星載SAR/ELINT一體化設(shè)計(jì)技術(shù)

馬志娟

（中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所 安徽省合肥市 230088）

1 引言

SAR 是一種主動(dòng)式成像傳感器，具有全天候、全天時(shí)成像能力和高分辨率、全球覆蓋的特點(diǎn)，在信息獲取方面扮演著重要角色。由于SAR 主動(dòng)成像的特點(diǎn)，還具有對(duì)電磁靜默目標(biāo)的探測能力。但受限于工作方式，SAR 也存在著單個(gè)波束工作視場較窄的缺點(diǎn)[1]。此外，隨著戰(zhàn)場環(huán)境的日趨復(fù)雜，主動(dòng)輻射電磁波的SAR 系統(tǒng)也更易受到電子干擾攻擊，戰(zhàn)場信息獲取的難度越來越大。

與SAR 不同，ELINT 是一種被動(dòng)式測量手段，不受國界和天氣條件的限制，可以大范圍、長時(shí)間獲取雷達(dá)、通信和遙測等系統(tǒng)的輻射信號(hào)，掌握電磁態(tài)勢[2]。但是ELINT 系統(tǒng)也存在著對(duì)目標(biāo)的定位精度低、難以識(shí)別確認(rèn)目標(biāo)、以及對(duì)電子靜默目標(biāo)無法檢測等缺點(diǎn)。

SAR/ELINT 協(xié)同探測，可以實(shí)現(xiàn)發(fā)現(xiàn)即引導(dǎo)，利用兩者功能互補(bǔ)，解決空域覆蓋范圍與分辨率的矛盾，解決高發(fā)現(xiàn)概率與高定位精度的矛盾。此外，ELINT 獲取目標(biāo)的電磁輻射特征和SAR 獲取的幾何特征數(shù)據(jù)可從不同角度共同刻畫目標(biāo)在全電磁譜段的不同屬性，將兩者進(jìn)行有效匹配、融合處理，可以有效提高目標(biāo)識(shí)別的置信度[3-4]。星載SAR/ELINT 協(xié)同探測有多種實(shí)現(xiàn)方式：

（1）分立式，多星體制，通過軌道設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)主被動(dòng)協(xié)同，但該方式發(fā)現(xiàn)目標(biāo)與識(shí)別確認(rèn)時(shí)間較長，時(shí)效性較差；

（2）同一衛(wèi)星上裝載兩種獨(dú)立的功能載荷，技術(shù)成熟，但其重量、體積、功耗對(duì)平臺(tái)壓力較大，系統(tǒng)效費(fèi)比低；

（3）單星多功能一體化，利用一套硬件系統(tǒng)，通過不同軟件實(shí)現(xiàn)兩種功能，其可重構(gòu)能力強(qiáng)，低成本，具備更強(qiáng)的時(shí)效性和快速響應(yīng)潛力，也是目前綜合多功能系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。

表1：功能特點(diǎn)及對(duì)系統(tǒng)要求

圖1：常用射頻傳感器所占工作頻段

圖2：最小不模糊面積

本文在分析SAR 和ELINT 技術(shù)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，開展SAR/ELINT一體化設(shè)計(jì)，在滿足不同需求的前提下，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)可重構(gòu)設(shè)計(jì)。

2 不同功能特點(diǎn)分析

表1 給出了SAR、ELINT 兩種功能特點(diǎn)及對(duì)系統(tǒng)要求。

實(shí)現(xiàn)SAR/ELINT一體化設(shè)計(jì)，要綜合考慮兩種功能特點(diǎn)、系統(tǒng)需求及搭配使用方式，在與平臺(tái)承載能力達(dá)成統(tǒng)一的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)指標(biāo)和載荷設(shè)計(jì)方案的平衡。

3 SAR/ELINT一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 體制選擇

從SAR 與ELINT 兩種功能特點(diǎn)及對(duì)系統(tǒng)要求可以看出，靈活的波束指向及陣面劃分、快速波束調(diào)度是SAR/ELINT 一體化系統(tǒng)的基本要求，因此，相控陣天線是必然選擇。數(shù)字陣列是相控陣?yán)走_(dá)的最新發(fā)展[5]，具有體系構(gòu)架簡單、數(shù)字化程度高、處理方式靈活的特點(diǎn)，帶來了雷達(dá)性能的大幅提升和重大變革。實(shí)現(xiàn)SAR/ELINT 一體化系統(tǒng)的高度綜合以及功能重構(gòu)，本文選擇數(shù)字陣列體制，同時(shí)具備以下技術(shù)優(yōu)勢：

（1）易實(shí)現(xiàn)高靈敏度高分辨率寬觀測帶成像[6]；

（2）解決傳統(tǒng)ELINT 系統(tǒng)高靈敏度與寬空域覆蓋無法兼顧的矛盾[7]；

（3）提升SAR 抗干擾能力；

（4）架構(gòu)簡單，便于硬件資源擴(kuò)展重構(gòu)。

3.2 工作頻段

SAR/ELINT 一體化系統(tǒng)工作頻段的選擇需考慮SAR 和ELINT常用工作頻段特點(diǎn)、系統(tǒng)應(yīng)用需求及工程可實(shí)現(xiàn)性。

圖1 給出了常用射頻傳感器所占工作頻段[8]?？梢钥闯?，0.5~18GHz 覆蓋了常見的射頻傳感器。理論上，工作頻率越寬，可集成的功能越多，但技術(shù)難度加大，系統(tǒng)成本急劇增加，且部分射頻功能受到限制，應(yīng)根據(jù)應(yīng)用需求選取重點(diǎn)頻段實(shí)現(xiàn)。

SAR 是一種工作于微波頻段的遙感傳感器，通過測量觀測區(qū)域后向散射系數(shù)，獲取觀測場景圖像，其后向散射系數(shù)與頻率選擇密切相關(guān)。與低頻段雷達(dá)相比，高頻段雷達(dá)更易實(shí)現(xiàn)高精度探測與跟蹤，但頻段越高，傳輸損耗越大。

綜合考慮，本文選擇6~18GHz 作為ELINT 工作頻段，X 為SAR 工作頻段開展多功能一體化設(shè)計(jì)。

3.3 天線尺寸及陣面布局

SAR/ELINT 可重構(gòu)一體化設(shè)計(jì)，則要求ELINT 與SAR 共用天線口徑。SAR 作為主動(dòng)式微波成像雷達(dá)，對(duì)系統(tǒng)功率孔徑積的需求更大，且成像指標(biāo)受天線尺寸的限制較大，所以以SAR 為主進(jìn)行天線口徑設(shè)計(jì)，ELINT 根據(jù)不同需求啟用不同部分和數(shù)量的陣元。

對(duì)SAR 系統(tǒng)來說，天線口徑與SAR 的功率孔徑積設(shè)計(jì)直接相關(guān)，決定了SAR 系統(tǒng)靈敏度和圖像質(zhì)量指標(biāo)，在設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮多個(gè)方面的限制因素。為滿足SAR 系統(tǒng)距離向和方位向模糊度要求，天線最小不模糊面積限制為：

式中，k=4 ～8（根據(jù)誤差情況取值），Vst為衛(wèi)星速度，R為作用距離，λ 為雷達(dá)波長，θ 為入射角。圖2 給出了軌道高度600km 條件下，X 波段的最小不模糊面積曲線。

對(duì)ELINT 系統(tǒng)，不同定位體制對(duì)天線要求不同。干涉儀測向是利用多個(gè)天線陣接收到電磁信號(hào)之間存在相位差來解算出入射波的空間角度，其測向精度取決于天線基線長度及相位測量精度，基線長度越大，測向精度越高；多波束比幅測向通過對(duì)空域同時(shí)存在的窄波束中相鄰波束接收到的信號(hào)幅度比較來確定信號(hào)到達(dá)方向，其定位精度主要取決于波束寬度，測向精度通常為波束寬度的十分之一。

因采用數(shù)字陣列體制，可通過天線重構(gòu)實(shí)現(xiàn)多種定位方式，圖3 是天線陣面布局及重構(gòu)示意圖，干涉儀測向時(shí)啟用紅色方塊代表七元陣子；比幅測向時(shí)啟用部分陣元合成交疊多波束；啟用全陣面形成高增益波束實(shí)現(xiàn)SAR 成像。

3.4 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

基于以上分析，本文給出了基于數(shù)字陣列體制的SAR/ELINT一體化系統(tǒng)架構(gòu)，如圖4所示，主要由綜合孔徑、綜合射頻和綜合處理三部分組成。

綜合孔徑是將SAR、ELINT多功能天線綜合到一個(gè)射頻孔徑中，能夠通過天線重構(gòu)，靈活實(shí)現(xiàn)不同模式需要的波束數(shù)目、波束寬帶、天線增益、副瓣電平等要求。采用超寬帶寬角掃描陣列天線同時(shí)滿足ELINT 及SAR 帶寬需求。

綜合射頻主要完成射頻信號(hào)的發(fā)射和接收，獨(dú)立ELINT 一般采用寬帶接收通道，SAR 采用大動(dòng)態(tài)的窄帶（相對(duì)ELINT）收發(fā)通道[9]。為實(shí)現(xiàn)SAR/ELINT一體化設(shè)計(jì)，選擇窄發(fā)寬收的綜合射頻通道，兼顧SAR/ELINT 射頻通道要求，減少系統(tǒng)的模塊種類，有效降低重量和成本。

綜合處理采用“軟件定義功能”設(shè)計(jì)思想，支持多任務(wù)、多功能線程并發(fā)同時(shí)工作，并支持任務(wù)重構(gòu)。采用通用信號(hào)處理模塊構(gòu)成的通用信號(hào)處理池，完成各任務(wù)功能的數(shù)字信號(hào)處理。

圖3：天線陣面重構(gòu)示意圖

圖4：系統(tǒng)架構(gòu)

4 結(jié)束語

（1）主被動(dòng)協(xié)同探測的應(yīng)用需求推動(dòng)著SAR/ELINT 一體化系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展。

（2）本文提出了一種基于數(shù)字陣列體制，采用超寬帶一體化天線、窄發(fā)寬收綜合射頻及通用信號(hào)處理模塊的可重構(gòu)一體化載荷，具有一定的工程可實(shí)現(xiàn)性。

（3）分析論述了技術(shù)體制、工作頻段、天線尺寸設(shè)計(jì)、SAR觀測帶寬設(shè)計(jì)等SAR/ELINT 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題，為多功能一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的工程實(shí)現(xiàn)提供參考。