姜 婕

(西安導航技術研究所,陜西 西安 710068)

隨著軍用電子信息技術的迅猛發(fā)展，各種新型電子裝備、電子對抗裝備不斷革新，雷達系統(tǒng)面臨的戰(zhàn)場環(huán)境也愈加惡劣，其對目標定位精度的要求也在不斷提高[1-6]。為實現(xiàn)探測打擊一體化及平臺機動化等實際作戰(zhàn)要求，需要保證雷達系統(tǒng)具備高可靠性、低成本、平臺可機動、察打一體等特點[7-8]，但是傳統(tǒng)集中式陣列雷達已無法完全滿足現(xiàn)如今的作戰(zhàn)需求。

作為近年來學術界提出的一種新的雷達應用方式，分置陣列雷達因具有常規(guī)陣列雷達所不具備的優(yōu)勢，而受到廣泛關注。分置陣列雷達由多個分散布置的小孔徑子陣列雷達組成[9]。與常規(guī)陣列雷達相比，分置陣列具有明顯的優(yōu)勢：(1)提高雷達系統(tǒng)的目標定位精度。分置陣列雷達與常規(guī)陣列雷達在陣元數(shù)相等的情況下相比，具有更大的天線陣列物理孔徑。雷達天線陣列的物理孔徑與目標定位精度密切相關，因此分置陣列雷達與常規(guī)陣列雷達相比目標定位精度更高；(2)提高雷達系統(tǒng)的機動性。由于分置陣列雷達的天線陣列由多個小孔徑的天線子陣列組成，可將其布置在多個移動平臺提高機動性，從而使分置陣列雷達擁有更強的戰(zhàn)場生存能力；(3)降低雷達系統(tǒng)的成本并且降低天線陣列的工程實現(xiàn)復雜度。雷達天線陣列的陣元數(shù)越大，其工程實現(xiàn)的復雜度越大，雷達系統(tǒng)的軟硬件成本也就越高。在天線陣列物理孔徑相同的條件下，分置陣列雷達的陣元數(shù)通常遠小于常規(guī)陣列雷達，其軟硬件成本巧工程實現(xiàn)的復雜度也較??；(4)提高雷達系統(tǒng)的可靠性及穩(wěn)定性。當分置雷達的部分陣元功能失效或出現(xiàn)故障時，分置陣列雷達仍可正常運行，從而大幅提高了雷達系統(tǒng)的可靠性及穩(wěn)定性[10-13]。

分置陣列雷達可實現(xiàn)與載體平臺表面共形，全陣列處理方法使得共形陣列的制造成本負擔較重。在系統(tǒng)性能降低很少的情況下，子陣級處理有效降低了系統(tǒng)的復雜度并且節(jié)約了成本。當子陣按照長基線布置時，能夠擴大陣列物理孔徑，提高角度分辨率[14-15]。但由于陣面分置間距遠大于波長，當兩個分置陣面相參工作時，分置天線會在空間形成柵瓣；而當對目標進行捕獲跟蹤時，目標有可能會處在柵瓣或主瓣，角度會出現(xiàn)模糊，使得雷達跟蹤性能下降。為了有效抑制柵瓣并解決角度模糊問題，本文利用自適應和差波束空域選擇濾波的方法實現(xiàn)對分置陣列柵瓣的抑制，從而有效改善分置陣列目標定位過程中角度模糊的問題，使得雷達可以有效利用陣面資源，從而實現(xiàn)對目標真實角度的判斷，并保證了雷達的穩(wěn)定連續(xù)跟蹤。

1 分置共形陣列雷達信號模型與方向圖

分置陣列是常規(guī)相控陣陣列雷達進行分置布置的一種特殊形式，其波束形成基本原理與傳統(tǒng)相控陣雷達相同。首先對傳統(tǒng)相控陣方向圖進行推導，對于陣元數(shù)為M且陣元間距為d的均勻陣列，不考慮噪聲的影響，則第m個陣元的響應為

xm=gej(m-1)2πdsinθ/λ

(1)

其中，g為幅度。設第m個陣元的權值為wm，則該陣列經(jīng)過加權后的輸出為

(2)

式中，θ為入射信號的方向角。

對輸出信號取絕對值并做歸一化后可以得到方向圖。

(3)

在均勻線陣的基礎上，針對如圖1所示的分置陣列，其由2個子陣構成，每個子陣均由m個單元組成，陣元間距為d，來波方向與法線方向的夾角為θ，波長為λ。

圖1 陣列結構Figure 1. Array structure

當已知分置陣列的陣元位置，就可以得到其方向圖。子陣2可以看作是子陣1的平移，子陣1的導向矢量為α1(θ)，則子陣2的導向矢量為

(4)

式中，D為子陣1與子陣2間的基線距離，即兩子陣相位中心的間距。進而可以推出該分置陣列在波束指向θd時經(jīng)過加權后的輸出為

(5)

其中，α=2πdsinθ/λ，αd=2πdsinθd/λ，同理可得分置陣列方向圖為式(6)。

|cos(πk(sinθ-sinθd))·

(6)

設單子陣陣元個數(shù)為40，雷達工作在Ku頻段，陣元間距d=λ/2，子陣間的基線距離陣面間距D為1.2 m，分置陣列方向圖如圖2所示。

圖2 分置陣列方向圖Figure 2. Pattern of distributed array

由圖2可以看出，當雷達陣面采用分置布置時，由于子陣間距拉大，雷達方向圖主瓣位置出現(xiàn)大量的柵瓣，對目標跟蹤將造成嚴重的影響。

2 分置共形陣列雷達角度解模糊方法

針對分置陣列雷達系統(tǒng)，當采用常規(guī)波束形成方法實現(xiàn)角度估計時，主瓣位置大量柵瓣的存在會造成角度模糊，故無法實現(xiàn)對目標角度的準確估計，進而影響雷達系統(tǒng)對目標的跟蹤能力。為克服該問題并獲得目標的準確角度估計，本文提出一種自適應和差波束空域選擇濾波方法對分置雷達陣列方向圖進行優(yōu)化，從而實現(xiàn)對主瓣附近的柵瓣的有效抑制。

選擇圖1所示分置陣列結構模型展開介紹，以左側子陣最左邊陣元作為陣列原點，基于陣列波束方向圖基礎理論可得子陣1和子陣2的和波束方向圖為Σ1(θ)和Σ2(θ)，具體表示如下

(7)

以相同方法也可得子陣1和子陣2的差波束方向圖函數(shù)為Δ1(θ)和Δ2(θ)，具體表示如下所示

(8)

式中，k=D/λ；D表示子陣相位中心距；λ表示雷達發(fā)射波長。

為對主瓣附近的柵瓣進行有效抑制，基于單脈沖測角理論中和差波束綜合可實現(xiàn)空域選擇的特點，利用分置陣列中各個子陣的和差信號自適應的來構造空域選擇濾波函數(shù)P(θ)，對陣列雷達方向圖進行優(yōu)化，以保證目標角度可以被準確估計。濾波函數(shù)具體表示如式(9)所示。

(9)

采用本方法構建的濾波函數(shù)相當于在波束指向角度形成一個錐形濾波器，保證波束指向穩(wěn)健的情況下濾除左右柵瓣。

基于上文分置陣列理論介紹可得常規(guī)分置陣列方向圖為Σ(θ)，具體表示如式(10)所示。

(10)

利用該空域選擇濾波器對原分置陣列和波束方向圖進行空域濾波處理得到柵瓣抑制后的方向圖。

|P(θ)|=|P(θ)Σ(θ)|=

(11)

根據(jù)上述分置陣列模型參數(shù)進行仿真，兩陣列和波束方向圖與單陣面和差方向圖如圖2所示，構造出的空域選擇濾波波束方向圖如圖3所示。由圖3中可以看出柵瓣均已被抑制掉，因此利用該方法可以解決角度模糊問題。

圖3 空域選擇濾波波束方向圖Figure 3. Spatial selective filtering beam pattern

3 實驗及分析

分置陣列雷達可滿足探測打擊平臺一體化的實際需求。本文所提出的方法主要改善分置陣列雷達所產(chǎn)生的柵瓣對目標角度跟蹤性能的影響。利用分置陣列對機動目標進行跟蹤時，在波束形成處理中，利用單陣列和差波束構成空域濾波系數(shù)，并利用該系數(shù)進行波束形成處理[16-17]。利用現(xiàn)有分置陣列雷達設備展開試驗驗證，分別對實際設備方向圖與動目標跟蹤性能進行測試與試驗驗證，以證明本文所提出方法的有效性與工程應用價值。

3.1 實測方向圖

為驗證本文所提出的方法在柵瓣抑制上的實際效果，利用現(xiàn)有分置設備，對其接收方向圖進行測試。試驗所用分置陣列雷達模擬平臺如圖4所示，分置陣列為左右兩相控陣雷達拉開一定距離，實現(xiàn)陣面孔徑的擴大，并保證實際需求中的平臺共型需求。在接收端利用左右陣面和差信號構造空域選擇濾波波束，從而實現(xiàn)對柵瓣的抑制，獲得目標的真實角度信息，保證雷達對目標跟蹤的連續(xù)性與穩(wěn)定性。

圖4 分置陣面模擬平臺Figure 4. Distributed array simulation platform

利用微波暗室對現(xiàn)有分置雷達設備的接收方向圖進行測試，信號源在陣面指向法線方向，不利用本文所提出的方法進行處理的方向圖如圖5所示?？梢钥闯觯嚵蟹种貌贾迷斐稍谛盘栔赶蚋浇罅康臇虐辏瑥亩估走_系統(tǒng)無法準確的對目標角度進行解算。圖6為利用本方法處理后的陣面方向圖，可以看出在信號源雷達主波束方向的柵瓣得到了較好的抑制，同時方向圖主波束3 dB寬度小于1°，經(jīng)空域選擇濾波后主瓣保型能力較好，可保證在跟蹤階段良好的目標角度信息解算。

圖5 分置陣列和波束方向圖Figure 5. Distributed array and beam pattern

圖6 空域選擇濾波波束方向圖Figure 6. Spatial selective filtering beam pattern

3.2 性能測試

在微波暗室測試方向圖的基礎上，為驗證本文所提出的方法在實際應用的能力，利用分置陣列雷達系統(tǒng)展開外場試驗，驗證其對動目標的有效跟蹤能力。

在外場實驗中，將整個雷達測試平臺固定在地面高臺上，利用分置雷達陣面對遠處火箭橇軌道旁行駛的機動車輛進行掃描，完成對機動目標的搜索及跟蹤，試驗場景與分布如圖7所示。在試驗過程中，軌道上的小轎車駛向遠處，相當于一個遠離的機動目標，但在行駛途中與一輛遠處駛來的農(nóng)用三輪車會車交匯。雷達于約510 m發(fā)現(xiàn)該小轎車，并成功捕獲，一直跟蹤到約2.2 km處停止跟蹤，跟蹤到小轎車時其行駛速度約為2.8 m·s-1，行駛途中與一輛農(nóng)用三輪車會車小轎車減速，隨后又加速行駛。

(a)

(b)圖7 試驗場景描述圖(a)試驗實際場景圖 (b)幾何關系示意圖Figure 7. Test scenario description(a) Actual scene of test (b) Geometry diagram

圖8 小轎車跟蹤距離Figure 8. Car tracking distance

圖9 小轎車跟蹤速度Figure 9. Car tracking speed

圖10 小轎車跟蹤俯仰角Figure 10. Car tracking pitch angle

圖11 小轎車跟蹤方位角Figure 11. Car tracking azimuth

圖8～圖11分別為跟蹤過程中的目標距離、速度、俯仰角度、方位角度信息。在本次實驗中，由于試驗場景相對復雜，因此需要雷達系統(tǒng)角度分辨能力較強，以實現(xiàn)主波束內(nèi)盡量少的雜波進入。通過對雷達跟蹤目標過程中各項數(shù)據(jù)的分析可以看出，在距離上，雷達可以有效地實現(xiàn)對目標的穩(wěn)定跟蹤；在速度上，可以看出速度變化符合試驗的實際場景的描述。從相控陣目標角度的跟蹤數(shù)據(jù)可以看出，采用本文所提出的方法可以穩(wěn)定的對目標進行跟蹤，并不受地物雜波的影響。

4 結束語

分置陣列雷達在實際應用中會因柵瓣影響造成角度模糊，由此導致目標跟蹤性能下降。針對該問題，本文提出了一種利用自適應和差波束空域選擇濾波的方法對柵瓣進行抑制，消除存在的角度模糊，保證了目標跟蹤的穩(wěn)定性與連續(xù)性。本文利用現(xiàn)有分置雷達設備對其分別進行了暗室方向圖測試與外場目標跟蹤試驗。結果表明本方法可有效改善分置雷達系統(tǒng)的目標跟蹤性能，并且具有較高的工程可實現(xiàn)性，可有效提升分置陣列實際應用的可行性。