機(jī)載SAR/MTI雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)研究

張倩 江凱 張衛(wèi)華

摘 要：SAR/MTI雷達(dá)將SAR雷達(dá)的全天時(shí)、全天候的觀測(cè)特性和MTI體制雷達(dá)對(duì)地面目標(biāo)良好的跟蹤性能結(jié)合，具備優(yōu)越的戰(zhàn)場(chǎng)感知能力，已成為各國(guó)研究的熱點(diǎn)。文章對(duì)基于二維有源相控陣體制SAR/MTI雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究，論述了系統(tǒng)組成及特點(diǎn)，進(jìn)行了雷達(dá)體制與工作模式設(shè)計(jì)，并給出了試驗(yàn)結(jié)果。

關(guān)鍵詞：二維有源相控陣天線；實(shí)時(shí)處理；機(jī)載；SAR；GMTI；AMTI

1 概述

合成孔徑雷達(dá)作為一種主動(dòng)式微波成像系統(tǒng)，已廣泛應(yīng)用于軍事偵察、環(huán)境監(jiān)測(cè)、土地資源管理等軍事及國(guó)民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域[1]。合成孔徑雷達(dá)成像具有全天時(shí)、全天候、遠(yuǎn)距離和寬測(cè)繪帶等優(yōu)點(diǎn)，可以大大提高雷達(dá)的信息獲取能力；同時(shí)在戰(zhàn)場(chǎng)偵察方面，合成孔徑雷達(dá)地面動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)功能可以偵察和監(jiān)視敵方的戰(zhàn)略設(shè)備和部隊(duì)的運(yùn)動(dòng)情況，從而大大提高了成像雷達(dá)的戰(zhàn)場(chǎng)感知能力。在現(xiàn)代戰(zhàn)場(chǎng)監(jiān)視雷達(dá)的研制中，將SAR雷達(dá)的全天時(shí)、全天候的觀測(cè)特性和MTI體制雷達(dá)對(duì)地面目標(biāo)和低空目標(biāo)良好的跟蹤性能結(jié)合，研制SAR/MTI模式雷達(dá)成為各國(guó)研究的熱點(diǎn)[3-4]。

國(guó)外最早開發(fā)的機(jī)載SAR/MTI雷達(dá)是美國(guó)的JSTARS系統(tǒng)，其作戰(zhàn)效能在近幾次局部戰(zhàn)爭(zhēng)中得到了充分驗(yàn)證和發(fā)揮。此外，類似的系統(tǒng)還有英國(guó)的ASTOR、美國(guó)的Global Hawk（“全球鷹”無(wú)人機(jī)）及Predator（“捕食者”無(wú)人機(jī)）等。

國(guó)內(nèi)的機(jī)載SAR雷達(dá)系統(tǒng)經(jīng)過二十多年的發(fā)展已經(jīng)具備了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，我們已經(jīng)成功開發(fā)了機(jī)載SAR/MTI雷達(dá)樣機(jī)，并成功進(jìn)行了機(jī)載校飛試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了多模戰(zhàn)場(chǎng)監(jiān)視功能。

文章對(duì)基于二維有源相控陣體制SAR/MTI雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究，論述了系統(tǒng)組成及特點(diǎn)，進(jìn)行了雷達(dá)工作模式設(shè)計(jì)，并給出了試驗(yàn)結(jié)果。

2 系統(tǒng)組成及特點(diǎn)

機(jī)載SAR/MTI雷達(dá)系統(tǒng)由機(jī)載SAR/MTI雷達(dá)、數(shù)據(jù)鏈及地面站3個(gè)部分組成。機(jī)載雷達(dá)完成多模式戰(zhàn)場(chǎng)偵察監(jiān)視功能，實(shí)時(shí)獲取戰(zhàn)場(chǎng)目標(biāo)情報(bào)信息（包含固定目標(biāo)圖像情報(bào)和運(yùn)動(dòng)目標(biāo)點(diǎn)跡、航跡情報(bào)），并通過數(shù)據(jù)鏈實(shí)時(shí)下傳到地面站進(jìn)行顯示及分發(fā)。

圖1 SAR/MTI系統(tǒng)原理框圖

機(jī)載SAR/MTI雷達(dá)組成框圖如圖1所示，分為機(jī)艙外、機(jī)艙內(nèi)2個(gè)部分。機(jī)艙外設(shè)備為機(jī)腹下的船形天線罩內(nèi)的雷達(dá)天線，機(jī)艙內(nèi)設(shè)備包括低功率射頻單元、綜合處理單元和實(shí)時(shí)處理分機(jī)等。

天線采用二維有源相控陣天線，在方位向和俯仰向進(jìn)行二維電掃，能夠保證雷達(dá)成像的靈活性及對(duì)低空或地面運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的快速搜索能力，提高了雷達(dá)的探測(cè)效率。

多功率射頻單元包括1路SAR接收通道、4路MTI接收通道、晶振模塊、功分網(wǎng)絡(luò)模塊、時(shí)鐘本振插件、波形倍頻插件、激勵(lì)源插件、接收監(jiān)控插件等。

綜合處理單元包括A/D采集和時(shí)序模塊，其中A/D采集包括SAR通道采集和MTI通道采集。

實(shí)時(shí)信號(hào)處理單元由硬件以及嵌入式軟件組成，在硬件電路中包括DSP處理板、數(shù)字接口板等；嵌入式軟件由成像處理、動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)等算法處理軟件組成。

在機(jī)艙內(nèi)與地面站均設(shè)有指揮控制臺(tái)，實(shí)現(xiàn)任務(wù)規(guī)劃、指揮與控制通信、監(jiān)視與圖像傳送等功能。

在進(jìn)行機(jī)載SAR/MTI雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，考慮如下三個(gè)方面技術(shù)特點(diǎn)。

（1）采用二維有源相控陣天線。為滿足戰(zhàn)場(chǎng)監(jiān)視的遠(yuǎn)距離、高分辨率、多模式偵察工作的需要，系統(tǒng)必須要有足夠的功率口徑積，同時(shí)為保證多模式戰(zhàn)場(chǎng)監(jiān)視所要求的寬視場(chǎng)覆蓋，選擇二維有源相控陣天線應(yīng)該是目前最佳方案。

寬帶二維有源相控陣天線組成框圖，由可擴(kuò)充陣列模塊（SAM）、波束形成網(wǎng)絡(luò)、延遲放大組件、波控、電源、環(huán)控、俯仰伺服控制等構(gòu)成。

天線工作時(shí)由可擴(kuò)充天線陣列模塊（SAM）完成天線的收/發(fā)、放大、幅相加權(quán)等基本功能；功分器構(gòu)成方位向子波束形成網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)子陣功能；延遲放大組件用來實(shí)現(xiàn)不同波位所需的時(shí)延控制和發(fā)射/接收信號(hào)放大；方位向全波束形成網(wǎng)絡(luò)用于實(shí)現(xiàn)發(fā)射時(shí)的功率分配和接收時(shí)的雙模工作方式，距離向（俯仰向）的信號(hào)的分配/合成在SAM中完成，所有這些工作過程都是在波控的控制下進(jìn)行的。采用SAM思想實(shí)現(xiàn)二維有源相控陣天線組陣的好處是可靈活組陣，實(shí)現(xiàn)不同尺寸規(guī)模的二維有源相控陣天線，能適應(yīng)多種載機(jī)平臺(tái)。寬帶二維有源相控陣天線還實(shí)現(xiàn)了在線校準(zhǔn)和BIT檢測(cè)的功能，為實(shí)際使用維護(hù)創(chuàng)造了便利的條件。

（2）實(shí)時(shí)多模信號(hào)處理技術(shù)。SAR/MTI雷達(dá)系統(tǒng)中，實(shí)時(shí)處理分機(jī)完成實(shí)時(shí)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)處理與SAR成像處理的功能，SAR/MTI系統(tǒng)的多模信號(hào)處理算法研究及其實(shí)時(shí)處理實(shí)現(xiàn)是研究的核心內(nèi)容。本系統(tǒng)SAR成像模式有條帶模式和聚束模式兩種，成像距離遠(yuǎn)，距離走動(dòng)與彎曲現(xiàn)象明顯，成像處理可以采用重疊子孔徑算法（OSA），波數(shù)域（ω-k）算法等技術(shù)。OSA算法是先進(jìn)行子孔徑粗成像和誤差補(bǔ)償，然后對(duì)各個(gè)子孔徑粗分辨圖像進(jìn)行相干處理，得到全孔徑高分辨圖像；ω-k算法可以精確成像，算法也簡(jiǎn)單，但是需要進(jìn)行stolt插值，算法的效率受到一定的影響，不過隨著硬件處理能力的增強(qiáng)，處理速度可以得到解決。此外，需要采用基于運(yùn)動(dòng)傳感器的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償和基于回波數(shù)據(jù)的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償相結(jié)合的補(bǔ)償方法，先采用前者獲得粗估值，再采用后者進(jìn)行精確估計(jì)，可以得到高分辨率SAR圖像。動(dòng)目標(biāo)探測(cè)、跟蹤及定位正是SAR/MTI雷達(dá)有別于其它成像雷達(dá)的特色之處，在SAR/MTI雷達(dá)技術(shù)研究中一直處于非常重要的地位。MTI信號(hào)處理采用多通道處理技術(shù)。多通道MTI具有較好的地雜波抑制能力，能更好的進(jìn)行動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)，同時(shí)采用四個(gè)接收通道，可實(shí)現(xiàn)動(dòng)目標(biāo)的精確定位和測(cè)速。為了實(shí)現(xiàn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)的實(shí)時(shí)處理，多通道動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)處理主要關(guān)鍵技術(shù)包括通道均衡、雜波抑制、干涉儀定位等技術(shù)。通過通道均衡處理，提高雜波對(duì)消性能，從而提高目標(biāo)檢測(cè)性能。同時(shí)需要考慮計(jì)算量，以達(dá)到實(shí)時(shí)處理硬件的要求。

（3）實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理技術(shù)。在實(shí)現(xiàn)MTI信號(hào)處理之后，需要進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)地面動(dòng)目標(biāo)的檢測(cè)、定位與連續(xù)跟蹤，形成航跡并疊加在實(shí)時(shí)SAR圖像或電子地圖上，并提取出目標(biāo)特征信息，形成完整的戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)圖，以供進(jìn)一步的情報(bào)分析決策評(píng)估。地面動(dòng)目標(biāo)所處環(huán)境復(fù)雜，有嚴(yán)重的地雜波、雜波對(duì)消剩余引起虛警的飽和信號(hào)、干擾等因素，這些因素使得真實(shí)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)、跟蹤與定位具有很大技術(shù)難度。動(dòng)目標(biāo)的跟蹤需要針對(duì)不同掃描幀的動(dòng)目標(biāo)點(diǎn)跡數(shù)據(jù)進(jìn)行目標(biāo)關(guān)聯(lián)、分類，形成目標(biāo)運(yùn)動(dòng)的航跡，并對(duì)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)的航跡進(jìn)行平滑濾波，進(jìn)一步可以預(yù)測(cè)目標(biāo)在下一掃描幀的位置或狀態(tài)。目標(biāo)關(guān)聯(lián)算法常用最大似然法的假設(shè)檢驗(yàn)方法，平滑濾波及預(yù)測(cè)常用卡爾曼濾波算法。在目標(biāo)檢測(cè)后的輸出數(shù)據(jù)里，會(huì)出現(xiàn)同一目標(biāo)的數(shù)據(jù)存在于多個(gè)的距離～方位（或距離～多普勒）單元里，需要采用加權(quán)平均的方法凝聚成一個(gè)單元的數(shù)據(jù)，減少后續(xù)目標(biāo)關(guān)聯(lián)跟蹤處理的計(jì)算量。

3 功能模式設(shè)計(jì)及試驗(yàn)結(jié)果

SAR/MTI雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，充分考慮對(duì)地綜合監(jiān)視特點(diǎn)，以及雷達(dá)成像與運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)同時(shí)工作需求，進(jìn)行雷達(dá)體制選擇與系統(tǒng)工作模式設(shè)計(jì)?？紤]目標(biāo)包括地面各種運(yùn)動(dòng)目標(biāo)、靜止目標(biāo)和固定目標(biāo)場(chǎng)景，需要從各種目標(biāo)環(huán)境中檢測(cè)、識(shí)別目標(biāo)，設(shè)計(jì)工作模式包括廣域GMTI模式、同時(shí)SAR/GMTI模式、條帶SAR模式、聚束SAR模式、滑動(dòng)聚束SAR模式及AMTI模式等。雷達(dá)體制選擇和處理方式與面臨的雜波環(huán)境密切相關(guān)，不同的工作模式針對(duì)的目標(biāo)類型不同，需根據(jù)不同模式所處的雜波環(huán)境對(duì)雷達(dá)體制和處理方式進(jìn)行選擇分析。

（1）廣域GMTI模式。廣域GMTI屬SAR/MTI雷達(dá)最主要的功能模式，要求對(duì)地面慢速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行廣域監(jiān)視，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)并生成點(diǎn)跡、航跡。圖2為廣域GMTI模式實(shí)時(shí)獲取的地面動(dòng)目標(biāo)航跡顯示畫面，背景為電子地圖。對(duì)地面動(dòng)目標(biāo)的最小可檢測(cè)徑向速度（MDV）優(yōu)于10公里/小時(shí)。

圖2 廣域GMTI模式實(shí)時(shí)航跡圖

圖3 同時(shí)SAR/GMTI模式實(shí)時(shí)處理結(jié)果

（背景為電子地圖）

（2）同時(shí)SAR/GMTI模式。同時(shí)SAR/GMTI是SAR/MTI雷達(dá)近些年發(fā)展的一個(gè)熱點(diǎn)，圖3中所示為同時(shí)SAR/GMTI模式下雷達(dá)顯示畫面，實(shí)現(xiàn)在SAR成像同時(shí)完成動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)、定位功能，實(shí)時(shí)生成目標(biāo)批號(hào)、距離、方位、經(jīng)度、緯度和速度等情報(bào)信息。

（3）條帶SAR模式。條帶SAR模式分辨率有0.5米、1米和3米，均為實(shí)時(shí)成像。圖4為0.5米分辨率條帶SAR實(shí)時(shí)圖像，實(shí)時(shí)輸出的圖像均已經(jīng)過地理編碼，易于進(jìn)行圖像拼接及與數(shù)字地圖的疊加顯示等處理，得到圖像產(chǎn)品及典型目標(biāo)的位置信息。

圖5 0.3米聚束SAR實(shí)時(shí)圖像

（4）聚束SAR模式。聚束SAR模式分辨率0.3m，也實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)處理。圖5為0.3米聚束SAR的實(shí)時(shí)處理圖像。

（5）滑動(dòng)聚束SAR模式。除了定點(diǎn)聚束模式，系統(tǒng)還實(shí)現(xiàn)了滑動(dòng)聚束SAR（聚束SAR模式與條帶SAR模式的混合模式），如圖6所示?；瑒?dòng)聚束模式的好處是可以擴(kuò)大成像面積（方位向?qū)挾仍黾樱┣曳直媛什粫?huì)降低，劣勢(shì)在于成像孔徑和時(shí)間上要長(zhǎng)（與相同成像距離的定點(diǎn)聚束相比）。

圖6 0.3米滑動(dòng)聚束SAR實(shí)時(shí)圖像

圖7 AMTI模式探測(cè)結(jié)果

（6）AMTI模式。SAR/MTI雷達(dá)實(shí)現(xiàn)AMTI功能是目前國(guó)際上的一個(gè)技術(shù)發(fā)展方向。本系統(tǒng)也實(shí)現(xiàn)了AMTI功能。圖7為AMTI模式空中飛行目標(biāo)探測(cè)結(jié)果，在機(jī)載雷達(dá)幾分鐘的巡航過程中，一共發(fā)現(xiàn)了6批目標(biāo)，其中最遠(yuǎn)的目標(biāo)距雷達(dá)286公里（圖中距離刻度單位5公里，方位刻度單位10°）。

4 結(jié)束語(yǔ)

SAR/MTI雷達(dá)是信息化戰(zhàn)爭(zhēng)條件下的最重要的傳感器之一，裝備有SAR/MTI雷達(dá)的偵察機(jī)與預(yù)警機(jī)、電子戰(zhàn)飛機(jī)合稱為機(jī)載情報(bào)系統(tǒng)的“鐵三角”，奪取戰(zhàn)場(chǎng)制地權(quán)、制空權(quán)、制信息權(quán)。文章對(duì)基于二維有源相控陣體制SAR/MTI雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究，并給出了試驗(yàn)結(jié)果，在一定范圍內(nèi)能夠?yàn)橛腥藱C(jī)、無(wú)人機(jī)、臨近空間飛行器等多種平臺(tái)上的戰(zhàn)場(chǎng)監(jiān)視雷達(dá)研制提供依據(jù)。

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