新體制雷達—分布式孔徑相參合成雷達

張亞婷 黃志忠

(西安電子工程研究所 西安 710100)

0 引言

未來反隱身、防空反導武器系統(tǒng)都對預警探測雷達的探測威力提出了更高的要求，這就使雷達要有更大的功率孔徑乘積。雷達的靈敏度與天線孔徑的平方成正比，但當天線尺寸增大時，雷達的機動靈活性將很受影響，因為大孔徑系統(tǒng)本來就非常昂貴且不容易運輸［1］，巨型相控陣雷達的研制道路行不通，所以就需要下一代新體制雷達。下一代新體制雷達應該滿足雷達既要具有較高的靈敏度、遠距離搜索、跟蹤和識別能力，同時還要便于運輸，于是出現(xiàn)了由幾部較小雷達組成的分布式孔徑相參合成新體制雷達系統(tǒng)。該雷達系統(tǒng)使用大量分散而不是共置的協(xié)同工作的小孔徑，通過空間相參合成可以達到單個大孔徑的性能。該雷達作為下一代雷達的發(fā)展方向，不僅僅是單點的技術應用或創(chuàng)新，涉及面較廣。分布式孔徑相參合成雷達是繼MIMO雷達之后的又一種新體制雷達。

圖1 分布式孔徑相參合成雷達示意圖

1 分布式孔徑相參合成雷達的基本概念和組成

分布式孔徑相參合成雷達系統(tǒng)按照標準積木式相干結合多個分布雷達孔徑，也就是說使用大量分散而不是共置的協(xié)同工作的小孔徑，當小孔徑相參合成在一起時可以達到單個大孔徑的性能，繼而獲得雷達的高靈敏度和機動性。

分布式孔徑相參合成雷達系統(tǒng)包含N部可車載機動的單元雷達和一個中心控制處理系統(tǒng)，其組成見圖1。這些單元雷達按一定方式布局，波束指向相同區(qū)域，等效形成一個大威力的機動式雷達。所有單元雷達通過中心控制處理系統(tǒng)進行信號級合成處理，實現(xiàn)信號級相參合成，實現(xiàn)N3信噪比增益，從而提高探測威力、測量精度和識別能力。

2 分布式孔徑相參合成雷達與MIMO、雙(多)基地、組網(wǎng)雷達的區(qū)別［2-6］

分布式孔徑相參合成雷達中的每個單元均是一部完整的雷達，除了受控于中心系統(tǒng)進行聯(lián)合工作外，也可自行獨立工作探測不同區(qū)域，工作模式靈活，功能擴展方便。作為一種新體制雷達，分布式孔徑相參合成雷達與MIMO雷達、雙(多)基地雷達、組網(wǎng)雷達不同。

分布式孔徑相參合成雷達的最大特點，就是其性能優(yōu)于MIMO雷達(MIMO雷達只能獲得N2信噪比增益)，其研制難度也高于MIMO雷達，因為MIMO雷達側重于視頻處理，而分布式孔徑相參合成雷達側重在射頻處理。分布式孔徑相參合成雷達的接收相參模式僅在正交波形收發(fā)處理這點上類似MIMO雷達，但不是MIMO雷達，這只是為實現(xiàn)收發(fā)相參的一個瞬態(tài)過渡階段，最終目標是在空間實現(xiàn)發(fā)射相參。

MIMO由多個發(fā)射陣元和多個接收陣元組成，發(fā)射端發(fā)射正交波形，接收端通過匹配濾波器組將不同發(fā)射信號對應的回波分離，并進行集中處理，可同時形成對目標的多個觀測通道，它是近年由通信領域引入的全新雷達體制。MIMO雷達根據(jù)各天線間距的“遠近”又可分為統(tǒng)計MIMO雷達和相參MIMO雷達兩大類，相參MIMO雷達的提出源于稀布陣綜合脈沖孔徑雷達(SIAR)。即當目標相對于各天線的視線角可近似相等時為相參MIMO雷達，反之目標相對于各天線的視線角明顯不同時則為統(tǒng)計MIMO雷達。

(雙)多基地雷達系統(tǒng)是指使用兩個或多個相距頗遠的基地，其中一個放置發(fā)射機，兩個或者多個具有公共覆蓋空域的接收基地，目標檢測時發(fā)射能量照射目標，接收檢測和處理目標回波，并且每個基地的目標數(shù)據(jù)在一個中心站融合。它們通常是將來自每個基地的數(shù)據(jù)用相參的方式進行融合以形成大的孔徑。多部發(fā)射機也可置于單獨的基地或和接收機放在同一個基地。

組網(wǎng)雷達是指通過將多部不同體制、不同頻段、不同工作模式、不同極化方式的雷達或者無源偵察裝備適當交錯布站，借助于通信手段鏈接成網(wǎng)，由中心站統(tǒng)一調(diào)配而形成的一個有機整體，形成一種靜態(tài)部署與動態(tài)部署相結合，前沿部署與縱深部署相銜接，有源探測和無源探測并存的有效綜合性探測網(wǎng)。網(wǎng)內(nèi)各雷達和雷達對抗偵察裝備的目標點跡、航跡等信息由中心站收集，綜合處理后形成雷達網(wǎng)覆蓋范圍內(nèi)的情報信息，并按照戰(zhàn)爭態(tài)勢的變化自適應的調(diào)整網(wǎng)內(nèi)各雷達裝備的工作狀態(tài)，發(fā)揮各個雷達和雷達對抗偵察裝備的優(yōu)勢，從而完成整個覆蓋范圍內(nèi)的探測定位和跟蹤等任務。

3 分布式孔徑相參合成雷達的優(yōu)越性及其設計原則

3.1 分布式孔徑相參合成雷達的優(yōu)越性

分布式孔徑相參合成雷達體制新穎，具有快速移動、機動部署、靈活使用等很多潛在優(yōu)勢［1，7-8］，具體表現(xiàn)在:

a.密集分布相參雷達是多個雷達單元的拼接，完全可以當一部雷達那樣工作，包括波束控制、波束形成、目標跟蹤等，只不過需要采用一個基準時鐘源并采用集中控制;密集分布與分散分布二者之間具有良好繼承性，一旦技術難題得到破解，便可很快改成分散分布工作模式;

b.機動部署靈活、生存力強、易于維護:每個雷達單元均具有良好的機動性，可以機動部署，快速移動，而且其配置方式也可變化，既可集中配置也可前置分開配置，既能要地部署，也可前沿部署，及時變化陣地，增強重要方向的作戰(zhàn)能力，因而使用十分靈活;

c.能獲得極高的角度分辨率，識別能力強，且具有優(yōu)良的可擴展性。該雷達系統(tǒng)可實現(xiàn)很高的角度分辨力，可與導引頭的角度分辨力匹配，同時可高精度測角，實現(xiàn)高精度測軌;該雷達系統(tǒng)易實現(xiàn)大掃描角寬帶目標成像，大范圍識別能力強;

d.更好的實現(xiàn)性和更高的可靠性:單元雷達規(guī)模小，技術成熟，工程實現(xiàn)性好。另外多部雷達分布聯(lián)合工作，即使一部雷達失效，不會給系統(tǒng)造成很大影響，系統(tǒng)仍可運行，雷達的功能和威力理論上可以通過增加雷達單元數(shù)量任意擴展。

3.2 設計分布式孔徑相參合成雷達應考慮的問題［9-10］

分布式孔徑相參合成雷達是由多個雷達單元集成的新體制雷達。其中各雷達單元的設計很重要，應考慮以下幾方面的問題:

a.在保證機動性的前提下，雷達系統(tǒng)應盡可能大，因為分布式雷達系統(tǒng)要求雷達單元具備獨立搜索、檢測并跟蹤目標的能力。規(guī)模太小顯然達不到獨立工作的要求;

b.單元雷達工作模式的設計，當單元雷達發(fā)射正交波形時，只能實現(xiàn)接收相參，發(fā)射相同波形時才能實現(xiàn)發(fā)射相參。系統(tǒng)要能實現(xiàn)孔徑相差，工作模式需要切換過渡，因此各單元雷達必須具有發(fā)射不同波形的能力;

c.雷達單元工作頻段選擇，滿足機動性要求，工作頻段不能太高，雷達工作頻段越高(如X波段)參數(shù)估計和控制精度等要求越高，相參合成的難度也越大，所以工作頻率選擇應該詳細論證;

d.單元雷達的系統(tǒng)設計差異，會導致合成信號的差異，直接影響合成信噪比增益，因此單元雷達的相參合成工作模式的系統(tǒng)設計應盡可能保持一致。

4 分布式孔徑相參合成雷達的工作模式及工作過程

4.1 工作模式

分布式孔徑相參合成雷達采用正交波形和多輸入多輸出(MIMO)技術以實現(xiàn)相參接收和相參發(fā)射的參數(shù)估計。在接收相參模式，對接收到的正交波形相參合成，得到了N2倍(相對于單部雷達)的信噪比增益。在發(fā)射相參模式，各單元雷達發(fā)射相同的波形，而且每個發(fā)射脈沖的相位和發(fā)射時間都要自適應調(diào)節(jié)以使所發(fā)射的脈沖同時到達目標，且相位相同。當發(fā)射和接收都實現(xiàn)相參時，系統(tǒng)可以獲得N3倍的 SNR 增益［1，8，11-12］。

分布式相參合成孔徑雷達的工作模式具體到3種形式:

a.獨立工作模式

每個單元雷達可獨立工作，進行目標搜索、檢測、跟蹤。

b.接收相參模式

各單元雷達發(fā)射彼此正交波形，波形設計類似于MIMO雷達，在接收端通過通道分離和匹配濾波實現(xiàn)接收相參，對目標的距離和角度進行估計，獲取發(fā)射相參時所需的各單元延時和相位信息，該過程不是一種獨立的工作模式，只是實現(xiàn)發(fā)射相參的中間過度過程。

c.收發(fā)全相參模式

利用接收相參模式估計的時延和相位參數(shù)，對單元雷達的延時與相位進行精確補償控制，使它們能夠同時到達目標同時具有相同的相位，各單元輻射的能量在目標處實現(xiàn)相參合成。實現(xiàn)收發(fā)全相參，獲得N3倍的增益。這是分布式雷達所獨有的常態(tài)化模式，是MIMO雷達所不具備和無法實現(xiàn)的。

4.2 工作過程［1，11］

圖2中3部雷達都對公共視場內(nèi)的目標測距。分布式孔徑相參合成雷達具體的工作過程為:

a.首先系統(tǒng)處于接收相參模式，由外部信息源，如紅外衛(wèi)星或超遠程預警雷達提供目標先驗位置信息，雷達單元采用正交波形圍繞指示位置搜索目標;或雷達主動在感興趣的空域內(nèi)進行目標搜索，目標在較遠距離條件下，系統(tǒng)采用長時間積累模式檢測直至發(fā)現(xiàn)目標。一旦獲得穩(wěn)定跟蹤，就可以得到N2倍的增益;

圖2 分布式相參孔徑雷達系統(tǒng)工作圖

b.根據(jù)目標距離和角度信息，計算發(fā)射相參模式下各單元雷達所對應的延時和相位補償量;各個雷達單元發(fā)射相同波形，并做適當延時和相位調(diào)整，使系統(tǒng)切換到發(fā)射相參模式。一旦系統(tǒng)進入全相參工作模式，獲得N3倍信噪比增益，可以對該目標進行更遠距離的精確跟蹤;

c.若跟蹤出現(xiàn)問題可退回接收相參狀態(tài)重新進行參數(shù)估計。

5 分布式孔徑相參合成雷達的現(xiàn)狀與趨勢［2，4，9-10］

2003年美國導彈防御局發(fā)起了一項研究，來自包括林肯實驗室在內(nèi)的多家研究實驗室、工業(yè)部門和政府軍方機構的眾多研究者參與了這項工作，旨在研究能應對未來彈道導彈威脅的高級雷達傳感器概念。林肯實驗室從2000年左右就開始了分布式相參合成體制雷達技術的研究，進行了大量試驗工作。先后研制了L波段室內(nèi)分布式試驗系統(tǒng)和X波段兩單元分布式收發(fā)相參實時演示試驗系統(tǒng)，完成了回波接收相參的原理演示;大約從2003年起開始研究分布式雷達在彈道導彈防御系統(tǒng)，目前已完成原理驗證試驗并獲得成功，2004年4月成功完成了室內(nèi)對模擬器目標的靜態(tài)相參合成演示試驗。

分布式孔徑相參合成雷達技術在國內(nèi)的研究還屬于起步階段，多家科研院所如北京無線電測量研究所、西安電子工程研究所、清華大學、西安電子科技大學、北京理工大學、成都電子科技大學已經(jīng)關注該技術的潛在優(yōu)勢和應用前景，并開展了分布式孔徑相參合成雷達先期的概念研究，取得初步研究成果，為分布式孔徑相參合成雷達系統(tǒng)開展關鍵技術預研攻關和工程實現(xiàn)奠定了一定的基礎。

航天二院二十三所已經(jīng)利用相關資源，基于分布式關鍵技術理論研究和仿真分析，完成了相參合成原理和算法初步驗證，依靠簡易試驗平臺，分別完成了P波段雷達單發(fā)雙收跟蹤飛機試驗和C波段典型雙發(fā)雙收平臺室內(nèi)模擬和標桿空饋相參合成試驗。2012年，西安電子工程研究所在S波段固定分布式孔徑相參合成雷達和MIMO雷達方面取得了技術突破，并在戶縣試驗場完成了地面動目標觀測試驗。

分布式相參合成孔徑雷達作為未來雷達的發(fā)展方向，特別是中遠程反導武器制導雷達的發(fā)展方向，被稱為下一代彈道導彈防御雷達。鑒于目前尚有若干問題需要深入研究，依然存在一定的風險。所以可以考慮采用密集分布的形式進行相參雷達實驗，即雷達單元相同，雷達單元分布的距離不是在上百米以外，而是密集分布在一起。

6 分布式孔徑相參合成雷達的關鍵技術

分布式孔徑相參合成雷達涉及的面較廣，是雷達的又一重要發(fā)展方向。然而，就系統(tǒng)的實現(xiàn)而言，相比于常規(guī)雷達，分布式孔徑相參合成雷達首當其沖的技術難點就是各單元雷達之間的時間、空間和相位的同步。新體制、新技術帶來好處的同時又提出了一些理論技術難點和挑戰(zhàn)，如為獲取分布式雷達的延時與相位相干參數(shù)的提取，需要為單元雷達發(fā)射正交波形的設計與處理技術，高精度時間同步與時鐘源相參技術、延時與相位的估計技術、低信噪比高精度參數(shù)估計、分布式陣列稀疏測角等，都有待于全面而深入開展理論研究和技術開發(fā)［4.12-14］。

a.多單元雷達間信號的相對延時和相位估計是實現(xiàn)分布式相參合成的前提與核心，頻段越高，參數(shù)估計和處理的難度越大。分布式雷達遠距離截獲時，面臨“單個雷達看不見，合成以后可看見”的低信噪比參數(shù)估計環(huán)境情形，需要解決低信噪比條件下的高精度參數(shù)估計難題。

b.正交波形的產(chǎn)生與處理，單元雷達彼此之間需要發(fā)射正交波形，接收采用一組匹配濾波器，以便對本地與其它回波分別進行匹配處理，從而提取延時和相位等相干參數(shù)。正交波形的互相關函數(shù)理想條件下為零，即使兩部雷達載頻相同，也能互不影響地同時工作。正交波形主要有頻率正交和相位編碼正交兩種。頻率正交波形帶寬窄，正交性好，多卜勒不靈敏。相位編碼信號帶寬寬，正交性較好，對多卜勒敏感，需要作多卜勒頻率補償。由于分布式雷達最終要用同頻工作，因此最好選擇相位編碼正交波形。

c.以雷達微波脈沖輸出端為衡量基準，可依次從同步方法、傳輸方式、路徑誤差、補償模型、修正方法和監(jiān)測方法等方面開展研究;同時，本振相參是確保分布式相參合成效率的基礎支撐技術，可分階段遞進研究一個基準源與多個基準源的本振相參。頻段越高，時間同步要求越高。

d.延時和相位相干參數(shù)的實時監(jiān)測和閉環(huán)更新技術也尤為重要，因為延時和相位的一些估計算法包括:峰值算法、相關法、全極點模型等。當發(fā)射相同波形實現(xiàn)收發(fā)相參后，需要進行相參合成效果評估，如果合成效果不好，又需回到接收相參模式，更新延時和相位參數(shù)，然后再過渡到收發(fā)相參模式。

e.分布式布局的問題，要實現(xiàn)相參合成和檢測概率要求，各單元雷達分布布局并非任意的。各單元雷達的布局結構直接影響合成的方向圖，稀疏配置會帶來柵瓣問題(頻段越高，稀疏測角的難度越大)，在多目標情況下，需要解決稀疏布陣的無模糊測角。需要解決的技術難題包括如何減弱柵瓣影響，如何構建高精度測角回路。

f.相參合成的理論模型的應用局限，在短基線配置情況下可以實現(xiàn)收發(fā)全相參，而長基線觀測目標模式下，視角、RCS、多普勒頻率、雜波等可能會不同，這些都會對多雷達合成帶來諸多差異，能否實現(xiàn)收發(fā)全相參是一個值得研究和探討的問題。更要關注相參合成的實際應用，若同時多波束檢測多目標，會引起一些難以預料的問題，這都有待進一步地研究。

7 結束語

分布式孔徑相參合成雷達是一種新體制雷達，具有很多潛在的優(yōu)勢，代表了雷達特別是遠程制導雷達的發(fā)展方向。在研究分布式相參合成雷達時，面臨如單元雷達間的時間延遲和相位延遲的高精度估計與補償、柵瓣抑制和對高動態(tài)目標發(fā)射接收全相參合成的穩(wěn)定維持、高精度時間同步與本振相參等關鍵技術問題，而這些還有待于全面而深入開展理論研究和技術開發(fā)。

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