

(1) 探測性能

探測性能決定了雷達(dá)系統(tǒng)的探測距離和測量精度等指標(biāo)，這些指標(biāo)決定了雷達(dá)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和設(shè)備規(guī)模，間接決定了雷達(dá)系統(tǒng)單元雷達(dá)個(gè)數(shù)的選擇。

(2) 裝備使用

從裝備使用角度出發(fā)，要求雷達(dá)裝備操作簡單、使用方便，除此之外，野戰(zhàn)裝備還需要雷達(dá)系統(tǒng)易于運(yùn)輸和快速集成。如果分布式孔徑相參合成雷達(dá)系統(tǒng)單元雷達(dá)個(gè)數(shù)較多，意味著系統(tǒng)設(shè)計(jì)更加復(fù)雜、數(shù)據(jù)交互更加頻繁、站址選擇和布陣優(yōu)化需考慮的因素更多，不利于裝備的便捷使用，因此，在滿足裝備使用的前提下，單元雷達(dá)個(gè)數(shù)應(yīng)盡量少。

(3) 相參合成性能

多個(gè)單元雷達(dá)相參合成等效成一部大雷達(dá)的探測效果，假定等效大雷達(dá)規(guī)模和探測距離一定，單元雷達(dá)接收到回波信號的質(zhì)量(信噪比)與單元雷達(dá)個(gè)數(shù)成反比，即單元雷達(dá)個(gè)數(shù)越多，接收到的回波信噪比越低，相參合成難度越大，對相參合成算法性能的要求就越高。

(4) 系統(tǒng)運(yùn)算能力

系統(tǒng)運(yùn)算能力也決定著單元雷達(dá)個(gè)數(shù)的選擇，單元雷達(dá)個(gè)數(shù)越多，系統(tǒng)需要運(yùn)算的數(shù)據(jù)量就越大。

(5) 資源調(diào)度

資源調(diào)度涉及了單元雷達(dá)之間時(shí)間空間資源分配、波形切換、跟蹤回路閉合、信息交互、數(shù)據(jù)篩選、融合與處理等多方面，是單元雷達(dá)個(gè)數(shù)選擇需要考慮的一個(gè)重要因素，資源調(diào)度的好壞直接決定了整個(gè)雷達(dá)系統(tǒng)探測性能的發(fā)揮。

2.2 基線長度選擇

(1) 回波相關(guān)準(zhǔn)則

分布式孔徑相參合成雷達(dá)是建立在回波相關(guān)的前提下進(jìn)行的，對于回波相關(guān)準(zhǔn)則的分析可以借鑒統(tǒng)計(jì)MIMO空間分集的布站要求[21]：

(1)

(2)

式中：Lt為發(fā)射的基線;Rt為發(fā)射距離;λ為雷達(dá)工作波長;DTt為目標(biāo)發(fā)射向尺寸;Lr為接收的基線;Rr為接收距離;DTr為目標(biāo)接收向尺寸。

那么，回波相關(guān)的布站要求：

(3)

(4)

通過式(12)可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)探測目標(biāo)類型確定，雷達(dá)工作波長確定，探測距離確定，則基線長度便可確定。直觀的解釋就是基線對目標(biāo)波束寬度不可分辨，也可理解為目標(biāo)對基線波束寬度不可分辨，如圖4所示。

(2) 信號相參準(zhǔn)則

根據(jù)天線理論，天線周圍的場區(qū)分為感應(yīng)近場區(qū)、輻射近場區(qū)和輻射遠(yuǎn)場區(qū)3部分，如圖5所示。

其中輻射遠(yuǎn)場區(qū)的邊界條件為

(5)

式中:D為天線的最大尺寸;λ為雷達(dá)工作波長。

信號相參就是保證各單元雷達(dá)間的信號有確定的相位關(guān)系，不依賴距離而變化，因此，信號相參的基線選擇準(zhǔn)則為

(6)

式中:R為雷達(dá)探測距離。

該準(zhǔn)則的基線選擇僅與探測距離和雷達(dá)波長有關(guān)，當(dāng)雷達(dá)工作波長確定，探測距離確定，則基線長度最大值便可確定。

(3) 測角精度考慮

基線長度在一定程度上決定了測角精度，一般情況下基線長度越長測角精度越高。

(4) 天線遮擋考慮

沿海景觀帶的規(guī)劃是以海洋與海岸線作為整體設(shè)計(jì)的載體與背景，融入人工建設(shè)，打造出與自然環(huán)境相協(xié)調(diào)的濱海世界。環(huán)境的改變，有利于展現(xiàn)區(qū)位優(yōu)勢，提高土地價(jià)值，實(shí)現(xiàn)招商引資，促進(jìn)整個(gè)島嶼經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，推動瑯岐島向新型化、現(xiàn)代化和生態(tài)化城市商圈發(fā)展。島嶼形象的改變，實(shí)力的提高，也為瑯岐島引來大量人才、資金、技術(shù)上的支持和投入，帶動本島第三產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)更寬、更高層次的合作與競爭，最終達(dá)到全島經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。

雷達(dá)在對目標(biāo)進(jìn)行搜索和跟蹤的過程中需要改變波束指向，單脈沖雷達(dá)通過機(jī)械調(diào)轉(zhuǎn)改變波束指向，相控陣?yán)走_(dá)既可以通過電掃也可以通過機(jī)械調(diào)轉(zhuǎn)改變波束指向，綜合戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)和系統(tǒng)設(shè)備安全，無論哪種形式均需考慮天線陣面遮擋問題。如圖6所示為天線陣面遮擋角變化曲線，通過圖形可以發(fā)現(xiàn)，天線陣面調(diào)轉(zhuǎn)角度越大，天線之間的遮擋角越大；天線之間的基線間距越大，天線之間的遮擋角越小。

2.3 頻段選擇

頻段選擇是雷達(dá)裝備研制一項(xiàng)非常重要的工作，涉及到的因素很多，分布式孔徑相參合成雷達(dá)頻段選擇依然遵循常規(guī)雷達(dá)頻段選擇準(zhǔn)則，除此之外還需考慮時(shí)頻同步精度指標(biāo)的影響，時(shí)頻同步指標(biāo)是分布式孔徑相參合成雷達(dá)一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)，直接決定著相參合成的效果，理論推導(dǎo)得到，頻率越高對時(shí)頻同步指標(biāo)要求越高。

2.4 系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

分布式孔徑相參合成雷達(dá)由中心控制處理系統(tǒng)和多部單元雷達(dá)組成。中心控制處理系統(tǒng)由中心主控、中心頻綜、中心信號處理和顯控系統(tǒng)等組成，具體功能介紹如下：

(1) 中心主控：完成對整個(gè)雷達(dá)系統(tǒng)的控制和資源調(diào)度，實(shí)現(xiàn)單元雷達(dá)間有序工作和有機(jī)協(xié)同，支持開展相參合成探測；完成相參處理模式下對跟蹤目標(biāo)的數(shù)據(jù)處理，實(shí)現(xiàn)距離、角度和速度回路的平穩(wěn)閉合；完成數(shù)據(jù)處理和融合。

(2) 中心頻綜：為單元雷達(dá)提供時(shí)鐘基準(zhǔn)信號；為中心控制處理系統(tǒng)和單元雷達(dá)提供時(shí)間同步信號；產(chǎn)生幅度、相位和延時(shí)標(biāo)校信號。

(3) 中心信號處理：完成接收相參與發(fā)射相參延時(shí)和相位參數(shù)的估計(jì)；完成搜索與跟蹤狀態(tài)下回波信號相參合成處理；完成聯(lián)合陣列測角角誤差提取。

(4) 顯控系統(tǒng)：完成雷達(dá)系統(tǒng)工作狀態(tài)與工作過程的管理與控制；完成與雷達(dá)主控計(jì)算機(jī)、信號處理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互；完成目標(biāo)回波一次信息和二次信息的顯示；完成相參合成檢測與跟蹤結(jié)果顯示；完成系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測顯示。

(1) 單元雷達(dá)主控：單元雷達(dá)主控具有接收中心主控控制字同時(shí)回送處理信息的功能。聯(lián)合探測模式下，單元雷達(dá)主控受控于中心主控，執(zhí)行中心主控發(fā)送的控制命令；獨(dú)立模式下，單元雷達(dá)主控獨(dú)自對本單元雷達(dá)系統(tǒng)進(jìn)行控制。

(2) 單元雷達(dá)頻綜：聯(lián)合探測模式下，單元雷達(dá)頻綜能夠接收中心頻綜傳送的時(shí)鐘和同步信號，并以此信號為基礎(chǔ)，產(chǎn)生單元雷達(dá)系統(tǒng)內(nèi)部所需的基準(zhǔn)、本振和同步等信號。

2.5 相參合成流程設(shè)計(jì)

根據(jù)探測需求，既要求分布式孔徑相參合成雷達(dá)具有高的目標(biāo)測量精度和識別能力，也要求雷達(dá)系統(tǒng)能夠遠(yuǎn)距離發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，并進(jìn)行穩(wěn)定截獲和跟蹤。要實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)的精確測量，需要接收到的回波信號具有較高的信噪比，該種情況下，通過相參合成處理能夠改善目標(biāo)的測量精度和識別能力；同時(shí)，要實(shí)現(xiàn)雷達(dá)系統(tǒng)遠(yuǎn)距離發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，會面臨著“單元雷達(dá)看不見，相參合成后看的見”的情況，該種情況單元雷達(dá)接收到的回波信號信噪比較低。為了充分發(fā)揮分布式孔徑相參合成雷達(dá)的技術(shù)優(yōu)勢，針對回波信號信噪比條件，設(shè)計(jì)了2種不同的工作流程。

高信噪比條件下相參合成工作過程分為4個(gè)階段，如圖7所示。

(1) 搜索階段：單元雷達(dá)自主搜索或接收外界引導(dǎo)信息，一旦有回波信號出現(xiàn)，雷達(dá)可采用相參或非相參處理模式，提高對目標(biāo)探測的信噪比。

(2) 截獲階段：分布式孔徑相參合成雷達(dá)采用相參處理方法實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)的探測。

(3) 跟蹤階段：雷達(dá)采用窄帶對目標(biāo)進(jìn)行跟蹤，窄帶目標(biāo)狀態(tài)矢量用來指定寬帶波形的處理窗口。

(4) 相參合成跟蹤處理：相參合成處理時(shí)，雷達(dá)可采用窄帶或?qū)拵Рㄐ?，為保證系統(tǒng)過渡的平穩(wěn)性，帶寬可初步增加，最后過渡到寬帶處理波形，寬帶波形可用來對目標(biāo)進(jìn)行相參積累跟蹤或?qū)拵С上瘛?/p>

低信噪比條件下雷達(dá)工作過程分為相參搜索、相參截獲和相參跟蹤3個(gè)階段，分別說明如下：

(1) 相參搜索階段：在中心控制處理系統(tǒng)的統(tǒng)一控制和調(diào)度下，單元雷達(dá)波束指向同一方向，發(fā)射相互正交的波形，并將接收到的回波信號送中心控制處理系統(tǒng)進(jìn)行相參合成，中心控制處理系統(tǒng)負(fù)責(zé)目標(biāo)確認(rèn)和點(diǎn)跡提取等工作。

(2) 相參截獲階段：單元雷達(dá)依然受控于中心控制處理系統(tǒng)，發(fā)射相互正交的波形，中心控制處理系統(tǒng)負(fù)責(zé)目標(biāo)證實(shí)和跟蹤回路的建立。

(3) 相參跟蹤階段：初始階段，單元雷達(dá)發(fā)射相互正交的信號，當(dāng)延時(shí)和相位估計(jì)精度滿足一定要求的情況下，單元雷達(dá)發(fā)射相同波形。信號帶寬可依據(jù)跟蹤任務(wù)和指標(biāo)要求進(jìn)行選擇。相參跟蹤階段，雷達(dá)可分配寬帶成像通道，對目標(biāo)進(jìn)行高分辨二維成像。

3 分布式孔徑相參合成雷達(dá)試驗(yàn)與分析

3.1 飛機(jī)目標(biāo)相參合成試驗(yàn)與分析

北京無線電測量研究所研制了3套雷達(dá)原理樣機(jī)，通過雷達(dá)原理樣機(jī)，實(shí)現(xiàn)了收發(fā)全相參模式下對飛機(jī)目標(biāo)的穩(wěn)定跟蹤，對分布式孔徑相參合成雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行了全面的試驗(yàn)驗(yàn)證。

C波段兩單元相控陣體制雷達(dá)原理樣機(jī)由2部固態(tài)有源相控陣?yán)走_(dá)和中心控制處理系統(tǒng)組成，如圖8所示。單部雷達(dá)對于2 m2目標(biāo)作用距離大于38 km。

如圖9所示為C波段兩單元單脈沖體制雷達(dá)原理樣機(jī)，單部雷達(dá)對于2 m2目標(biāo)作用距離大于70 km。

如圖10所示為X波段兩單元相控陣體制雷達(dá)原理樣機(jī)，單部雷達(dá)對于2 m2目標(biāo)作用距離大于65 km。

利用雷達(dá)原理樣機(jī)，對飛機(jī)目標(biāo)開展了相參合成探測試驗(yàn)，接收相參合成階段，相參合成對飛機(jī)目標(biāo)回波信噪比增益改善如圖11所示，接近理論值6 dB增益改善。

收發(fā)相參合成階段，單元雷達(dá)發(fā)射的電磁波信號在目標(biāo)處進(jìn)行相參合成，回波信號能量增強(qiáng)，如圖12所示，為接收相參和收發(fā)相參合成階段回波信號幅度變化情況，發(fā)射相參回波信號幅度改善均值為5.76 dB，接近于理論值6 dB幅度改善。

如圖13所示為收發(fā)相參合成信噪比增益改善情況，由于收發(fā)相參合成階段單元雷達(dá)發(fā)射電磁波信號在空間進(jìn)行了相參合成，無法同時(shí)獲取單元雷達(dá)獨(dú)立探測時(shí)的回波信號幅度，為了盡可能準(zhǔn)確的計(jì)算收發(fā)相參合成信噪比增益改善情況，在收發(fā)相參合成探測相臨駐留周期增加了單元雷達(dá)獨(dú)立目標(biāo)跟蹤支路，實(shí)時(shí)獲取單元雷達(dá)回波信號幅度，用于信噪比增益改善計(jì)算。雖然該方法能夠很大程度的提升計(jì)算準(zhǔn)確度，但由于信號幅度獲取存在時(shí)間差，且目標(biāo)RCS起伏變化，導(dǎo)致信噪比增益改善計(jì)算存在誤差，此外，回波信號幅度與噪聲獨(dú)立計(jì)算也會引入誤差，因此，采用統(tǒng)計(jì)的思想來評估收發(fā)相參合成信噪比增益改善效果。通過統(tǒng)計(jì)，收發(fā)相參合成階段信噪比增益改善平均值為8.58 dB，接近理論值9 dB增益改善。

相參合成飛機(jī)跟蹤航跡如圖14所示，通過圖形可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)目標(biāo)飛離雷達(dá)到一定距離時(shí)，單元雷達(dá)目標(biāo)丟失，而相參合成依然對飛機(jī)目標(biāo)進(jìn)行穩(wěn)定跟蹤，充分體現(xiàn)了分布式孔徑相參合成雷達(dá)的技術(shù)優(yōu)勢。

3.2 衛(wèi)星目標(biāo)相參合成試驗(yàn)與分析

利用現(xiàn)役2部X波段大型實(shí)裝雷達(dá)搭建了分布式相參合成試驗(yàn)系統(tǒng)，基于試驗(yàn)系統(tǒng)，開展了對衛(wèi)星目標(biāo)的相參合成探測試驗(yàn)。圖15a)為相參合成幅度改善情況，通過圖形可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)試驗(yàn)系統(tǒng)由接收相參轉(zhuǎn)收發(fā)相參時(shí)，回波信號幅度有一個(gè)明顯的提升，約為接收相參回波信號幅度的2倍，即6 dB幅度改善，說明發(fā)射電磁波信號實(shí)現(xiàn)了空間能量合成。由于在對實(shí)裝雷達(dá)進(jìn)行相參合成改造時(shí)，沒有在收發(fā)相參合成探測的相臨駐留周期增加單元雷達(dá)獨(dú)立目標(biāo)跟蹤支路，試驗(yàn)系統(tǒng)很難準(zhǔn)確地統(tǒng)計(jì)收發(fā)相參合成信噪比增益改善情況，因此，文章沒有給出衛(wèi)星目標(biāo)相參合成跟蹤信噪比增益改善試驗(yàn)結(jié)果，但通過圖15a)相參合成幅度改善情況能夠反映出單元雷達(dá)發(fā)射的電磁波信號實(shí)現(xiàn)了空間能量合成；圖15b)為相參合成衛(wèi)星目標(biāo)跟蹤航跡圖，航跡平滑連續(xù)，實(shí)現(xiàn)了收發(fā)全相參合成模式下對衛(wèi)星目標(biāo)的穩(wěn)定跟蹤，驗(yàn)證了分布式孔徑相參合成雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的工程可實(shí)現(xiàn)性。

4 結(jié)束語

文文分別給出了雷達(dá)個(gè)數(shù)選擇、基線長度選擇和頻段選擇等方面需考慮的影響因素和設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，結(jié)合分布式孔徑相參合成雷達(dá)體制特點(diǎn)，提出了雷達(dá)系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和功能組成，同時(shí)給出了相參合成探測流程設(shè)計(jì)。通過對飛機(jī)和衛(wèi)星等運(yùn)動目標(biāo)相參合成跟蹤試驗(yàn)結(jié)果的分析，表明目標(biāo)跟蹤穩(wěn)定，相參合成信噪比增益改善接近理論值，驗(yàn)證了分布式孔徑相參合成雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的正確性和可行性。

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