地基分布式相參雷達技術(shù)研究綜述

劉泉華 張凱翔 梁振楠 曾 濤 龍 騰

（1.北京理工大學(xué)信息與電子學(xué)院雷達技術(shù)研究所，北京 100081；2.衛(wèi)星導(dǎo)航電子信息技術(shù)教育部重點實驗室（北京理工大學(xué)），北京 100081；3.北京理工大學(xué)重慶創(chuàng)新中心，重慶 401135）

1 引言

現(xiàn)代先進雷達系統(tǒng)須滿足抗毀頑存、廣域覆蓋、精確識別等需求，分布式相參雷達作為以跨平臺信號級協(xié)同為基本特征的新體制雷達為滿足上述需求提供了技術(shù)途徑。分布式雷達由多部單元雷達分置部署、協(xié)同工作實現(xiàn)目標(biāo)探測識別。與分布式雷達相關(guān)的常見概念包括：雙多基地雷達［1-2］、外輻射源雷達［3-4］、多輸入多輸出（Multi-Input Multi-Output，MIMO）雷達［5-6］、網(wǎng)絡(luò)化雷達［7-8］等。這些雷達廣義上均可認為是分布式雷達或MIMO 雷達，但狹義上的細微差別體現(xiàn)在兩個方面：1）在部署方式上，雙多基地雷達采用收發(fā)分置、異址部署的方式，外輻射源雷達和網(wǎng)絡(luò)化雷達采用異址部署方式，MIMO 雷達和分布式雷達兩種部署方式均可采用；2）在協(xié)同方式上，雙多基地雷達、外輻射源雷達和MIMO 雷達采用信號級協(xié)同方式，網(wǎng)絡(luò)化雷達采用數(shù)據(jù)級協(xié)同方式，而分布式雷達兩種協(xié)同方式均可采用。

傳統(tǒng)雷達只有空、時、頻、極化、能量域等資源，而分布式雷達擁有節(jié)點域資源，其節(jié)點規(guī)模、拓撲結(jié)構(gòu)靈活，且不局限于自身發(fā)射和接收，亦可使用非合作發(fā)射源，這些資源為獲得探測信息增量提供了物理基礎(chǔ)。分布式相參雷達各節(jié)點間可實現(xiàn)信號級信息相參融合，具有聚能量、增信息、廣覆蓋、抗毀傷等四大優(yōu)勢。

（1）聚能量，合成大發(fā)射功率、大天線口徑，探測威力強：可突破單基地雷達功率、尺寸、重量，可擴展；可形成超大孔徑、超大功率的巨型雷達，匯聚能量探測極遠目標(biāo)。

（2）增信息，觀測維度多，目標(biāo)辨識準(zhǔn)、定位精度高：可多視角觀測，可獲得空域分集增益，提升隱蔽目標(biāo)觀測可能性，目標(biāo)識別能力強；陣列基線長，可提高目標(biāo)角度分辨力與測量精度。

（3）廣覆蓋，時空連續(xù)覆蓋，觀測效率高：空間分散，節(jié)點可升空及前置部署，突破視距限制。

（4）抗毀傷，協(xié)同方式靈活，對抗軟硬殺傷：可機動部署，接收節(jié)點電磁靜默，生存能力強；多節(jié)點去中心化，可靠性強、抗毀能力強；可對抗主瓣干擾，對抗能力強。

因此，分布式相參雷達體制是未來雷達形態(tài)的重要發(fā)展方向之一。分布式雷達根據(jù)雷達所處平臺可分為天基、臨近空間平臺、空基、地基、?；?，受篇幅所限，本文聚焦于地基分布式雷達系統(tǒng)。本文重點介紹地基分布式相參雷達發(fā)展的新趨勢和新技術(shù)，以及相應(yīng)的關(guān)鍵問題和解決方案，并對分布式雷達體制的前景進行展望。

2 分布式相參增程探測技術(shù)

雷達探測威力主要取決于功率孔徑積，距離測量精度主要取決于回波信噪比（Signal-to-Noise Ra?tio，SNR）與信號帶寬，角度測量精度主要取決于回波SNR 與天線口徑［9-10］。因此，面對遠程微弱目標(biāo)探測識別需求，大口徑寬帶雷達應(yīng)運而生。例如，美國在1998 年研制了X 波段地基雷達XBR 的原型雷達GBR-P，天線直徑12.5 m，探測威力超過2000 km［11-12］；在2005年開發(fā)了X波段?；走_SBX，天線直徑22.1 m，探測威力超過3000 km［13］。然而，大口徑雷達存在機動部署難、生存能力差、造價成本高等缺點。當(dāng)目標(biāo)距離較遠時，單部雷達無法探測到目標(biāo)，分布式相參雷達可在空間上實現(xiàn)功率合成，有效地提升SNR，提高探測威力［14-15］。在發(fā)射與接收全相參條件下，具有N個單元雷達的分布式全相參雷達可實現(xiàn)N3倍的SNR增益［14］。

美國麻省理工學(xué)院在1963 年開展了四部工作頻率為2270 MHz 的拋物面天線雷達相參試驗，部署在邊長為60 ft 的正方形四個頂點，共用同一本振源作為相位基準(zhǔn)，通過相位校準(zhǔn)同時跟蹤飛機目標(biāo)，驗證了該系統(tǒng)可提高SNR［16-17］。1964 年3 月，文獻［18］利用多個相參接收單元實現(xiàn)智能自適應(yīng)天線，提出自相位（Self-Phasing）天線概念。2000 年美國林肯實驗室提出分布式孔徑全相參雷達是下一代雷達（Next Generation Radar，NGR）的發(fā)展方向［19-20］。該雷達體制工作過程如下：各雷達發(fā)射正交波形、工作在MIMO接收相參模式，估計各節(jié)點間時延、相位差等相參參數(shù)后，發(fā)射相同波形、工作在全相參模式。2004 年至2005 年間，美國林肯實驗室先后用2部X 波段實驗系統(tǒng)開展分布式全相參雷達外場實驗，探測水塔、飛機與火箭等目標(biāo)，聲稱接收相參合成SNR 增益達到6 dB、全相參合成SNR 增益達到9 dB［16］。美國軍方與林肯實驗室簽署合同，對現(xiàn)有兩部AN/MPS-36 雷達（工作頻率為5400～5900 MHz）開展NGR 升級改造并開展全相參實驗［21］。2007年，美國國防部資助美國應(yīng)用雷達公司開展X 波段分布式相參合成孔徑（Coherent Distrib?uted Aperture，CDA-AESA）技術(shù)研究［22］。日本部署了FPS-7新型陸基反導(dǎo)預(yù)警雷達，該雷達采用分布式天線技術(shù)，提高了靈敏度與探測范圍［23］。2017年，美國約翰霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實驗室研制了兩臺1 GHz工作頻率的相干分布式發(fā)射機，相距85 m，實現(xiàn)了接近理想值6 dB的增益［24］。2014年，美國海軍研究辦公室授予雷聲公司一份價值850萬美元的合同，設(shè)計“靈活分布式陣列雷達（Flexible Distributed Array Radar，F(xiàn)lexDAR）”。2021 年，雷聲公司Flex?DAR 試驗樣機交付美國海軍［25-26］。FlexDAR 由兩部S 波段陣元級數(shù)字陣列組成，可實現(xiàn)分布式雷達跟蹤，且各陣列具備同時進行雷達監(jiān)視、通信與電子戰(zhàn)的能力。上述兩部陣列分別部署于馬里蘭州切薩皮克灣和弗吉尼亞州美國宇航局沃洛普斯飛行基地，相距約120.7 km，通過多路高速光纖以太網(wǎng)互聯(lián)以及一路模擬信號提供公共時鐘用于數(shù)據(jù)傳輸和同步1NRL demonstrating advanced distributed radar concepts with FlexDAR,https://www.nrl.navy.mil/Media/News/Article/2712331/nrl-demonstrating-advanceddistributed-radar-concepts-with-flexdar/ 2021,7,29.。

國內(nèi)方面，2013 年，北京無線電測量研究所開展了窄帶分布式陣列相參合成雷達技術(shù)研究［14］，采用P 波段雷達系統(tǒng)開展試驗，MIMO 模式下SNR 增益約6 dB，發(fā)射接收全相參模式下SNR 增益約9 dB。2017 年，北京無線電測量研究所用C 波段兩單元雷達系統(tǒng)開展線饋接收相參試驗［15］，實現(xiàn)SNR增益的6 dB 提升，開展空饋試驗，接收相參實測SNR 增益約為5.76 dB，收發(fā)相參實測SNR 增益優(yōu)于8.44 dB；該單位后續(xù)開展了C 波段單脈沖、相控陣體制與X 波段相控陣體制雷達分布式相參試驗，實現(xiàn)了對飛機、衛(wèi)星等運動目標(biāo)的跟蹤［27］。2016年，筆者所在的北京理工大學(xué)雷達技術(shù)研究所（下文簡稱北理工雷達所）提出了一種基于頻率步進信號的寬帶分布式全相參技術(shù)［16］，利用頻率步進信號瞬時窄帶合成寬帶的特性，獲得寬帶雷達的高距離分辨性能，同時放寬了對時間同步的要求；研制了Ka 波段分布式全相參雷達實驗系統(tǒng)，實現(xiàn)了兩單元雷達512 MHz 帶寬、7.4 dB 的全相參增益。2019 年，清華大學(xué)開展了基于微波光子學(xué)的分布式相參孔徑雷達（Distributed Coherent Aperture Radar，DCAR）的研究［28］，提出了一種基于光子學(xué)的寬帶DCAR 系統(tǒng)，進行了兩單元X波段DCAR系統(tǒng)原理驗證實驗，實現(xiàn)了全相參模式下8.3 dB 的SNR 增益。西安電子科技大學(xué)開展了對動平臺下分布式相參合成技術(shù)的研究［29］，仿真得到多輸入單輸出（Multiple-Input Single-Output，MISO）、MIMO 和全相參模式的SNR增益分別為2.92 dB、5.91 dB 和8.95 dB，均與理論值基本相符。2020 年，電子科技大學(xué)研究了分布式雷達的相參性能，對窄帶和寬帶分布式雷達的接收相參增益進行理論和仿真分析，并對相參合成空域范圍進行研究［30-31］。分布式相參雷達具有可達千米數(shù)量級的基線，探測目標(biāo)時的工作場景常屬于近場，目標(biāo)相對于不同雷達的角度存在較大差異，反射到各雷達處的回波相參特性受到破壞［32］。對于該問題，2020 年，中國電子科技集團公司第三十八研究所提出了一種改善近場全相參探測性能的方法，對分辨單元進行精細刻畫，將大散射點目標(biāo)分為多個強散射點目標(biāo)，對多個強散射點目標(biāo)反射的回波進行相參積累，并通過仿真驗證了該方法提高近場全相參探測增益的可行性［32］。

分布式相參雷達能夠?qū)崿F(xiàn)增程探測，可構(gòu)建巨型陣列進行深空探測，突破現(xiàn)有雷達探測極限。2017年，美國提出了深空先進雷達概念（Deep Space Advanced Radar Capability，DARC）項目［33］，2017 至2021 年開展技術(shù)方案分析與驗證，研發(fā)原理樣機；2025 年完成深空探測雷達建設(shè)［33］。2021 年，DARC項目開啟建設(shè)進程，在英國建設(shè)深空先進雷達站，分別用6 部和10 部拋物面天線進行發(fā)射和接收，聲稱可探測地球同步軌道上足球大小尺寸的目標(biāo)［33］。2022 年，北理工雷達所發(fā)表了分布式相參雷達深空探測技術(shù)初步成果［34］，并聯(lián)合相關(guān)單位建設(shè)“超大分布式孔徑雷達高分辨率深空域主動觀測設(shè)施”。該設(shè)施由多部25 m～30 m 孔徑的分布式雷達組成，就像昆蟲的復(fù)眼，故命名為“中國復(fù)眼”雷達；建成后可觀測0.15 Tm 范圍內(nèi)的小行星，將是世界探測距離最遠的雷達，可滿足近地小行星防御、行星形成機理探索等研究需求。該設(shè)施第一期系統(tǒng)由4部16 m 分布式孔徑雷達組成，已成功獲得了對月球觀測的雷達圖像。

分布式相參雷達在空間、時間方面存在約束條件。根據(jù)文獻［35］在空間方面，天線尺寸La需滿足如下約束

其中RT為發(fā)射機到目標(biāo)的距離，ρr為距離分辨率，λ為波長，x和y分別表示目標(biāo)尺寸的橫縱坐標(biāo)的大小，min（·）表示最小值。在時間方面，相干積累時間t需滿足如下約束

其中Tm為數(shù)據(jù)率，Tre為波束的駐留時間。對于分布式相參雷達的工作場景，考慮到目標(biāo)角度范圍很小，目標(biāo)起伏對相參的影響很小。對于分布式相參增程探測技術(shù)，有觀點認為單部雷達節(jié)點需要滿足目標(biāo)探測的信噪比，否則單部雷達探測不到目標(biāo)、無法估計相參參數(shù)，從而無法實現(xiàn)收發(fā)全相參；因此這項技術(shù)是“錦上添花”而不是“雪中送炭”。筆者認為，該技術(shù)的確更適用于有先驗信息引導(dǎo)下的跟蹤探測模式；在搜索截獲模式下，單部雷達信噪比低，可以通過長時間積累方式提升信噪比，逐步轉(zhuǎn)入全相參模式；對于單部雷達已能夠探測目標(biāo)的情形，通過分布式相參合成提升信噪比，“錦上添花”進一步提升目標(biāo)識別性能也是很有意義的。未來隨著技術(shù)不斷進步和發(fā)展，有望實現(xiàn)真正發(fā)射相參，即無需發(fā)射正交波形、隨時隨地實現(xiàn)分布式收發(fā)全相參，讓分布式空間相參成為雷達的固有屬性，即可破解上述矛盾。

3 分布式相參成像技術(shù)

本文所述分布式相參成像指分布式逆合成孔徑（Inverse Synthetic Aperture Radar，ISAR）成像。分布式ISAR 通過結(jié)合實孔徑陣列與綜合孔徑，實現(xiàn)對運動目標(biāo)的高分辨成像。

傳統(tǒng)的ISAR 成像模型需要長時間的孔徑積累，并且要求目標(biāo)在積累期間近似做平穩(wěn)運動［36］，通常需要在ISAR 成像時間內(nèi)目標(biāo)轉(zhuǎn)角較小，并且沒有速度變化和姿態(tài)變化，否則會導(dǎo)致成像發(fā)生模糊，不能聚焦。由于目標(biāo)的運動軌跡和運動參數(shù)通常是未知的，難以精確獲知目標(biāo)的運動信息來修正。

分布式ISAR 成像技術(shù)同時利用多個雷達通道對目標(biāo)進行觀測，縮短了成像積累時間，可認為目標(biāo)在積累期間始終是平穩(wěn)運動的，在較短時間內(nèi)實現(xiàn)了目標(biāo)的大轉(zhuǎn)角成像，從而克服了單基地ISAR孔徑積累時間長的瓶頸。分布式ISAR 成像技術(shù)可以通過多天線配置獲取更充分的目標(biāo)信息，即利用各通道的位置關(guān)系將回波進行相參處理，從而得到目標(biāo)的運動速度、姿態(tài)和軌跡等信息，提高了成像質(zhì)量。分辨率提升需滿足一定條件，如在文獻［37］指出，若分布式ISAR 對目標(biāo)的觀測共面（指目標(biāo)的旋轉(zhuǎn)矢量垂直于分布式雷達構(gòu)成的平面），則可以通過估計目標(biāo)的等效轉(zhuǎn)速與分布式雷達對目標(biāo)觀測的視角差對不同支撐區(qū)域的目標(biāo)數(shù)據(jù)進行融合成像，提高所獲目標(biāo)圖像的分辨率。此外，對于長基線部署的分布式雷達，可以對目標(biāo)進行多視角觀測，可較好避免遮擋問題。在相同的分辨率指標(biāo)下，雷達在空間上采用稀疏布陣可以降低成本，但是稀疏布陣下會出現(xiàn)柵瓣或混疊等問題。根據(jù)相對運動原理，目標(biāo)的運動可以等效雷達沿運動反方向運動對其進行觀測，等效的空間采樣間隔由目標(biāo)運動速度與雷達脈沖重復(fù)頻率PRF 共同決定的。由于雷達PRF通常較高，ISAR在空間的采樣一般都能滿足混疊要求。因此，在分布式ISAR 成像中，利用ISAR 的等效空間采樣來填充分布式雷達的稀疏采樣間隔，從而避免產(chǎn)生柵瓣實現(xiàn)高分辨［38］。

分布式ISAR 成像分為相參和非相參融合方法。相參融合可分為回波域融合和圖像域融合，由于相參成像過程純線性運算，回波域融合和圖像域融合本質(zhì)上沒有不同。非相參融合方法采用的是多視角圖像的散射點配準(zhǔn)融合方式。

國外，針對單基地雷達ISAR 成像能力受限的問題，澳大利亞昆士蘭大學(xué)于2005年發(fā)表了多基地ISAR 成像相關(guān)論文，證明了多基地ISAR 成像的可行性［39］。2012年，針對單部雷達系統(tǒng)分辨率有限的問題，意大利羅馬大學(xué)提出了一種利用多個空中雷達同時獲取數(shù)據(jù)來提高運動目標(biāo)成像分辨率的新技術(shù)［40］。2020年，美國得克薩斯大學(xué)達拉斯分校討論和開發(fā)了近場MIMO-ISAR毫米波成像系統(tǒng)，將MIMO雷達與單像素圖像重建算法相結(jié)合［41］。2021年，針對移動的剛性目標(biāo)MIMO-ISAR 成像問題，東芝歐洲研究中心詳細研究了近距離非合作剛性目標(biāo)高分辨率成像方法以及運動補償算法［42］。

國內(nèi)，2006 年，針對單站ISAR 雷達不能對沿雷達視線方向飛行的目標(biāo)成像的問題，空軍預(yù)警學(xué)院研究了雙基地ISAR 成像原理及成像分辨率等相關(guān)特性［43］。2009 年左右，針對傳統(tǒng)ISAR 成像要求目標(biāo)平穩(wěn)運動的問題，國防科技大學(xué)提出MIMOISAR，結(jié)合分布式實孔徑與ISAR 等效時間采樣，采用多個天線通道或多個雷達同時對目標(biāo)進行觀測，將所有獲取的回波進行聯(lián)合處理，最終實現(xiàn)成像［44］。2010年，針對雙基地ISAR 成像平面變化大、精確測距測速困難的問題，陸軍工程大學(xué)對雙基地ISAR的成像平面模型、回波模型及速度補償?shù)葐栴}做了分析［45-46］。同年，針對傳統(tǒng)成像方法對非合作運動目標(biāo)成像困難的問題，國防科技大學(xué)提出了基于MIMO 雷達的高分辨成像方法，并對相關(guān)成像特性進行了分析［47-48］。2018 年，為了增加信息量，提高雷達成像性能，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)對分布式雷達空間譜成像理論進行了研究，將ISAR 成像與譜估計方法結(jié)合起來［49］。2020年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)提出一種分布式ISAR 成像方法，對多站回波先補償不同雷達間相位，然后將不同雷達觀測的中心多普勒頻率與載頻對齊，分別進行方位向傅里葉變換，在頻域進行圖像融合得到合成ISAR圖像［50］。

北理工雷達所對分布式相參成像做了系統(tǒng)的研究。2015 年，研究了基于圖像熵的分布式相參ISAR 高分辨成像方法［38］，配置多部接收天線，各自使用最小化圖像熵法估計轉(zhuǎn)動中心與轉(zhuǎn)動角速度，并基于后向投影法進行成像，然后對各接收站的圖像進行融合重建。2021 年，針對單視角下目標(biāo)角閃爍及自我遮擋現(xiàn)象導(dǎo)致的干涉式逆合成孔徑雷達（Interferometric Synthetic Aperture Radar，InISAR）三維圖像信息缺失問題，提出了一種基于三維點云配準(zhǔn)的多視角InISAR三維圖像融合算法［51］；配置多部InISAR 系統(tǒng)，獲得不同觀測視角下的目標(biāo)In?ISAR 三維點云，然后將多個視角下獲得的目標(biāo)In?ISAR 三維點云進行配準(zhǔn)，實現(xiàn)非相參融合，得到包含更完整信息的目標(biāo)三維點云。2022 年，提出了基于參數(shù)化運動補償?shù)姆植际降鼗走_成像技術(shù)［34］。

分布式相參成像在戰(zhàn)場態(tài)勢感知和民航管制等軍事及民用領(lǐng)域中具有重要的研究價值，在雷達目標(biāo)識別中有著巨大潛力。目前的研究成果具有一定的理論意義和應(yīng)用價值，但仍然存在著諸多未解決的問題，需繼續(xù)研究和不斷完善。低信噪比下，常規(guī)的ISAR 成像算法結(jié)果信噪比不高，散射點提取性能不佳，成像點數(shù)少，需要研究如何提升信噪比以及如何更有效地提取散射點；針對非合作復(fù)雜運動目標(biāo)，其非平穩(wěn)變化導(dǎo)致成像分辨率有限，需要研究更有效的非合作復(fù)雜運動目標(biāo)成像算法。

4 分布式相參抗干擾技術(shù)

電磁干擾已經(jīng)成為制約單基地雷達工作效能的瓶頸問題［52-55］。當(dāng)干擾信號從天線旁瓣進入雷達時，雷達可采用空域自適應(yīng)濾波在干擾方向形成零陷，有效抑制旁瓣干擾［56］；干擾信號從雷達天線主瓣進入則形成主瓣干擾，干擾效率極高，常規(guī)空域形成零陷方法失效［57］。近年來抗干擾技術(shù)也不斷發(fā)展［58-61］，單基地雷達各種抗干擾手段對主瓣邊沿噪聲干擾、占空比較小的欺騙式干擾有一定效果，但難以解決密集假目標(biāo)、壓制噪聲等多干擾并存、協(xié)同的主瓣干擾問題。因此，如何有效地抑制主瓣干擾，同時保持目標(biāo)能量不受損，實現(xiàn)對目標(biāo)有效探測與高精度測量，是現(xiàn)代雷達在復(fù)雜電磁環(huán)境中面臨的核心難題之一。

分布式雷達具有較高的角度分辨力與角度測量精度，因此在主瓣干擾抑制方面有巨大潛力［62-63］。2008 年和2012 年，美國導(dǎo)彈防御局授予了美國應(yīng)用雷達公司（Applied Radar Inc）兩期合同，價值150萬美元，開展“分布式孔徑雷達自適應(yīng)主瓣干擾抑制”項目研究，旨在解決單基地雷達主瓣干擾問題，采用多部X 波段地基雷達開展試驗，具體途徑和結(jié)果未披露2Adaptive distributed aperture radar mainlobe jammer suppression (phase 1),https://www.sbir.gov,2008.，3Adaptive distributed aperture radar mainlobe jammer suppression (phase 2),https://www.sbir.gov,2012.。2015 年美國北部科技公司（Upstate Sci?entific Inc）和戴頓大學(xué)提出分布式雷達體制可提升抗電磁干擾能力，并在紐約格里菲斯商業(yè)科技園（Griffiss Business and Technology Park）開展了分布式雷達抗主瓣干擾試驗［64］。五部雷達稀疏部署在76 m 長的基線上，分別發(fā)射正交信號，經(jīng)空時頻聯(lián)合處理后可抑制主瓣干擾?！笆濉背跗?，北理工雷達所提出了分布式雷達廣義自適應(yīng)主瓣干擾抑制方法，其核心思想是在主雷達周邊稀疏部署少量只接收不發(fā)射的輔助接收陣列，將主雷達面臨的主瓣干擾變?yōu)榉植际嚼走_的旁瓣干擾，在空時頻多域?qū)崿F(xiàn)聯(lián)合對消。2016 年，采用S 波段分布式雷達試驗系統(tǒng)進行了分布式雷達抗主瓣干擾試驗［65］，試驗使用了四個節(jié)點雷達采用一發(fā)多收、一主多輔的體制，通過空域預(yù)白化處理算法成功對主瓣噪聲壓制式干擾進行了抑制，信干噪比改善達到了30 dB 以上。近年來，北理工雷達所持續(xù)開展針對分布式雷達抗主瓣干擾的外場試驗，驗證了分布式雷達抗主瓣干擾的可行性［66］。

分布式雷達抗主瓣干擾在實際的應(yīng)用中同樣也存在一些問題和瓶頸：當(dāng)輔助接收陣列的天線增益小于主陣，在相參處理后是否會引入大量輔助陣列噪聲造成信噪比損失；超稀疏布陣的柵瓣是否會導(dǎo)致干擾抑制性能的惡化等。本文對這些問題展開簡要分析與闡述。

4.1 輔助陣列噪聲問題

為分析輔助陣列的增益對信噪比的影響，本文考慮一個一主多輔、一發(fā)多收的分布式雷達系統(tǒng)。針對單個主瓣干擾場景，分析信噪比損失的理論值。假設(shè)主陣通道數(shù)為M，輔助陣列通道數(shù)為M′，定義輔助陣列通道幅度增益為主陣通道的α倍，經(jīng)推導(dǎo)，理想情況下對消一個主瓣干擾帶來的SNR 損失至少為

若考慮主陣列通道增益為單位增益，則M等價為主雷達增益，α2M′等價為輔助陣列總增益，則上式可進一步簡寫為

式中GM為主陣列增益，GA為輔助陣列總增益。

根據(jù)上式結(jié)論，當(dāng)輔助陣列總面積達到主陣列面積的三分之一時，可在某種陣列構(gòu)型下對抗一個主瓣干擾而不損失信噪比。輔助陣列增益較小時，的確會因為引入輔助陣列噪聲造成輸出信噪比下降，但引入輔助陣列帶來了極大的信干噪比提升。下面給出典型場景下分布式雷達主瓣干擾抑制結(jié)果，主陣列與輔助陣列的面積比為16∶5。

如圖1所示，干擾抑制前干噪比約為48.1 dB，信噪比約為28.9 dB，干擾抑制后信干噪比約為24.6 dB，信噪比損失約為4.3 dB，雖然造成了一定的信噪比損失，但是信干噪比改善達到了43.8 dB，信干噪比改善效果顯著。綜合上述推導(dǎo)及仿真可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)輔助陣列的總面積較小時，分布式雷達系統(tǒng)的確會在抗主瓣干擾的過程中損失一定的信噪比。但即便如此，分布式雷達抗主瓣干擾會帶來十分明顯的信干噪比改善。

圖1 分布式雷達系統(tǒng)主瓣干擾抑制結(jié)果Fig.1 Main lobe jamming suppression result

4.2 分布式雷達柵瓣問題

由于分布式雷達稀疏部署的特點，當(dāng)雷達節(jié)點均勻布置時，將會產(chǎn)生大量柵瓣。針對分布式雷達的柵瓣問題，通常會采用非均勻布陣優(yōu)化設(shè)計以抑制柵瓣［67-68］，如圖2所示。

圖2 優(yōu)化稀疏布陣方向圖Fig.2 The pattern of sparse array

為分析柵瓣對于干擾抑制帶來的具體影響，經(jīng)推導(dǎo)分布式陣列輸出信干噪比滿足該公式：

從圖3 可以看出，由于分布式雷達系統(tǒng)本身角度分辨力極高，所以柵瓣也同樣較窄，所影響的角度范圍較小，500 次蒙特卡羅仿真中僅有不到30 次落入均勻陣列的柵瓣。而優(yōu)化陣列雖然抑制了柵瓣，但卻導(dǎo)致了全陣列合成主瓣的展寬，干擾落入全陣列主瓣的概率變高，同樣會造成信噪比損失。綜合仿真結(jié)果，優(yōu)化陣列構(gòu)型的平均輸出信干噪比為29.4 dB，而均勻陣列構(gòu)型的平均輸出信干噪比為29.3 dB，在干擾出現(xiàn)的角度完全未知且隨機的情況下，兩種陣列構(gòu)型的總體性能沒有明顯區(qū)別。此外，根據(jù)圖 2和圖 3的結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，由于分布式雷達系統(tǒng)的柵瓣幅度沿主陣列的主瓣向外逐漸衰減，即便干擾落在柵瓣中也不會造成信噪比完全損失的情況，仍然會保持一個較高的信干噪比改善值。

圖3 干擾出現(xiàn)在任意角度時不同陣列構(gòu)型輸出信干噪比Fig.3 Output SINR of different arrays when jamming appears at different angles

此外，在實際的分布式雷達系統(tǒng)部署中，由于地形等因素的影響，無法保證各節(jié)點雷達準(zhǔn)確部署在設(shè)計位置，本文進一步分析了輔助陣列在保證基線長度不變的情況下，隨機部署在基線中的任意位置時的性能，同樣使干擾在主瓣內(nèi)隨機出現(xiàn)，進行500次蒙特卡羅仿真，結(jié)果如圖4所示。

圖4 干擾出現(xiàn)在任意角度時四組隨機陣列輸出信干噪比Fig.4 Output SINR of random arrays when jamming appears at different angles

綜合上述仿真可以發(fā)現(xiàn)，無論是優(yōu)化陣列、均勻陣列還是隨機陣列，當(dāng)干擾在主瓣內(nèi)的角度是隨機出現(xiàn)時，各陣列構(gòu)型的平均輸出信干噪比差別不大，不同的陣列構(gòu)型僅會在具體的角度上產(chǎn)生差別。在實際的干擾對抗場景中，無法預(yù)知干擾出現(xiàn)在主瓣內(nèi)的具體角度，在這種情況下，分布式雷達系統(tǒng)陣列構(gòu)型便不再重要。因此無論是柵瓣還是節(jié)點雷達無法布置在預(yù)設(shè)位置，都不會對分布式雷達抗主瓣干擾的總體性能造成影響。

4.3 分布式體制在干擾對抗中的優(yōu)勢

電子對抗本質(zhì)上是攻防雙方資源投入以及資源利用實力的比拼。當(dāng)前的抗干擾方式更多采用頻率、波形、極化、信號處理等維度的資源。但隨著干擾技術(shù)的不斷進步，干擾機全雙工、大功率等技術(shù)的日漸成熟［69-70］，干擾方不斷地在硬件資源上加大投入，例如通過氮化鎵發(fā)射組件提升干擾功率、增加吊艙數(shù)量以覆蓋多個波段、通過有源電子掃描陣列覆蓋更廣的空域，因此雷達作為抗干擾方，應(yīng)該也必須在硬件資源方面加大投入。地基雷達存在一個天然的優(yōu)勢，即受體積、重量、功耗等物理因素制約較小，有極大的空間和潛力去投入硬件資源，而干擾方多是機載或彈載平臺，難以無限地擴張硬件投入與地基平臺對抗。

考慮成本和機動性，通常輔助陣列的尺寸比主陣列小，導(dǎo)致對消干擾時會引入輔助陣列噪聲使得信噪比下降。上文理論分析了信噪比與輔助陣列面積的關(guān)系，結(jié)果表明，即使在輔助陣列比較小的情況（例如主輔陣面積之比16∶5），能獲得極大的信干噪比改善（典型場景，單干擾條件下40 dB 以上）。此外，分布式體制中的輔助雷達可以設(shè)計成低成本的純接收陣列，優(yōu)化噪聲系數(shù)，使其擁有比主雷達更高的探測靈敏度；同時輔助雷達可以同雷達誘餌系統(tǒng)等結(jié)合起來，從多個維度提升雷達系統(tǒng)的對抗能力，實現(xiàn)偵察、干擾、探測等多功能一體化，提升效費比。

5 分布式相參雷達同步與校準(zhǔn)

在地基分布式雷達系統(tǒng)中，各單元雷達間的時間和頻率高精度同步以及空間同步是保證雷達高效相參積累的前提。時間同步的目的是使得接收信號在時間上對齊，保證采集數(shù)據(jù)具有相參性［71-72］。時間同步誤差的直接影響是引入“距離徙動”［73-74］。而在分布式雷達系統(tǒng)中，距離和相位是耦合的，所以同步誤差又會對相位產(chǎn)生影響［75］。分布式雷達間頻率源的微小頻率偏差及抖動，都會造成回波信號存在不同形式的相位誤差，即頻率同步問題?？臻g同步通過使系統(tǒng)中各單元雷達的波束同時照射目標(biāo)來實現(xiàn)，利用數(shù)字波束形成技術(shù)和脈沖追趕式掃描方法能有效解決空間同步問題［76］，故本文對此不做過多介紹。

5.1 分布式相參雷達同步精度需求

本文從相參積累和干擾對消兩個方面對同步精度要求進行分析評估。相參積累包括發(fā)射相參和接收相參兩部分，對于發(fā)射相參而言，分布式雷達間時頻同步誤差將直接造成發(fā)射信號在目標(biāo)處疊加損失；對于接收相參而言，時頻同步誤差可以通過信號處理方式進行精細補償。干擾對消是對接收干擾信號的相消，分布式雷達間同步誤差同樣可以通過信號處理方式進行補償，且對消權(quán)值由數(shù)據(jù)協(xié)方差獲得，有一定自適應(yīng)能力。

以某一雷達（主陣列）時間為基準(zhǔn)，分布式其余各單元雷達（輔助陣列）相對于該雷達存在時間同步誤差△t。以Chirp 信號為例，構(gòu)建分布式相參雷達接收到的目標(biāo)回波模型如下：

其中rect(·)表示矩形窗，k為Chirp信號的調(diào)頻率，Tp為信號時寬，τ為目標(biāo)時延。由式（6）可知，第一項rect(·)呈現(xiàn)了時間同步誤差對距離對齊的影響，第二項exp(·)呈現(xiàn)了時間同步誤差對相位的影響。在此信號模型下，相參合成SNR 隨時間同步誤差變化如圖5（a）所示，當(dāng)相參合成SNR 下降約1 dB 時，信號帶寬5 MHz所需時間同步精度為40 ns，而信號帶寬500 MHz 所需時間同步精度為0.4 ns。干擾對消后SINR 隨時間同步誤差變化如圖5（b）所示，當(dāng)SINR下降約3 dB時，信號帶寬5 MHz所需時間同步精度為30 ns，而信號帶寬500 MHz所需時間同步精度為0.3 ns。

伏爾加河下游1月氣候，正是隆冬季節(jié)，寒風(fēng)凜冽，陣陣勁吹，當(dāng)旭日的陽光酒向大雪覆蓋的伏爾加河草原時，皚皚的白雪射出耀眼奪目的光芒。就在此時，成千上萬的土爾扈特婦孺老人乘上早已準(zhǔn)備就緒的馬車、駱駝和雪撬，在躍馬橫刀的騎士保護下，一隊接著一隊陸續(xù)出發(fā)，徹底離開了他們生活了將近一個半世紀的異鄉(xiāng)。

圖5 分布式雷達時間同步精度分析Fig.5 Time synchronization accuracy analysis of distributed radar

綜上分析，在分布式相參雷達中，時間同步精度要求與信號帶寬或信號脈壓后的時寬有關(guān)，通常要求滿足脈壓后時寬的1/5。

5.2 分布式相參雷達同步技術(shù)

根據(jù)傳輸媒介不同，可以將時頻同步分為無線同步技術(shù)和有線同步技術(shù)。

（1）無線同步技術(shù)

無線同步技術(shù)主要包括2 大類：獨立式直達波同步法和衛(wèi)星授時同步法。獨立式直達波同步法利用輔助通道接收發(fā)射陣列的直達波，采用非相干積累、滑窗濾波等信號處理方法提取同步參數(shù)，用于分布式相參雷達同步［77-78］。衛(wèi)星授時同步技術(shù)利用衛(wèi)星發(fā)射攜帶了精確標(biāo)準(zhǔn)時間信息的電磁波信號，地面接收機接收信號并鎖定衛(wèi)星后，通過解算本地時鐘和衛(wèi)星的鐘差并加以馴服，使得本地時鐘源與衛(wèi)星鐘時間同步。此類方法包括衛(wèi)星共視、雙向時間頻率傳輸、基于精密單點定位（Precise Point Positioning，PPP）的時間同步等［79-81］。北京航空航天大學(xué)在PPP 時間傳遞技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合時間基準(zhǔn)溯源、實時衛(wèi)星鐘差估計、精準(zhǔn)時鐘調(diào)控及硬件延遲標(biāo)校等技術(shù)，建立了基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的廣域高精度時間服務(wù)（Wide-area Precise timing，WPT）系統(tǒng)，可實現(xiàn)所有用戶時鐘與WPT 基準(zhǔn)時間優(yōu)于0.5 ns的時間同步精度［82］。

（2）有線同步技術(shù)

有線同步方法主要包括2 大類：基于射頻的同步技術(shù)和基于光纖的同步技術(shù)。

射頻時頻同步是基于射頻線鏈路實現(xiàn)頻率信號從控制中心到分布式雷達的傳輸技術(shù)，在控制中心和分布式雷達之間架設(shè)等長的同種規(guī)格射頻線纜，在小范圍區(qū)域內(nèi)可實現(xiàn)高精度穩(wěn)定傳輸、同步。

光纖時頻同步傳輸技術(shù)是基于光纖鏈路實現(xiàn)微波信號從控制中心到分布式雷達的光學(xué)穩(wěn)定傳輸技術(shù)，具有同步精度高、工作帶寬大、傳輸損耗低、覆蓋區(qū)域廣、抗電磁干擾強等優(yōu)勢。它采用低損耗光纖作為傳輸介質(zhì)，結(jié)合高線性度電光調(diào)制和光電探測技術(shù)實現(xiàn)電信號和光信號之間轉(zhuǎn)換，并采用主動補償單元實時校準(zhǔn)光纖鏈路長度，可突破傳統(tǒng)射頻傳輸鏈路的長度和重量限制，實現(xiàn)百公里級的超遠、高頻、寬帶微波信號穩(wěn)相傳輸。

2007 年，美國噴氣動力實驗室提出基于往返相位校正原理和光纖延時調(diào)控的光纖同步傳輸技術(shù)，實現(xiàn)了氫原子鐘產(chǎn)生的100 MHz 頻率參考信號的同步傳輸，頻率傳輸穩(wěn)定度為5×10?16/103s［71］。隨后，日本信息與通信研究所提出基于壓控晶體振蕩器的高精度、大范圍微波相位補償方法，并將其應(yīng)用于微波信號同步傳輸系統(tǒng)中，在25 km 城域光纖鏈路中實現(xiàn)了1 GHz 微波信號的同步傳輸，頻率傳輸穩(wěn)定度為1×10?17/天［83］。2013 年，澳大利亞麥考瑞大學(xué)通過研究光載微波信號傳輸和混頻過程中微波信號相位的演變關(guān)系，提出基于相位共軛混頻技術(shù)和偏振擾偏技術(shù)的微波信號時頻同步傳輸系統(tǒng)，并將其成功地應(yīng)用于甚長基線干涉（VLBI）測量系統(tǒng)中［84-85］。2014 年，韓國科學(xué)技術(shù)院提出基于光纖環(huán)路的超高精度光波-微波混合鑒相技術(shù)，結(jié)合光電鎖相環(huán)技術(shù)，進一步提高了光纖時頻同步傳輸系統(tǒng)的同步精度［86］。2017年，澳大利亞西澳大學(xué)提出了基于光相位測量和閉環(huán)主動補償?shù)奈⒉ㄐ盘枙r頻同步傳輸技術(shù)，通過采用光學(xué)邁克爾遜干涉儀實現(xiàn)光相位高精度解調(diào)，結(jié)合聲光調(diào)制器實現(xiàn)光相位抖動的主動補償，實現(xiàn)了166 km 光纖鏈路上微波信號的時頻同步傳輸［87］。2020年，意大利國家計量基于光頻同步傳遞技術(shù)，結(jié)合超穩(wěn)定光頻梳和高精度光鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了長達1739 km 光纖鏈路上微波信號的時頻同步傳輸，并探索了其在VLBI 測量系統(tǒng)中的應(yīng)用［88］。

國內(nèi)在光纖時頻同步傳輸技術(shù)研究進展方面，中科院國家授時中心提出了基于微波相位補償?shù)母呔任⒉ㄐ盘柟饫w時頻同步技術(shù)，在56 km 傳輸距離上實現(xiàn)了1.8×10?15/s的頻率傳輸穩(wěn)定度［89］。中科院上海光機所聚焦于國土范圍內(nèi)遠距離光纖時頻同步傳輸技術(shù)研究［90-91］，實現(xiàn)的光纖同步傳輸鏈路距離可達數(shù)百公里級。中科院半導(dǎo)體所在基于被動微波相位自校正的同步傳輸技術(shù)方面進行了研究［92］。清華大學(xué)提出了基于壓控晶體振蕩器和高精度鎖相環(huán)的微波信號時頻同步傳輸系統(tǒng)［93］，并探索了時頻同步傳輸鏈路在分布式雷達系統(tǒng)中的應(yīng)用［28］。北京大學(xué)提出了基于模擬移相補償?shù)拈L距離光纖時頻同步傳輸，100 MHz 頻率參考信號在100 km 遠光纖上的頻率傳輸穩(wěn)定度為1.1×10?16/4×103s［94］。上海交通大學(xué)提出了光電延遲鎖相環(huán)、相干瑞利噪聲抑制、主動微波光子移相等研究方案，研發(fā)的光纖同步傳輸系統(tǒng)在頻率傳輸穩(wěn)定度、傳輸距離等方面實現(xiàn)了較高的技術(shù)指標(biāo)［95-97］。北京郵電大學(xué)提出了色散延時調(diào)控、高精度光電鎖相環(huán)、快速大范圍微波相位抖動抑制等創(chuàng)新性的研究方案，微波信號光纖時頻同步傳輸鏈路距離可達1007 km，頻率傳輸穩(wěn)定度為5.1×10?16/2×104s［98-101］。南京航空航天大學(xué)提出了基于混頻器的后補償式光纖時頻同步傳輸技術(shù)，實現(xiàn)了皮秒量級的傳輸延時穩(wěn)定度，并將其應(yīng)用于分布式微波光子雷達系統(tǒng)，取得了較好的雷達成像結(jié)果［102］。

目前，國內(nèi)外針對基于離散器件的微波信號光纖時頻同步技術(shù)已經(jīng)開展了較深入的研究，在傳輸穩(wěn)定度、傳輸距離等方面實現(xiàn)了較高的技術(shù)指標(biāo)，已經(jīng)逐漸應(yīng)用于分布式雷達、深空探測網(wǎng)絡(luò)、VLBI測量等系統(tǒng)中。然而，現(xiàn)有的技術(shù)方案大都聚焦于單條同步鏈路的研究，針對大規(guī)模高精度的高頻微波信號光纖時頻同步傳輸網(wǎng)絡(luò)的研究鮮有報道。隨著分布式相參雷達系統(tǒng)探測距離的增加和探測精度的提高，雷達天線單元數(shù)目急劇增加，光纖穩(wěn)相鏈路規(guī)模顯著擴大，鏈路組網(wǎng)特性顯著增強，而傳統(tǒng)的離散解決方案存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、尺寸大、功耗高、成本高等不足，而且在大規(guī)模組網(wǎng)條件下容易積累器件差異，引起鏈路一致性惡化的傾向，難以滿足大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)要求。隨著集成光子技術(shù)的快速發(fā)展，利用大規(guī)模、超精細的硅基光子集成工藝制備標(biāo)準(zhǔn)化微波信號光學(xué)處理和傳輸芯片成為國際前沿研究方向。通過充分發(fā)揮光電子芯片的高密度集成和大規(guī)模制造優(yōu)勢，實現(xiàn)高效能、高可靠性、低成本、可模塊化標(biāo)準(zhǔn)化的芯片解決方案是適應(yīng)低成本大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)布陣的必然要求，也是時頻同步傳輸技術(shù)發(fā)展的重要趨勢。

6 分布式相參雷達技術(shù)發(fā)展趨勢和展望

分布式相參雷達具有很大的潛力，當(dāng)前仍存在許多亟待突破的關(guān)鍵技術(shù)。

（1）發(fā)射相參

針對相參增程而言，希望能做到真正的發(fā)射相參，即無需發(fā)射正交波形，可直接估計相參參數(shù)，隨時隨地實現(xiàn)自由相參，讓分布式空間相參成為雷達的固有屬性，使得多部雷達工作起來就跟一部相控陣雷達一樣。

（2）時頻同步

采用無線傳輸、主動補償?shù)墓ぷ鞣绞?，同步模塊滿足動態(tài)接入、即插即用的使用要求，可隨時隨地實現(xiàn)高精度同步。

（3）低成本、輕量化、高靈敏度

分布式雷達需要一定的規(guī)模作為基礎(chǔ)，因此低成本、輕量化、高靈敏度是實際工程應(yīng)用中的重要需求。結(jié)合超導(dǎo)接收機、增益介質(zhì)與光子耦合的微波激射放大器等技術(shù)，以期突破傳統(tǒng)半導(dǎo)體噪聲溫度極限，極大提升分布式雷達的等效增益。結(jié)合天線平臺一體化、天線新質(zhì)材料與結(jié)構(gòu)、綜合射頻數(shù)字異質(zhì)集成等創(chuàng)新技術(shù)，研制出超輕量化、超低成本的分布式雷達，以滿足工程應(yīng)用。

（4）前沿技術(shù)

與更多先進的技術(shù)進行交叉融合，分布式相參雷達能夠發(fā)揮更強大的工作效能，例如，微波光子技術(shù)可提供超寬帶信號產(chǎn)生和光學(xué)實時處理能力，與分布式相參雷達相結(jié)合，有望提升信號工作帶寬，提供更高的距離分辨率，并滿足海量數(shù)據(jù)實時處理的要求。2013 年，意大利光子網(wǎng)絡(luò)國家實驗室等研制了基于全光子學(xué)的相干雷達系統(tǒng)，并于2018年研發(fā)2×2 全光MIMO 雷達，為基于微波光子技術(shù)的分布式雷達提供了技術(shù)支撐［103］。人工智能可提供大數(shù)據(jù)量下的最優(yōu)決策能力，分布式節(jié)點域資源，為智能提供了自由度和發(fā)揮的空間；也正是分布式節(jié)點多、資源調(diào)度復(fù)雜，必須引入智能。

未來，僅靠單一平臺的協(xié)同探測難以滿足遠程、連續(xù)、準(zhǔn)確和高可信的要求，亟需向跨平臺分布式協(xié)同方向發(fā)展。綜合運用陸、海、空、天多域平臺上的分布式雷達，利用一切泛在電磁頻譜信號作為發(fā)射源，比如遙感、通信衛(wèi)星，5G、6G，廣播信號等，構(gòu)建跨域引導(dǎo)、相互印證、接力跟蹤、多方位立體化連續(xù)觀測、等效擴展觀測孔徑、多源信息融合等跨平臺協(xié)同工作模式，改善偵察監(jiān)視能力，并可根據(jù)任務(wù)需求快速實現(xiàn)重構(gòu)，滿足多尺度快速廣域覆蓋需求，顯著提升分布式相參雷達的作用距離、作用范圍、定位精度、跟蹤數(shù)據(jù)率和目標(biāo)識別準(zhǔn)確性。