球載共形稀布陣綜合脈沖孔徑雷達(dá)系統(tǒng)分析

張新苗

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

法國航空航天研究院(ONERA)提出綜合脈沖孔徑雷達(dá)(synthetic impulse and aperture radar,SIAR)的概念[1-2]。SIAR能實現(xiàn)對每個發(fā)射通道的激勵信號進(jìn)行正交編碼,通過多個全向天線輻射到空間中,接收到空間回波后通過一組逆編碼系數(shù)恢復(fù)每個單元的輻射分量,并通過延時補(bǔ)償后進(jìn)行相參積累,既合成了具有高分辨力的窄脈沖回波,又能得到等效窄發(fā)射波束。同時,SIAR通過長時間相干積累,能夠獲取精度更高的多普勒分辨率,因此對慢速目標(biāo)的探測性能相對較好[3]。

為了獲得更高的雷達(dá)角度分辨率,需要較大的天線陣面,從而會導(dǎo)致天線單元數(shù)量增大和系統(tǒng)復(fù)雜度加大。這是由于在較大的天線口徑下雖然能夠?qū)μ炀€單元進(jìn)行稀布陣實現(xiàn)窄的天線波束,但是稀布陣卻具有較高副瓣,從而降低了系統(tǒng)能量利用率[4]。受地球曲率的限制,地面雷達(dá)對低空、超低空突防目標(biāo)無法實現(xiàn)遠(yuǎn)距離發(fā)現(xiàn)[4]。氣球載雷達(dá)可以在一定程度上克服地球曲率的影響,通過大型系留氣球平臺將雷達(dá)載荷升至高空進(jìn)行探測,能大幅提升雷達(dá)系統(tǒng)對低空、超低空目標(biāo)的探測距離。由于氣球載雷達(dá)系統(tǒng)一般采用下視方式工作,使得對地方向入射角度增大,且地雜波強(qiáng)度比地面雷達(dá)大得多,因此一定程度上增加了目標(biāo)檢測難度[5]。

本文針對大型系留氣球平臺,對球載共形稀布陣綜合脈沖孔徑雷達(dá)系統(tǒng)進(jìn)行了建模和仿真分析,構(gòu)建了球載共形稀布陣列,并對該稀布陣進(jìn)行方向圖仿真和優(yōu)化,針對升空工作情況下地雜波進(jìn)行仿真分析。本文研究為系留氣球掛載稀布陣綜合脈沖孔徑雷達(dá)的可行性提供了理論支撐,并為后續(xù)工程設(shè)計與應(yīng)用提供支撐。

1 稀布陣形式

球載共形稀布陣綜合脈沖孔徑雷達(dá)發(fā)射陣采用圓形陣列形式,發(fā)射天線和電子設(shè)備安裝在球體底部整流罩內(nèi)部,接收采用稀布陣列形式,接收天線單元貼裝在主囊體表面,其結(jié)構(gòu)如圖1所示,其中,稀布陣天線口徑為15 m×10 m,共形部署在球體側(cè)面,共144個單元,填充率50%,方框內(nèi)部每個點代表接收天線單元的安裝位置,發(fā)射陣方框中的點代表發(fā)射天線單元的安裝位置。

圖1 球載綜合脈沖孔徑雷達(dá)稀疏布陣形式

2 共形SIAR方向圖仿真

空間天線單元位置與目標(biāo)位置之間的矢量關(guān)系如圖2所示。一般地,在對共形SIAR的方向圖進(jìn)行仿真時,可根據(jù)各個天線單元在曲面上空間坐標(biāo)位置及單元方向圖,即可以按照共形SIAR指向要求計算出每個天線單元對應(yīng)通道的空間幅度和相位系數(shù),從而通過數(shù)字波束形成技術(shù)計算出共形陣列的天線方向性系數(shù)[6-7]。

圖2中,曲面上N個單元中第i個天線單元的空間坐標(biāo)可以表示為(Xi,Yi,Zi),i=0,1,…,N-1。第i個天線單元的電場輻射方向性系數(shù)為fi(φ,θ),其中，φ為空間方位角;θ為俯仰角;每個單元對應(yīng)的法向為(Ai,Ei),Ai為以第i個天線單元為原點的坐標(biāo)系的方位角,Ei為俯仰角。

圖2 曲面上天線單元與目標(biāo)間矢量關(guān)系

目標(biāo)方向為矢量R,對應(yīng)的球坐標(biāo)為(R,A,E),其中,R為距離;A為方位角;E為府仰角。

以坐標(biāo)原點為相位參考中心,則在目標(biāo)方向空間合成電場強(qiáng)度[8-10]可以表示為:

(1)

由于系留氣球表面的各向異性,不能直接將天線單元的方向性系數(shù)代入進(jìn)行計算,因此必須考慮目標(biāo)方位矢量與天線單元法向之間的空間關(guān)系,空間合成場強(qiáng)可以表示為:

(2)

其中,Ri為第i個天線單元與目標(biāo)之間的距離,Ri=R-ΔRi,ΔRi為第i個天線單元與坐標(biāo)原點在目標(biāo)方向上的距離差。

通過理論建模仿真,144個單元的共形稀疏陣列天線方向圖如圖3所示。

圖3 稀布接收陣方向圖

從仿真結(jié)果可以看出,加漢明窗后方位面波束寬度為2.8°,第1副瓣為-22.3 dB;俯仰面波束寬度為8.8°,第1副瓣為-14.5 dB。

3 球載SIAR地雜波建模仿真

假定雷達(dá)發(fā)射頻率為f、脈沖重復(fù)頻率為fr、雷達(dá)平臺高度為He。地面相對雷達(dá)的散射點P用下視角θ和方位角φ表示。

由于存在距離模糊和速度模糊,出現(xiàn)在距離-多普勒檢測單元中的整個地面反射雜波σc(Ri,fj)簡記為σc(i,j)，其包含一系列模糊距離-多普勒單元。每個距離-多普勒單元由2個以氣球雷達(dá)平臺下方地面為中心的恒定距離圓(ΔR)和2個恒定的等速度線(ΔF)所圍成,設(shè)斜距為R,其雜噪比[11-12]為:

Gr(θp,-φq)]D(Rp,fq)

(3)

Rp≤R≤Rp+ΔR,fq≤f≤fq+Δf

(4)

其中,Pt為雷達(dá)峰值發(fā)射功率;λ為雷達(dá)發(fā)射波長;G(θ,φ)為天線方向性系數(shù);L為系統(tǒng)損失;CB為帶寬校正因子;ΔR為距離門寬度。

對于每個雜波單元,其等效散射截面積σc為:

(5)

其中,σ0為后向散射系數(shù);φ為雷達(dá)波束擦地角;θα為雷達(dá)波束方位向?qū)挾?R為雜波單元到雷達(dá)的距離。

系留氣球平臺在空中屬于慢動平臺,平臺的慢速移動導(dǎo)致雜波展寬,對雜波背景下的目標(biāo)進(jìn)行檢測,在設(shè)計濾波器時需要考慮地雜波展寬的影響。

回波雜噪比的空域分布和頻域分布狀況如圖4所示。

圖4 回波雜噪比分布圖

由于稀布陣的副瓣較高,回波雜噪比很大,雜波很強(qiáng)。

此外,由于平臺的運動速度較低,因此雜波在頻域展寬較小,而綜合孔徑脈沖雷達(dá)同時對多個通道的回波進(jìn)行相參積累,可以通過頻域濾波的方式對地雜波進(jìn)行抑制,以提升強(qiáng)雜波背景下的目標(biāo)檢測性能。

4 SIAR探測性能分析

通過雜波建模仿真可以得到球載SIAR系統(tǒng)對地雜波改善因子需求，如圖5所示。由圖5可知，球載SIAR系統(tǒng)對地雜波改善因子比常規(guī)雷達(dá)系統(tǒng)對地雜波改善因子需求高10 dB左右,究其原因主要如下:

(1) 球載SIAR系統(tǒng)副瓣比常規(guī)雷達(dá)差,常規(guī)雷達(dá)最大副瓣一般為-30 dB左右,而球載SIAR系統(tǒng)方位副瓣則為-22.3 dB,從而導(dǎo)致地雜波強(qiáng)度比常規(guī)雷達(dá)高。

(2) 球載SIAR系統(tǒng)綜合帶寬比常規(guī)雷達(dá)窄,本文仿真條件為500 μs脈沖寬度,相參積累128個脈沖,綜合帶寬為0.256 MHz,常規(guī)雷達(dá)探測常用瞬時帶寬為2.5 MHz,常規(guī)球載雷達(dá)瞬時帶寬更高。

綜上可見,在進(jìn)行球載SIAR系統(tǒng)設(shè)計時需要從天線副瓣、探測波形優(yōu)化設(shè)計2個方面提升系統(tǒng)性能,即以天線副瓣水平為約束條件對稀布陣的形式進(jìn)行優(yōu)化,以降低稀布陣的副瓣。

此外,用更窄的脈沖、更多的相參積累脈沖數(shù)進(jìn)行探測可以增大綜合帶寬,提高距離分辨率,改善系統(tǒng)回波的信雜噪比,從而能提升系統(tǒng)探測性能,不過會導(dǎo)致系統(tǒng)運算量增大,因此需要權(quán)衡優(yōu)化設(shè)計。

圖5 雜波改善因子需求與距離分布關(guān)系

5 結(jié) 論

本文對球載共形稀布陣SIAR進(jìn)行了建模和仿真分析,構(gòu)建了球載共形稀布陣列,對該稀布陣進(jìn)行天線方向圖仿真,并針對升空工作情況下地雜波進(jìn)行了仿真分析。

研究表明,在進(jìn)行球載共形稀布陣SIAR設(shè)計時,需優(yōu)先對稀布陣副瓣水平進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計,使天線副瓣降至最低。

此外,由于球載平臺重量限制,在硬件設(shè)備運算能力允許的前提下,要盡可能使用更窄的脈沖、更多的相參積累脈沖數(shù)進(jìn)行探測以提升系統(tǒng)探測能力。