分布式地基雷達(dá)深空探測(cè)技術(shù)

丁澤剛, 曾 濤, 張光偉, 向 寅, 劉 怡, 張?zhí)煲? 董澤華, 龍 騰

(1. 北京理工大學(xué)信息與電子學(xué)院雷達(dá)技術(shù)研究所， 北京100081；2. 嵌入式實(shí)時(shí)信息處理技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京100081；3. 北京理工大學(xué)重慶創(chuàng)新中心， 重慶401135)

0 引言

地基深空探測(cè)雷達(dá)是利用地面大口徑天線發(fā)射電磁波并接收深空目標(biāo)回波的雷達(dá)系統(tǒng)，可以獲得天體的軌道、形貌、材質(zhì)等信息，是開(kāi)展深空探測(cè)的有效手段。自20世紀(jì)60年代以來(lái)，地基雷達(dá)越來(lái)越廣泛地應(yīng)用到深空探測(cè)中，其中最著名的是美國(guó)的干草堆(Haystack)雷達(dá)、阿雷西博(Arecibo)雷達(dá)和金石太陽(yáng)系雷達(dá)(Goldstone Solar System Radar，GSSR)。

20世紀(jì)六七十年代，美國(guó)林肯實(shí)驗(yàn)室利用干草堆雷達(dá)對(duì)月球、金星、水星等天體進(jìn)行了觀測(cè)，得到了它們的散射圖像，然而由于受到功率、孔徑的限制，干草堆雷達(dá)對(duì)月球成像的分辨率僅為2 km，后來(lái)隨著阿雷西博雷達(dá)和金石太陽(yáng)系雷達(dá)投入使用，干草堆雷達(dá)逐漸轉(zhuǎn)入對(duì)近地空間目標(biāo)的探測(cè)和成像。阿雷西博雷達(dá)和金石太陽(yáng)系雷達(dá)是世界上最著名的深空地基雷達(dá)，兩者開(kāi)展了絕大部分的深空探測(cè)任務(wù)。1963年，美國(guó)國(guó)家自然基金會(huì)建成了當(dāng)時(shí)世界上最大口徑的地基雷達(dá)—Arecibo雷達(dá)，其口徑達(dá)305 m，發(fā)射功率達(dá)250 kW，此后經(jīng)過(guò)不斷升級(jí)改造，S頻段發(fā)射功率增加至1 MW，數(shù)十年來(lái)，阿雷西博雷達(dá)一直是地球上觀測(cè)能力最強(qiáng)的地基雷達(dá)系統(tǒng)，然而2020年Arecibo雷達(dá)發(fā)生坍塌事件，從此退出了歷史舞臺(tái)。1958年，美國(guó)國(guó)家航天局建立了金石太陽(yáng)系雷達(dá)系統(tǒng)，它是美國(guó)深空探測(cè)網(wǎng)的重要組成部分，其發(fā)射天線口徑為70 m，發(fā)射功率為500 kW，它是目前世界上在役的探測(cè)性能最高的深空地基雷達(dá)。綜上所述，國(guó)外地基雷達(dá)深空探測(cè)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)月球、小行星以及太陽(yáng)系其他行星的高分辨觀測(cè)結(jié)果，并在此基礎(chǔ)上取得了豐碩的科學(xué)成果。

然而，干草堆雷達(dá)、阿雷西博雷達(dá)和金石太陽(yáng)系雷達(dá)均屬于傳統(tǒng)地基雷達(dá)，存在百米天線口徑和MW發(fā)射功率的限制，無(wú)法滿足當(dāng)前對(duì)深空探測(cè)的更高需求，因此需要研究新的雷達(dá)體制。分布式雷達(dá)作為一種可擴(kuò)展的新體制雷達(dá)，為地基雷達(dá)向著更高功率孔徑積的方向發(fā)展提供了可靠途徑。1958年，林肯實(shí)驗(yàn)室的Morrow提出了自聚焦處理天線，這種天線可以消除目標(biāo)距離相位的影響，將多個(gè)天線的信號(hào)進(jìn)行相參疊加。1963年，美國(guó)研發(fā)了分布式孔徑系統(tǒng)，通過(guò)自適應(yīng)相位處理實(shí)現(xiàn)了等效口徑天線的性能。2003年，林肯實(shí)驗(yàn)室正式提出分布式全相參的概念，提出部雷達(dá)的信號(hào)進(jìn)行相參處理后最高可以獲得倍信噪比增益的結(jié)論。在2004年8月和2005年7月，林肯實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展了由2部單元雷達(dá)組成的分布式雷達(dá)系統(tǒng)對(duì)靜態(tài)金屬水塔、動(dòng)態(tài)飛機(jī)、火箭目標(biāo)的探測(cè)試驗(yàn)，獲得了收發(fā)全相參9 dB(2)的信噪比增益，從而驗(yàn)證了分布式全相參理論的正確性。當(dāng)前，國(guó)外地基雷達(dá)正在向著分布式新體制的方向轉(zhuǎn)變，美國(guó)正在積極推進(jìn)分布式新體制雷達(dá)的研究工作。我國(guó)在分布式相參雷達(dá)領(lǐng)域也取得了諸多成果，北京理工大學(xué)、北京無(wú)線電測(cè)量所、電子科技大學(xué)等單位已經(jīng)開(kāi)展了相關(guān)的研究工作。文獻(xiàn)[8]介紹了分布式相參雷達(dá)的工作原理、技術(shù)優(yōu)勢(shì)、關(guān)鍵技術(shù)等，并探討了未來(lái)的發(fā)展方向。文獻(xiàn)[9]在分布式雷達(dá)相參參數(shù)估計(jì)、相參性能分析等方面進(jìn)行了深入的研究，為分布式雷達(dá)的實(shí)現(xiàn)提供了支撐。文獻(xiàn)[10]分析了構(gòu)建我國(guó)近地小行星探測(cè)雷達(dá)系統(tǒng)的途徑，提出通過(guò)天線組陣技術(shù)將多個(gè)深空測(cè)控地面站組成一個(gè)天線陣系統(tǒng)，從而進(jìn)一步提升探測(cè)能力，為分布式雷達(dá)的設(shè)計(jì)提供了有益參考。

目前我國(guó)的地基雷達(dá)不具備對(duì)深空目標(biāo)的高分辨觀測(cè)能力，地基深空探測(cè)主要以光學(xué)和射電為主要手段，而在雷達(dá)方面則發(fā)展較為緩慢。至今地基雷達(dá)深空探測(cè)主要集中在空間目標(biāo)探測(cè)上，在天體探測(cè)方面，我國(guó)地基雷達(dá)深空探測(cè)處于起步階段，不具備對(duì)近地小行星、月球、類地行星等天體的高分辨觀測(cè)能力。近年來(lái)，我國(guó)在深空探測(cè)領(lǐng)域正處于蓬勃發(fā)展的新時(shí)期，已成功實(shí)現(xiàn)了月球“繞、落、回”三步走探測(cè)計(jì)劃，并計(jì)劃走向更遠(yuǎn)的深空，然而如果僅依靠發(fā)射航天器進(jìn)行就位探測(cè)，探測(cè)周期相對(duì)較長(zhǎng)，且可探測(cè)的天體較少，無(wú)法滿足我國(guó)深空探測(cè)高速發(fā)展的迫切需要。分布式雷達(dá)技術(shù)為我國(guó)建設(shè)高分辨的地基雷達(dá)深空探測(cè)系統(tǒng)提供了可靠途徑，通過(guò)多部雷達(dá)的高精度協(xié)同，可以突破單部雷達(dá)天線口徑和功率的限制，極大提升觀測(cè)能力，從而有力推進(jìn)我國(guó)在地基雷達(dá)深空探測(cè)領(lǐng)域的發(fā)展。

本文將介紹分布式相參雷達(dá)的基本原理，探討其性能優(yōu)勢(shì)、關(guān)鍵技術(shù)，并分析地基雷達(dá)深空探測(cè)和成像技術(shù)，最后對(duì)全文進(jìn)行總結(jié)。

1 分布式相參雷達(dá)

1.1 基本原理

分布式相參雷達(dá)是指由多部單元雷達(dá)和中心控制處理系統(tǒng)組成的一種新體制雷達(dá)，如圖1所示。多部雷達(dá)通過(guò)中心處理系統(tǒng)的控制進(jìn)行收發(fā)全相參工作，等效形成一部虛擬的大口徑、高功率雷達(dá)，通過(guò)增加雷達(dá)單元數(shù)量，可以進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)口徑的空域擴(kuò)展和能量合成，實(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)距離的探測(cè)。

圖1 分布式地基雷達(dá)示意圖

分布式相參合成雷達(dá)包括接收相參和發(fā)射接收全相參兩種工作模式，如圖2所示。接收相參模式下，部雷達(dá)同時(shí)發(fā)射正交波形，每部雷達(dá)可接收路回波信號(hào)，部雷達(dá)共計(jì)接收路信號(hào)，然后通過(guò)處理獲取各路回波信號(hào)的時(shí)延、相位等相參參數(shù)。在發(fā)射接收全相參階段，部雷達(dá)發(fā)射相同的波形，根據(jù)相參參數(shù)對(duì)各路發(fā)射信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償以實(shí)現(xiàn)發(fā)射相參，然后對(duì)各路回波再次進(jìn)行補(bǔ)償以實(shí)現(xiàn)接收相參。文獻(xiàn)[11]對(duì)于兩種模式的信噪比增益進(jìn)行了具體的推導(dǎo)，發(fā)射相參模式可實(shí)現(xiàn)倍信噪比增益，發(fā)射接收全相參模式可實(shí)現(xiàn)倍的信噪比增益。

(a) 接收相參原理示意圖

1.2 性能優(yōu)勢(shì)

1) 作用距離更遠(yuǎn)。分布式相參雷達(dá)拓展了深空探測(cè)的邊界，雷達(dá)的作用距離與單元雷達(dá)數(shù)、單元雷達(dá)平均發(fā)射功率、發(fā)射系統(tǒng)增益、接收系統(tǒng)增益、接收機(jī)等效噪聲溫度、波長(zhǎng)、相參積累時(shí)間等參數(shù)相關(guān)，具體如下所示：

(1)

由式(1)可知，分布式雷達(dá)的作用距離和單部雷達(dá)相比可提升34倍，圖3給出了作用距離提升倍數(shù)隨雷達(dá)單元數(shù)的變化曲線。

圖3 單元雷達(dá)數(shù)與距離倍數(shù)的關(guān)系圖

2) 角度分辨率更高。雷達(dá)的波束寬度和天線口徑成反比關(guān)系，多部雷達(dá)協(xié)同工作等效合成一部大口徑雷達(dá)，波束寬度更窄。圖4給出了單部雷達(dá)和兩部雷達(dá)相參合成后的波束方向圖，其中天線口徑為20 m，天線間隔為30 m，可見(jiàn)，分布式雷達(dá)的波束寬度更窄，角度分辨率更高。

圖4 分布式雷達(dá)與單元雷達(dá)的天線方向圖

3) 可擴(kuò)展性更高。傳統(tǒng)雷達(dá)無(wú)法靈活地改變天線的尺寸和功率，存在性能上限，而分布式雷達(dá)具有更高的靈活性，只需要簡(jiǎn)單增加單元雷達(dá)的數(shù)量，就能進(jìn)一步提升雷達(dá)性能，拓寬觀測(cè)的邊界。

1.3 關(guān)鍵技術(shù)

分布式地基雷達(dá)需要觀測(cè)的深空目標(biāo)包括衛(wèi)星、月球、小行星、行星及其衛(wèi)星等，它們距離地球極遠(yuǎn)?？紤]到雷達(dá)回波的信噪比與目標(biāo)距離的4次方成反比關(guān)系，極遠(yuǎn)的觀測(cè)距離導(dǎo)致雷達(dá)信號(hào)在傳播過(guò)程中能量衰減極為嚴(yán)重，雷達(dá)接收信號(hào)的信噪比極低，為了有效提升探測(cè)雷達(dá)的作用距離，需要在雷達(dá)體制和信號(hào)處理方法兩方面進(jìn)行分析。多部雷達(dá)的信號(hào)在空間上進(jìn)行相參合成可以極大提升信噪比，同時(shí)要求各個(gè)單元之間保持相參性；長(zhǎng)時(shí)間信號(hào)的相參合成會(huì)進(jìn)一步提升信噪比，同時(shí)要求雷達(dá)發(fā)射信號(hào)自身需要保持嚴(yán)格相參。

為了解決上述問(wèn)題，需要研究長(zhǎng)時(shí)分布式全相參雷達(dá)體制。在空間尺度上，需要研究分布式同步組網(wǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)公里內(nèi)的雷達(dá)陣列的同步相參組網(wǎng)，使得天線陣列收發(fā)期間保持時(shí)間、頻率、相位同步，從而保證回波信號(hào)和原始信號(hào)的相參性，該技術(shù)的關(guān)鍵在于確定收發(fā)鏈路各個(gè)環(huán)節(jié)存在的相位誤差并進(jìn)行精確補(bǔ)償。在時(shí)間尺度上，需要研究新型的超穩(wěn)頻率源技術(shù)，以保證雷達(dá)發(fā)射信號(hào)自身長(zhǎng)時(shí)間保持相參性。高精度的同步網(wǎng)絡(luò)和高穩(wěn)定的信號(hào)源將分散部署的雷達(dá)天線和數(shù)千秒時(shí)間上的信號(hào)統(tǒng)一到相同的信號(hào)基準(zhǔn)上，從而極大地提升了相參積累性能，探測(cè)到更加遙遠(yuǎn)的目標(biāo)。

2 低信噪比下的探測(cè)與成像技術(shù)

2.1 基于廣義瑞登傅里葉變換的探測(cè)技術(shù)

為了滿足天體目標(biāo)的超遠(yuǎn)觀測(cè)距離對(duì)雷達(dá)探測(cè)威力的更高要求，同時(shí)提升天體運(yùn)動(dòng)參數(shù)測(cè)量精度，需要對(duì)分布式雷達(dá)相參合成后的回波進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間積累，進(jìn)一步提升信噪比。由于長(zhǎng)時(shí)間尺度下天體、空間目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)變化會(huì)導(dǎo)致散射點(diǎn)跨距離單元、跨多普勒單元的情況，傳統(tǒng)檢測(cè)算法無(wú)法克服，需要研究長(zhǎng)時(shí)間積累技術(shù)。

在分布式雷達(dá)體制下，基于廣義瑞登傅里葉變換(GRFT)的長(zhǎng)時(shí)間積累技術(shù)為解決超遠(yuǎn)天體目標(biāo)探測(cè)中遇到的低信噪比問(wèn)題、嚴(yán)重的跨單元現(xiàn)象提供了新的解決思路。GRFT將目標(biāo)回波的積累問(wèn)題轉(zhuǎn)化為參數(shù)化的模型匹配問(wèn)題，如圖5所示，通過(guò)多維度參數(shù)化建模和包絡(luò)相位聯(lián)合補(bǔ)償，將目標(biāo)回波能量聚焦到變換的參數(shù)空間中，形成多維參數(shù)空間中聚焦的尖峰，然后根據(jù)尖峰的大小判斷是否檢測(cè)到目標(biāo)。

圖5 GRFT原理圖

廣義瑞登傅里葉變換的表達(dá)式為

()=(,,…,)=

(2)

式中，為光速，為快時(shí)間，為慢時(shí)間，(,)為回波空間，為波長(zhǎng)，為運(yùn)動(dòng)參數(shù)空間[,,…,]，目標(biāo)的斜距歷程可以表示為

(3)

GRFT本質(zhì)上是在參數(shù)空間內(nèi)搜尋最優(yōu)的解，相對(duì)于常規(guī)的檢測(cè)方法來(lái)說(shuō)，GRFT可以精確獲取天體的運(yùn)動(dòng)參數(shù)和散射信息，克服了跨單元現(xiàn)象，可以通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間積累提高回波的信噪比增益，實(shí)現(xiàn)極低信噪比下的目標(biāo)檢測(cè)。

2.2 基于參數(shù)化運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)某上窦夹g(shù)

在雷達(dá)天體探測(cè)系統(tǒng)中，目標(biāo)與雷達(dá)之間的運(yùn)動(dòng)可以分為相對(duì)平動(dòng)與相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖6所示，其中，相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)是提供方位向分辨能力的基礎(chǔ)，而相對(duì)平動(dòng)則會(huì)導(dǎo)致包絡(luò)彎曲與冗余的相位調(diào)制，若不進(jìn)行補(bǔ)償將嚴(yán)重影響成像結(jié)果。由于天體目標(biāo)的回波信噪比極低，傳統(tǒng)的非參數(shù)化補(bǔ)償方法失效，需要采用基于參數(shù)化運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)某上袼惴ā?/p>

圖6 天體目標(biāo)成像模型

參數(shù)化運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償算法首先將目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)建模為多項(xiàng)式模型，然后以圖像評(píng)估指標(biāo)(圖像熵、對(duì)比度等)作為代價(jià)函數(shù)，通過(guò)參數(shù)搜索精確估計(jì)運(yùn)動(dòng)參數(shù)并進(jìn)行補(bǔ)償，最后進(jìn)行方位向成像，成像過(guò)程表示如下：

(,)=((((,))·

(4)

總之，基于參數(shù)化運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)亩S成像技術(shù)利用了回波信號(hào)的二維積累增益，可以解決雷達(dá)對(duì)超遠(yuǎn)距離天體成像的低信噪比問(wèn)題，滿足深空觀測(cè)需求。

3 算法仿真

3.1 試驗(yàn)系統(tǒng)

為了開(kāi)展地基雷達(dá)深空探測(cè)的研究，課題組正在重慶積極推進(jìn)地基天文雷達(dá)縮比驗(yàn)證系統(tǒng)的建設(shè)，如圖7所示，該系統(tǒng)采用分布式體制，由4部16 m孔徑雷達(dá)和1個(gè)控制中心組成。系統(tǒng)采用收發(fā)全相參方式工作，等效合成一部32 m孔徑雷達(dá)，在外部輸入的目標(biāo)星歷引導(dǎo)下，對(duì)目標(biāo)或目標(biāo)的局部進(jìn)行穩(wěn)定跟蹤，持續(xù)獲取目標(biāo)回波，處理得到目標(biāo)的軌道、形貌等測(cè)量信息，雷達(dá)系統(tǒng)參數(shù)如表1所示。

圖7 地基雷達(dá)縮比系統(tǒng)工作示意圖

表1 雷達(dá)系統(tǒng)參數(shù)

3.2 仿真分析

為了驗(yàn)證低信噪比下的成像技術(shù)，本節(jié)開(kāi)展了地基雷達(dá)對(duì)月球和小行星的延遲多普勒成像仿真，成像分辨率約為200 m。

仿真選擇的成像場(chǎng)景選擇月球南半球的巴科坑(東經(jīng)16°～22°，南緯49°～53°)，其高程模型如圖8(a)所示，場(chǎng)景高程起伏約5 km。巴科坑延遲多普勒成像仿真結(jié)果如圖8(b)所示，對(duì)比結(jié)果顯示仿真成像結(jié)果和巴科坑場(chǎng)景是一致的。

(a) 高程模型

近地小行星成像的仿真模型選擇216 Kleo-patra，該小行星模型呈現(xiàn)骨頭型，自轉(zhuǎn)周期約5.38 h，如圖9(a)所示。多角度延遲多普勒成像仿真結(jié)果如圖9(b)、(c)、(d)所示，可以看出，不同觀測(cè)角度下小行星成像存在明顯差異，因此地基雷達(dá)多角度觀測(cè)是小行星形狀模型反演及確定自轉(zhuǎn)狀態(tài)的重要途徑。

(a) 216 Kleopatra 模型

總之，本節(jié)通過(guò)開(kāi)展地基雷達(dá)對(duì)月球及小行星的成像仿真，驗(yàn)證了低信噪比下基于參數(shù)化運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)某上窦夹g(shù)的有效性，為分布式地基雷達(dá)深空探測(cè)提供了技術(shù)支撐。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)分布式地基雷達(dá)深空探測(cè)技術(shù)中的關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行了分析。針對(duì)天體回波信噪比極低的情況，本文采用長(zhǎng)時(shí)分布式全相參雷達(dá)體制，通過(guò)多部精確同步的雷達(dá)協(xié)同工作，等效形成大口徑、高功率雷達(dá)，實(shí)現(xiàn)空間尺度的相參積累。在時(shí)間尺度上，本文采用長(zhǎng)時(shí)間積累算法，即基于GRFT的探測(cè)技術(shù)和基于參數(shù)化運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)某上窦夹g(shù)，從而實(shí)現(xiàn)時(shí)間尺度上的積累，并通過(guò)仿真驗(yàn)證了所提算法的有效性。分布式地基雷達(dá)作為一種新體制雷達(dá)，將滿足深空探測(cè)對(duì)于極大功率孔徑積的需求，實(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)距離和更高分辨的深空目標(biāo)探測(cè)，看到更加遙遠(yuǎn)的天體。