分布式孔徑相參雷達預(yù)警探測技術(shù)

周寶亮 雷子健 周東明 高紅衛(wèi)

(北京無線電測量研究所,北京 100854)

1 引言

分布式孔徑雷達廣義上指空間分置的多部雷達在統(tǒng)一的控制和調(diào)度下,實現(xiàn)對目標的協(xié)同探測。按技術(shù)實現(xiàn)手段劃分,分布式孔徑雷達分為“數(shù)據(jù)級”和“信號級”協(xié)同探測兩個方面,“數(shù)據(jù)級”協(xié)同探測是利用各雷達自身探測能力(探測威力和測量精度等)獲取目標的點跡和航跡等信息進行融合處理,實現(xiàn)對目標連續(xù)、穩(wěn)定和精確的探測,傳統(tǒng)的多雷達組網(wǎng)屬于“數(shù)據(jù)級”協(xié)同探測范疇;“信號級”協(xié)同探測是綜合利用各雷達能量域(發(fā)射信號和接收信號等)和空域等資源,實現(xiàn)雷達系統(tǒng)整體探測性能的提升。按是否相參,“信號級”協(xié)同探測又分為非相參探測[1-3]和相參探測[4-6]兩方面,非相參探測是指各雷達之間信號不相參。在技術(shù)發(fā)展方面,相參探測技術(shù)大致分為三個階段:一、僅接收相參處理階段,獲得N倍相參合成增益改善(N為雷達數(shù)目);二、相參MIMO雷達階段[7-10],獲得N2倍相參合成增益改善;三、分布式孔徑相參雷達階段[11-18],獲得N3倍相參合成增益改善。三個發(fā)展階段中,分布式孔徑相參技術(shù)獲得的增益改善最大、性能提升最明顯、技術(shù)實現(xiàn)水平最高,是分布式孔徑雷達重要的發(fā)展方向。國外方面,以美國林肯實驗室為代表,進行了分布式孔徑相參技術(shù)機理研究,提出了雷達系統(tǒng)架構(gòu),研究了參數(shù)估計方法,并進行了一系列驗證試驗,試驗結(jié)果表明控制單元雷達發(fā)射延時和相位可使發(fā)射信號同時同相到達目標,獲得N3倍相參合成增益改善。由于分布式孔徑相參雷達在機動性、靈活性和擴展性等方面的優(yōu)勢,美國國家科學(xué)院提出GBX雷達概念,由兩部AN/TPY-2雷達堆疊,通過相參探測,提升反導(dǎo)識別能力[19]。國內(nèi)研究機構(gòu)和學(xué)者對分布式孔徑相參技術(shù)也表現(xiàn)出了濃厚的興趣,在分布式雷達系統(tǒng)總體、波形設(shè)計、參數(shù)估計、聯(lián)合孔徑測角、時頻同步、抗干擾[20]和成像等方面開展了卓有成效的研究,對技術(shù)進步起到了重要的推動作用,部分研究成果可直接用于雷達系統(tǒng)實現(xiàn)。

從應(yīng)用領(lǐng)域出發(fā),分布式孔徑雷達相參探測可應(yīng)用于防空反導(dǎo)、預(yù)警探測、精密跟蹤和空間目標監(jiān)視等領(lǐng)域;從適用平臺出發(fā),分布式孔徑雷達相參探測可適用于陸基、?；?、空基和天基等多種平臺。本文將針對分布式孔徑雷達相參探測在預(yù)警領(lǐng)域的應(yīng)用開展技術(shù)研究,首先分別給出了一發(fā)多收和多發(fā)多收相參合成預(yù)警探測工作原理;然后從探測威力和檢測性能兩方面對相參合成預(yù)警探測性能進行了分析;最后,通過試驗驗證了相參合成預(yù)警探測的性能優(yōu)勢。

2 相參合成預(yù)警探測工作原理

按照收發(fā)體制劃分,相參合成預(yù)警探測分為一發(fā)多收和多發(fā)多收兩種體制。相比于多發(fā)多收,一發(fā)多收相參合成預(yù)警探測具有雷達系統(tǒng)簡單、易于實現(xiàn)和成本低的特點,但多發(fā)多收相參合成預(yù)警探測性能改善更為明顯,兩種收發(fā)體制各具特點和優(yōu)勢,本節(jié)將分別介紹其工作原理。

2.1 一發(fā)多收工作原理

一發(fā)多收相參合成預(yù)警探測如圖1所示,系統(tǒng)只存在一部發(fā)射單元雷達,其余單元雷達只負責(zé)接收。

設(shè)接收單元雷達數(shù)目為N,每個接收端都存在一個回波,對所有回波進行相參合成處理,相比單元雷達能夠獲得N倍最大信噪比增益改善,如圖2所示為一發(fā)多收相參合成探測原理示意圖。

圖2 一發(fā)多收原理示意圖(獲得N倍增益)Fig.2 Schematic diagram of Multiple input Single Output (with SNR improved N)

2.2 多發(fā)多收工作原理

多發(fā)多收相參合成預(yù)警探測如圖3所示,系統(tǒng)由多部收發(fā)雷達組成,按基線間距分為短基線和長基線相參預(yù)警探測兩種情況。

2.2.1 短基線相參預(yù)警探測

短基線相參預(yù)警探測,單元雷達基線較短,可認為單元雷達之間具有相同的探測視角,基線間距滿足電磁波輻射遠場條件:

(1)

式中,R為雷達探測距離,λ為雷達工作波長。

圖3 多發(fā)多收相參探測示意圖Fig.3 Coherent detection diagram of Multiple Input Multiple Output

短基線相參預(yù)警探測工作流程如圖4所示,主要為相參搜索探測,根據(jù)搜索模式分為大空域搜索和重點區(qū)域小空域搜索。

圖4 相參合成預(yù)警探測工作流程Fig.4 Workflow diagram of early warning coherent synthesis detection

a)大空域搜索

大空域搜索情況下,采用接收相參模式對目標進行搜索,單元雷達之間發(fā)射相互正交的波形,發(fā)射波束在空間不發(fā)生干涉作用,聯(lián)合搜索波束寬度與單元雷達一致,有利于快速實現(xiàn)對大空域范圍的搜索。

接收相參模式下單元雷達不僅接收自己發(fā)射的信號也接收其他單元雷達發(fā)射的信號,中心控制處理系統(tǒng)對接收的所有回波信號進行相參合成處理,利用相參合成處理后的數(shù)據(jù)進行目標檢測。設(shè)單元雷達數(shù)目為N,通過對所有接收回波信號進行匹配濾波處理,獲得N2路回波,根據(jù)每個回波對應(yīng)的相位與延時進行接收相參合成,接收信號總功率為N4E,E為一路回波信號功率,噪聲功率為N2σ2,σ2為一路回波噪聲功率,信噪比為SNR=N2E/σ2。相比單元雷達,獲得N2倍最大信噪比增益改善,其原理如圖5所示。

圖5 接收相參原理示意圖(獲得N2倍增益改善)Fig.5 Schematic diagram of receiving coherence (with SNR improved N2)

b)重點區(qū)域小空域搜索

重點區(qū)域小空域搜索情況下,采用收發(fā)相參模式對目標進行搜索,一般情況下,收發(fā)相參搜索適用于低波段雷達系統(tǒng)。單元雷達之間發(fā)射相同波形,通過控制單元雷達發(fā)射信號的延時和相位,使發(fā)射信號在空間實現(xiàn)能量合成,同時在接收端進行接收相參合成處理,利用收發(fā)全相參合成處理后的數(shù)據(jù)進行目標檢測。但區(qū)別于收發(fā)相參合成跟蹤,收發(fā)相參合成搜索時,目標信息未知,無法通過目標信息獲取發(fā)射信號的延時相位值,可采用基于標定的參數(shù)估計方法、基于基線反演的參數(shù)估計方法等方法,這里不重點描述。

設(shè)單元雷達數(shù)目為N,發(fā)射相參和接收相參信號總功率為N2·N2E,接收相參噪聲功率為Nσ2,信噪比為SNR=N3E/σ2,相比單元雷達,獲得N3倍最大信噪比增益改善,其原理如圖6所示。

2.2.2 長基線相參預(yù)警探測

長基線相參探測單元雷達之間具有不同的探測視角,為了實現(xiàn)相參探測,除單元雷達之間要保持相參,目標回波信號也要保持一定的相參性。為了保證回波信號具有相參性,基線間距需滿足如下關(guān)系[21]:

(2)

式中,L為探測目標尺寸。

長基線相參預(yù)警探測采用接收相參模式對目標進行搜索,原理如圖5所示,獲得N2倍最大信噪比增益改善。

3 相參合成預(yù)警探測性能分析

分布式孔徑雷達相參合成預(yù)警探測分為一發(fā)多收和多發(fā)多收兩種體制,多發(fā)多收體制下系統(tǒng)又可工作于接收相參和收發(fā)相參兩種模式。其中收發(fā)相參模式工作過程最為復(fù)雜,因此本節(jié)首先針對相參合成預(yù)警探測收發(fā)相參模式下探測性能進行理論推導(dǎo)分析,然后開展接收相參模式與一發(fā)多收模式下探測性能理論分析,最后對三種模式下相參合成預(yù)警探測性能進行了仿真研究。

3.1 收發(fā)相參模式

分布式孔徑相參雷達由N部單元雷達組成,收發(fā)相參模式下,各單元雷達發(fā)射相參波形,聯(lián)合天線增益[22-23]為:

(3)

式中,P(θ,φ)是在(θ,φ)方向的輻射強度,P(θ,φ)max是天線的最大輻射強度,Gt為單元雷達天線增益,γ為增益系數(shù),當單元雷達間距等于半波長整數(shù)倍時,γ=1,分布式孔徑相參合成雷達的單元雷達間距一般在幾十倍波長以上,在此條件下,γ的取值隨距離變化在1上下振蕩,且隨距離增大逐漸趨近于1。

單元雷達發(fā)射功率為Pt,由于天線各向同性輻射,分布式孔徑相參合成雷達總功率為P=NPt。離雷達半徑為R的球體的表面積為4πR2,則沿波束軸方向功率密度為:

圖6 收發(fā)相參階段原理示意圖(獲得N3倍增益改善)Fig.6 Schematic diagram of transmitting and receiving coherence (with SNR improved N3)

(4)

波束軸上距離為R,雷達散射截面(RCS)為σ的目標攔截部分發(fā)射信號并各向同性輻射,則雷達處功率密度為:

(5)

若分布式孔徑相參合成雷達有效接收面積為Ar,則雷達接收回波功率為:

(6)

由天線理論可知,收發(fā)共置的天線其接收增益等于發(fā)射增益,天線增益和有效面積之間有以下關(guān)系:

(7)

則雷達接收回波功率可表示為:

(8)

其中

(9)

為單元雷達單獨工作時的接收功率,Gr為單元雷達天線接收增益,同樣由天線理論知,Gr等于Gt。

分布式孔徑相參合成雷達接收機輸出噪聲功率表示為:

N0=kTsBn

(10)

式中,k為玻爾茲曼常數(shù),Bn為接收機帶寬;Ts為系統(tǒng)輸入噪聲溫度。

當接收機實際輸出信噪比S/N0等于可靠檢測最小輸出信噪比SNRmin,即S/N0=SNRmin時,可得分布式孔徑相參合成雷達最大作用距離為:

(11)

式中τ=1/Bn為等效脈沖寬度。

考慮實際傳播路徑與系統(tǒng)損耗影響,分布式孔徑相參合成雷達最大作用距離表示為:

(12)

式中,Ft為發(fā)射方向圖傳播因子,Fr為反射方向圖傳播因子,CB為帶寬修正因子,L為系統(tǒng)損耗。

分布式孔徑相參合成雷達基線間距一般在幾十倍波長以上,γ≈1,上式可改寫為:

(13)

即收發(fā)相參模式下,分布式孔徑相參合成雷達威力等效于一個相同功率孔徑積的大雷達威力。

3.2 接收相參模式

接收相參模式下,各單元雷達發(fā)射正交波形,總功率仍為P=NPt。由于波形正交性在空間不進行相參合成,沒有發(fā)射增益改善,只有接收增益改善,相當于幾個單發(fā)多收系統(tǒng)的結(jié)合,因此接收相參模式下分布式孔徑相參合成雷達最大作用距離表示為:

(14)

3.3 一發(fā)多收模式

N個孔徑接收回波信號,通過相參合成,相比單元雷達能夠獲得N倍最大信噪比增益改善,最大作用距離可表示為:

(15)

3.4 性能仿真分析

3.4.1 探測威力性能分析

由上述分析可知,分布式孔徑相參合成雷達工作于一發(fā)多收模式時,探測威力提高N0.25倍;多發(fā)多收接收相參模式時,探測威力提高N0.5倍;多發(fā)多收收發(fā)相參模式時,探測威力提高N0.75倍,探測威力較單元雷達改善如圖7所示。

圖7 探測威力性能分析Fig.7 Performance analysis of radar detection power

3.4.2檢測性能分析

在Swerling5型目標(恒定RCS),虛警概率為10-6條件下開展分布式孔徑相參合成雷達檢測性能分析,表1給出了Pfa=10-6時檢測概率與信噪比的關(guān)系,通過表1可以發(fā)現(xiàn),當信噪比為11 dB時,檢測概率僅為44.34%,但當信噪比提升3 dB,為14 dB時,檢測概率達到97.17%,說明信噪比的改善對于檢測性能的提升十分明顯。

表1 Pfa=10-6時檢測概率與信噪比的關(guān)系

分布式孔徑相參合成雷達工作于一發(fā)多收模式時,其信噪比提高N倍;多發(fā)多收接收相參模式時,其信噪比提高N2倍;多發(fā)多收收發(fā)相參模式時,其信噪比提高N3倍。圖8給出了不同雷達數(shù)目條件下多發(fā)多收接收相參合成檢測性能仿真結(jié)果。

圖8 多發(fā)多收接收相參合成檢測性能分析Fig.8 Detection performance analysis of Multiple Input Multiple Output receiving coherence

4 相參合成預(yù)警探測試驗

4.1 試驗系統(tǒng)簡介

為了驗證相參合成預(yù)警探測性能,利用兩部低頻段米波相控陣雷達構(gòu)建了一發(fā)兩收相參合成預(yù)警探測試驗系統(tǒng),試驗系統(tǒng)由收發(fā)天線站(主站)、僅接收天線站(副站)、電子設(shè)備艙和標校車組成,如圖9所示為試驗系統(tǒng)示意圖,電子設(shè)備艙完成相參合成預(yù)警探測信號處理,目標檢測和數(shù)據(jù)處理等工作。

圖9 一發(fā)兩收相參合成預(yù)警探測試驗系統(tǒng)示意圖Fig.9 Diagram of early warning coherent synthesis detection of Two Input Single Output test system

4.2 試驗結(jié)果分析

利用試驗系統(tǒng),對飛機目標開展了相參合成預(yù)警探測試驗,通過錄取單元雷達與相參合成回波數(shù)據(jù),開展相參合成性能與相參探測性能分析。

4.2.1 相參合成性能分析

如圖10所示為相參合成搜索飛機目標試驗結(jié)果,由圖10可以看出,該波位回波存在著3個目標。

對于目標1,其相參合成結(jié)果如圖11所示,主站信號幅度為338.3,副站信號幅度為859.5,合成后信號幅度為1196,合成效率為99.85%,接近于幅度改善理論值。

圖10 相參合成搜索飛機目標試驗結(jié)果Fig.10 Result of coherent synthesis search test of aircraft

圖11 目標1相參合成結(jié)果Fig.11 Coherent synthesis result of target 1

目標2和目標3相參合成結(jié)果如圖12所示,目標2主站信號幅度為296.4,副站信號幅度為176.1,合成后信號幅度為472.1,合成效率達到99.92%;目標3主站信號幅度為127.3,副站信號幅度為85.38,合成后信號幅度為210.7,合成效率達到99.07%。對于目標3,雖然其回波信號幅度較小,但相參合成效果依然接近于理論值,充分驗證了相參合成算法在實際應(yīng)用中的有效性。

圖12 目標2與目標3相參合成結(jié)果Fig.12 Coherent synthesis results of target 2 and 3

4.2.2 相參探測性能分析

試驗過程中分別對主站雷達搜索的點跡和相參合成搜索的點跡進行關(guān)聯(lián)形成航跡,并同時在顯控軟件上進行顯示,有利于直觀的比較相參合成搜索性能。

圖13為對飛機目標相參搜索航跡結(jié)果,紫紅色曲線代表單元雷達形成的航跡,綠色曲線代表相參合成形成的航跡。從圖中可以看出,相參合成預(yù)警探測相比于單元雷達能夠提前發(fā)現(xiàn)飛向雷達的目標,同時對遠離雷達的目標能夠形成更長距離的航跡,驗證了相參合成預(yù)警探測的性能優(yōu)勢。

圖13 第一次飛機目標相參搜索航跡結(jié)果Fig.13 The first time coherent synthesis search tracks of aircraft targets

圖14為另一次對飛機目標相參搜索航跡結(jié)果,從圖中可以看出,相參合成預(yù)警探測能夠?qū)δ繕诵纬煞€(wěn)定航跡,并能夠持續(xù)一段時間,而單元雷達不能穩(wěn)定形成航跡,同時,相對于單元雷達能夠?qū)δ繕诵纬筛L距離的航跡跟蹤。

圖14 第二次飛機目標相參搜索航跡結(jié)果Fig.14 The second time coherent synthesis search tracks of aircraft targets

針對典型場景進行相參合成預(yù)警探測性能分析與討論。如圖15所示為相參合成搜索航跡結(jié)果,航跡1目標遠離雷達飛行,當達到一定飛行距離后,單元雷達不能穩(wěn)定形成航跡,而相參合成探測依然能夠穩(wěn)定形成航跡,并能夠持續(xù)一段時間。航跡2目標只有相參合成探測形成了連續(xù)穩(wěn)定的航跡。

圖15 相參搜索航跡結(jié)果Fig.15 Result of coherent synthesis search tracks

圖16給出了圖15中單元雷達航跡1以及相參合成探測航跡1的回波幅度值,由圖16可以看出,相參合成探測航跡比單元雷達航跡要長,對應(yīng)的點跡數(shù)目多,并且相參合成探測航跡回波幅度值較單元雷達回波幅度值改善明顯,驗證了相參合成預(yù)警探測優(yōu)勢。

圖16 單元雷達航跡與相參聯(lián)合航跡回波幅度對比圖Fig.16 Echo amplitude comparison between unit radar and coherent synthesis radar

5 結(jié)論

本文首先分別給出了一發(fā)多收和多發(fā)多收相參合成預(yù)警探測工作原理;然后分別從探測威力和檢測性能兩方面對相參合成預(yù)警探測性能進行了分析;最后,通過試驗驗證了相參合成預(yù)警探測的性能優(yōu)勢。通過試驗得出如下結(jié)論:

(1)飛機目標試驗中,多目標相參合成效果接近理論值,驗證了搜索多運動目標條件下相參合成性能;(2)飛機目標試驗中,相參合成預(yù)警探測性能穩(wěn)定,航跡連續(xù),通過與單元雷達搜索航跡比較,相參合成預(yù)警探測距離更遠,能夠提早發(fā)現(xiàn)目標,形成穩(wěn)定航跡,具有明顯的探測優(yōu)勢。