天基外輻射源雷達地雜波抑制技術(shù)研究

李雁斌 黃勇 張志俊

1.上海無線電設(shè)備研究所上海200090

天基外輻射源雷達是一個雙基地或多基地雷達系統(tǒng),其本身不使用發(fā)射機,利用導(dǎo)航、通信衛(wèi)星信號作為外輻射源,并將雷達接收機安裝在飛機、無人機、飛艇、氣球、衛(wèi)星等廣義天基平臺上,偵收空中目標對外輻射源電磁場的擾動實現(xiàn)目標探測[1?2].

在天基外輻射源雷達信號處理流程中,地雜波抑制是系統(tǒng)面臨的主要難點.傳統(tǒng)地基雷達的雜波譜主要分布在零多普勒頻率附近一個較窄的頻帶內(nèi),雜波抑制相對簡單,而天基外輻射源雷達的雜波環(huán)境更為復(fù)雜,平臺和外輻射源的自身運動使得地雜波分布具有空時二維分布特性[3?4].一方面,由于平臺運動的徑向速度分量造成地雜波譜整體的多普勒頻移;另一方面,各雜波單元由于相對平臺方位的不一致造成多普勒頻移的不一致性,進而造成主瓣雜波譜的多普勒展寬[5?6].顯然,天基外輻射源雷達的地雜波抑制與外輻射源和平臺選擇、地雜波特性密切相關(guān),因此,本文首先針對上述兩方面問題展開了詳細論述.

1 外輻射源和平臺選擇

天基外輻射源可分為兩類,一類是低軌雷達衛(wèi)星(LEO),另一類是中軌及地球同步軌道衛(wèi)星(MEO/GEO).例如,德國的TerraSAR-X和意大利的Cosmo SkyMED高分辨率雷達衛(wèi)星都屬于LEO雷達衛(wèi)星,而通信衛(wèi)星和全球定位衛(wèi)星都屬于MEO/GEO衛(wèi)星[7].

由表1可知,諸如Radarsat-2此類的LEO雷達衛(wèi)星相對于通信衛(wèi)星和全球定位衛(wèi)星具有更高的輻射功率水平,但是它的重訪周期長達24天,因此,LEO雷達衛(wèi)星無法滿足動目標探測的戰(zhàn)術(shù)需求.

盡管通信衛(wèi)星的輻射功率低于LEO雷達衛(wèi)星,但是它們與地球保持相對靜止,并通過星座組網(wǎng)實現(xiàn)全球覆蓋,可以對感興趣區(qū)域進行持續(xù)照射,因此,本文選擇GEO通信衛(wèi)星作為天基外輻射源,例如Inmarsat-4通信衛(wèi)星系統(tǒng)[8].

而安裝雷達接收機的天基平臺則采用LEO軌道的衛(wèi)星平臺,一方面可減小雷達平臺與目標的相對距離,另一方面通過寬刈幅掃描實現(xiàn)全球覆蓋.

2 地雜波特性

由于外輻射源采用地球同步軌道衛(wèi)星,其相對地面是靜止不動的,而天基平臺上雷達接收機的天線陣列與雜波散射體的幾何關(guān)系如圖1所示,雷達天線陣列采用側(cè)視陣,即天線陣元平行于雷達平臺運動方向.

表1 天基外輻射源統(tǒng)計表

圖1 外輻射源雷達與雜波散射點幾何關(guān)系

那么地面上一雜波散射點P的回波多普勒頻率為

式中,v為雷達平臺的速度,λ為雷達工作波長,?為方位角,θ為俯仰角,α為空間錐角[9?10].

以星載平臺為例,設(shè)平臺運動速度為7.5km/s,軌道高度500km,工作波長0.1m,根據(jù)圖1所示的坐標關(guān)系仿真了天基外輻射源雷達的等多普勒線和等距離線.

如圖2所示,雷達位于圖的中心,箭頭所示為雷達平臺運動方向.等多普勒線是以雷達所在位置為中心,相對于雷達運動航線對稱的雙曲線,不同顏色的等多普勒線代表具體的多普勒頻率值,單位為赫茲(Hz);等距離線是以雷達所在位置為圓心的若干同心圓,稱其為等距離圓,等距離圓的不同半徑代表不同的雙站相對距離值[11?12].

圖2 等距離線和等多普勒線

可見,在天基外輻射源雷達較寬的天線波束內(nèi),不同距離、方位角的地雜波將在互模糊函數(shù)二維平面上沿頻率維展寬,甚至淹沒相同距離處的動目標回波,這使得采用一部測量天線無法在頻率維將目標回波從雜波中提取出來.

3 地雜波抑制

目前,常用的雜波抑制技術(shù)主要有動目標指示(Moving target indicator,MTI)技術(shù)、動目標檢測(Moving target detection,MTD)技術(shù)、時間平均雜波相干機載雷達(Time average clutter coherent airborne radar,TACCAR)技術(shù)、DPCA技術(shù)和STAP 技術(shù)[13?14].

其中MTI和MTD屬于一維頻域雜波抑制技術(shù),TACCAR屬于一維時域處理技術(shù),而DPCA和STAP屬于空時二維信號處理技術(shù),可用于解決距離、方位強烈耦合的地雜波抑制問題.

3.1 DPCA方法

如圖3所示,DPCA要求天線陣列各通道沿飛行的軸向排列,且在每個脈沖重復(fù)間隔上,使后一通道的相位中心與前一通道的相位中心位置重合.這樣,相鄰兩通道接收到的任何相鄰兩幀信號可看作來自于空間中同一個固定的相位中心,利用經(jīng)典的雙脈沖對消器即可消除雜波干擾[15].

圖3 DPCA方法

3.2 STAP方法

如圖4所示,STAP方法首先將每個通道的回波與直達波進行混頻相關(guān)處理,然后通過空域FFT變換將相關(guān)結(jié)果沿方位維細分成若干子帶信號,再對每個子帶信號采用歸一化最小均方差(NLMS)濾波方法抑制地雜波干擾,最后對濾波后的每個子帶信號進行頻域FFT變換,獲得方位—速度二維平面[16].

圖4 STAP方法

4 仿真及結(jié)論

如圖5(a)所示,假設(shè)一組靜止目標和4個動目標分布在一個橢圓上,輻射源和天基雷達分布位于橢圓的兩個焦點,使得地雜波和目標回波處于雷達接收機的同一距離單元內(nèi),雷達平臺速度為7.5km/s,積累時間為1s,輻射源載頻1.5GHz,帶寬200kHz,采樣率1MHz.

圖5 地雜波抑制算法仿真

由圖5(b)可知,雙通道DPCA和STAP算法對地雜波的抑制效果相當,可使地雜波平均衰減30dB左右,而DPCA的算法復(fù)雜度較低,工程實現(xiàn)性更好,但雙通道間的均衡問題是下一步需要重點研究的方向.