宽带DBF SAR/MTI雷达典型工作模式设计∗

邬伯才,施晋生,孙 龙,江 凯

(1.中国电子科技集团公司第三十八研究所,安徽合肥230088;2.空军驻安徽地区军事代表室,安徽合肥230022)

0 引言

现代和未来战争都十分强调信息控制权,谁能获取与支配信息并夺取信息优势,谁就能掌握战争主动权。这就要求侦察装备具备很强的立体战场态势感知能力,需要对战场信息进行全面、持续的获取,使得判断决策更准确、更符合战场实际,判断决策过程的时间更短,作战反应更迅速、更敏捷。数字阵列体制的SAR/MTI雷达采用了收发数字波束形成(DBF)技术,利用数字化、软件化处理取代硬件实现,可以获得优良的波束性能。

基于DBF技术的SAR/GMTI雷达具备同时多功能的能力[1-5],可在同一时间完成多种功能,或同一时间分割地交替完成不同系统完成的功能,可根据环境人工或自适应转换实现高分辨率宽测绘带(HRWS)条带成像、聚束、扫描、MTI、干涉、目标跟踪等多种模式或同时实现多种模式(混合模式),一次飞行可相当于常规体制雷达多次飞行的任务量,大大提高了情报收集效率。基于DBF技术的SAR/GMTI雷达可以通过多波束同时扫描,降低扫描周期,提高了数据率,实现快速广域GMTI扫描、多目标跟踪和同时扫描/跟踪,降低对时敏目标的发现探测及跟踪时间。

随着DBF技术的发展,基于数字波束形成的先进SAR干扰抑制手段,越来越得到广泛的应用,雷达可根据干扰源位置,在载机成像过程中,自适应合成接收波束方向图,使主波束对准成像区域,同时在干扰方向形成零陷,可对干扰进行有效抑制。此外,DBF SAR还提供在扫描间变化发射波形的能力,从而具有低截获概率的能力,大大地提升了系统抗干扰能力和战场生存能力。

与传统的雷达相比,它具有如下优点:(1)大的动态范围;(2)容易实现多波束;(3)宽带宽角扫描情况下,容易解决孔径渡越问题;(4)低损耗、低副瓣;(5)低角测高精度高;(6)系统任务可靠性高;(7)扩展性好;(8)具备自适应抗干扰能力。

DBF SAR/MTI雷达系统作为一种新型的多功能雷达系统,主要面向战场侦察需求,力求快速、高效、完成广域监视、热点高精度侦察和动目标指示等任务,采用DBF技术后,雷达系统工作能力将显著提升。DBF SAR/MTI雷达系统除了具有传统数字阵列雷达的优点之外,还具有许多常规SAR/MTI系统所不具备的优势。本文首先介绍了宽带数字阵列SAR/MTI雷达的发展趋势及发展现状,然后结合典型工作模式设计分析了宽带数字阵列SAR/MTI雷达的系统提升。

1 发展现状及趋势

相对于DBF技术在地基和空基目标探测雷达系统中的应用,DBF技术运用于SAR系统研究晚一些。1989年日本三菱电气公司的Takahiko等人就提出了将DBF天线用于侧视SAR的设想[6],计算机仿真结果表明该项技术可以在不增加PRF的情况下提升SAR的方位分辨率。

1999年,德国卡尔斯鲁厄大学的Younis和Wiesbeck提出了机载接收DBF SAR概念[3],系统由一个发射天线和多个接收天线构成,采取收发分置体制,具有高分辨、宽观测带、低成本和高可靠性等优点,与相控阵系统相比具有发射效率高、成本低、重量轻的优点。2000年他们又提出将接收DBF技术用于前视SAR[7]。

2001年,Wiesbeck提出了软件化雷达传感器(SDRS)的概念[8-10],它实际上是机载接收DBF SAR概念的延伸和拓展。它除了可以实现SAR功能外,通过软件模块的改变,还可以轻松实现通信、干扰和辐射计等功能,具有软件可重构、多任务的优点,因而被认为代表了未来第三代SAR系统。

2003年,德国DLR的Krieger和Moreira探讨了DBF技术在双/多基地SAR方面的应用潜力[11],指出运用DBF技术优势:(1)可有效利用大照射区的信号能量;(2)可拼接邻接场景实现宽幅成像;(3)可同时高分辨宽测绘带成像;(4)用于星载多基SAR可使各接收卫星天线尺寸缩小。

2006年,德国DLR的Krieger等人结合现有的T/R组件技术,将多维波形编码技术和DBF技术相结合,提出了收发DBF SAR概念[12],这实际可看成DBF MIMO SAR概念的雏型,到现在为止,他们主要对多维波形编码技术进行了重点研究[3-4,13-15]。

2007年,德国卡尔斯鲁厄大学的Younis与Wiesbeck和DLR的Ossowska共同提出了DBF MIMO SAR的概念[16],并研究了其在InSAR中的应用,在以后发表的文献中重点对空时编码技术进行了研究[17-18]。

2008年,德国FGAN-FHR的Klare将DBF MIMO SAR技术应用于UAV ARTINO进行真三维下视成像[19],重点讨论了引入收发DBF技术对系统性能的改善情况。

2012年,德国DLR的Krieger对DBF MIMO SAR技术的新概念进行了探讨[20-26],给出了DBF MIMO SAR实现宽观测带成像的工作原理。

以上主要从理论技术角度,总结了DBF-SAR的主要发展历程,可以用图1进行形象的概括。实际上,国外除了进行理论技术研究之外,在不同阶段还分别搭建了仿真系统、地面验证系统和机载系统分别进行了理论技术演示验证试验。下面对具有代表性的几个系统作一简要介绍。

德国卡尔斯鲁厄大学分别设计了DBF SAR实验室原理验证系统和机载试验验证系统[20-25],如图2所示。其中原理验证系统为一X波段(9.65 GHz)DBF SAR系统,用于验证高分辨宽观测带SAR(HRWS SAR)中的方位向DBF成像技术;机载试验验证系统借用德国DLR的直升机,验证用一个X波段天线发射56个通道接收DBF的前视SAR成像技术。

美国NASA研制的DBF SAR(DBSAR)工作在L波段,采用了可重构的数字相控阵列技术以及高速数据获取和处理技术,可在单个雷达平台上实现多种功能。DBSAR在2008年进行了首次飞行试验,飞行试验主要测试系统多模式能力,以及在森林、海洋、农业、陆地、海岸沼泽等应用潜力,实验结果表明,该雷达系统性能优越。图3为DBSAR同时获取左右两侧SAR图像示意图。

EcoSAR是一种先进的机载极化干涉测量P波段全数字体制的SAR装备(见图4),由NASA/Goddard美国航天飞行中心NASA的装置孵化计划(IIP)研发而成。EcoSAR将为地球生态系统和生物统计提供前所未有的二维及三维精密标度测量。

美国国防预先研究计划局(DARPA)的“综合传感器即是结构”(Integrated Sensor is Structure,ISIS)项目目的是用一队运行于同温层的飞艇替代几种空中监视平台,包括波音E-3机载预警与控制系统(AWACS)和E-8C联合监视目标攻击雷达系统(JSTARS)。与艇体表面集成的超大孔径、超高频(UHF)/X波段AESA雷达是ISIS飞艇的核心组成部分,如图5所示。该雷达是一部动态软件定义雷达,采用了DBF技术。验证系统的X波段雷达能完成多项同时功能。当没有更高的优先级时,X波段雷达专用于广域GMTI搜索。

图3 DBSAR同时获取左右两侧SAR图像

图4 EcoSAR工作示意图

图5 验证系统的飞艇、天线弹丸和电子设备吊舱

除了日、德、美等国进行了开拓性的研究外,法国、荷兰以及印度等国的专家学者也分别对这项技术进行了跟踪研究。纵观DBF SAR理论技术发展历程,可以看出它经历了从接收DBF、收发DBF到DBF MIMO的演变过程,即数字化、软件化技术与收发分置体制以及分布式系统结构逐步融合的过程。数字技术在雷达中的应用,使雷达获得了空前的发展。

2 典型工作模式设计

SAR/MTI雷达常规工作模式包括广域GMTI、同时 SAR/GMTI、条带 SAR、聚束 SAR、SAR/ISAR等多种工作模式对地进行侦察和监视。DBF体制SAR/MTI雷达通过优化雷达波束、波形等空时参数,可发掘雷达体制优势,最大限度地发挥宽带数字阵列SAR/MTI系统的潜力,实现高分辨率宽观测带SAR成像、快速广域GMTI扫描、多目标跟踪和同时扫描/跟踪、时敏目标检测、地面动目标精确定位和成像、同时多模式等功能。其中几种典型的工作模式如下。

2.1 高性能成像模式

2.1.1 高分辨率宽观测带成像

传统的机载SAR中方位分辨率和距离模糊、地面测绘带宽存在矛盾,二者不能同时提高。主要原因是,高的方位向分辨率要求高的多普勒带宽,高的多普勒带宽就需要高的脉冲重复频率(PRF);另一方面无距离模糊的宽观测带则要求低的PRF。

利用收发DBF技术可以有效缓解这一矛盾,实现高分辨宽测绘带(HRSW)成像。利用DBF SAR体制实现HRSW成像的技术途径有以下几种:距离向接收DBF技术[3]、距离向收发DBF技术[2-3](见图6)、方位向收发DBF技术[4-5](见图7)、距离向DBF和方位向MIMO相结合技术、二维DBF技术。

2.1.2 远距离高分辨率成像(0.3 m分辨率,250 km作用距离)

现在侦察监视的能力需要最大探测距离达到250 km。此外,为了支持自动目标分类,分辨率必须优于30 cm;最好达到10 cm。这些要求针对脉冲重复频率(PRF)上提出了明显相互冲突的需求:远程作用距离明确要求降低PRF,而高方位分辨率又要提高PRF。PRF的取值范围可以表示如下:

图6 距离向收发DBF原理(脉内波形切换)

图7 方位向收发DBF用于HRWS成像示意图

这里,v指平台速度,Δx指方位分辨率,c指光速,Rmax指最大探测距离。

最大探测距离为250 km将PRF限制在600 Hz以内。假设方位分辨率为30 cm,载机最大平台速度为200 m/s(大多数UAV的巡航速度更高),方位不模糊PRF则要求达到667 Hz以上(实际上考虑模糊比、加权等因素,PRF需求更高),存在PRF选取矛盾,如果存在更高的载机平台速度和更高的方位分辨率要求,则矛盾更为突出。

采用数字雷达技术,可以将阵列分成若干个子孔径时,在PRF上的矛盾需求问题便可得到解决。当子孔径的数量为n时,在PRF的下限可以放宽到

2.1.3 频分MIMO SAR大带宽合成

频分MIMO SAR大带宽合成技术是一种同时获得宽测绘带和距离、方位二维高分辨率的多收发孔径技术:多个子天线沿方位向排列实现方位向多波束,多个子天线分别发射频带相接的调频子脉冲信号,接收后在距离向作频谱合成处理,实现距离向的高分辨率。

该技术获得宽测绘带和方位高分辨率的原理与单发多收孔径技术相同,但为了能够同时获得距离向高分辨率,要求各个子天线同时发射不同的子带脉冲信号,子脉冲频谱相互拼接,其工作示意图如图8所示(以3波束为例),这里距离向的高分辨率是通过发射脉内调频串实现的。采用图8结构工作,在每个PRT内,各个发射机同时发射调频子脉冲信号,目标反射后,各个接收机接收目标回波信号,每个接收机接收回波中将包含所有子脉冲回波信号,合成宽带信号并沿方位向排列为等效单波束系统的方位向回波。

图8 频分MIMO SAR工作原理图

2.1.4 同时左右视TOP SAR模式

由于全数字阵列DBF具有强大的波束形成能力,可以通过同时形成左右视的波束,对两个区域分别进行观测,另外,可以采用TOPS模式对每一侧的两个波位分别进行观测,可以在不增加占空比的情况下,通过降低方位分辨率,有效地扩大测绘带宽。同时,通过对波束的控制,可以使两个波束互不干扰,分别完成测绘任务。其工作几何如图9所示。

图9 左右视TOPS SAR示意图

2.1.5 高性能聚束SAR模式

利用传统的相控阵系统,通过从在关注区域内跳跃式聚束扫描,可以对几处关注区域实现高分辨率的成像。一般地,这种典型的工作模式需要PRF是单次聚束成像时所需PRF的n倍,n为关注区域数量。数字雷达可形成同时波束的能力推动了更有效的聚束SAR模式的发展。在不增大PRF的条件下,若干个关注区能同时成像。通过定位大量相邻的关注区域,可以在高分辨率下构制条带状的SAR成像。因此,将来数字雷达将会减少条带SAR和聚束SAR模式之间的区别。

另外结合频分MIMO SAR大带宽合成技术,在距离向发射分频子带信号以获得高距离分辨率,方位向进行空时编码实现多发多收及高的信噪比,通过聚束或滑动聚束工作模式获得高方位分辨率,先对获得信号进行距离向DBF以消除距离模糊,然后进行方位空时解码,之后对信号进行带宽合成,最后对方位向进行聚束SAR成像处理后,即可获得重点观测区域的高分辨高信噪比的SAR图像。

2.1.6 三维成像模式

目前,三维成像技术主要有层析三维成像技术、圆轨迹三维成像技术、曲线三维SAR成像技术、下视三维SAR成像技术和前视三维SAR成像技术。

由于DBF SAR系统具有更多的等效相位数量,且可获得较长的等效相位孔径长度,将大幅提高三维成像的性能,下面以下视三维成像为例进行分析。图10为下视DBF SAR系统下视三维成像几何关系及成像仿真结果,其中雷达平台沿x轴匀速飞行,定义x轴方向为沿航迹向,y轴方向为跨航迹向,线阵天线平行于y轴方向安置,z轴方向为高程向。其中跨航迹向的分辨能力主要由DBF SAR阵列的等效相位分布和孔径长度确定;沿航迹向上则通过雷达平台本身的相对运动来实现合成孔径,进而实现沿航迹上的高分辨率成像;在高程上,则与传统雷达的斜距向类似,主要通过宽带信号实现。

图10 下视三维成像示意图及成像仿真结果

2.2 高性能动目标检测模式

2.2.1 提升SAR/MTI性能指标

利用同时方位向收/发DBF SAR技术可成倍地缓解常规SAR/MTI的最小可检测速度和盲速的矛盾,提升SAR/MTI的性能(如图11所示)。其基本原理是采用可区分信号的同时收/发,得到远多于阵元数目的观测通道。在保证一定阵列孔径的条件下,等效获得了密集的空间采样;或者在保证一定空间采样的条件下,等效获得更大的阵列孔径。

不同的子孔径配置或者可以在保证达到与传统SAR/MTI相同的盲速范围的条件下,将最小可检测速度降低为原来的N分之一;或者可以在保证一定的最小可检测速度的条件下,将盲速范围提高N倍,其中N为发射可区分信号的数目。

2.2.2 快速广域MTI扫描

数字雷达概念能够在每次扫描中都可以同时形成不同的子孔径结构。而且,即使在子孔径形成以后,仍能生成用于每个子孔径且方向不同的同时波束,如图12(b)所示。因此,并不需要一个扫描波束覆盖大面积区域。这极大地改进了MTI操作时的重访时间和目标照射时间。在极特殊情况下,可形成专门波束用于跟踪目标。传统相控阵中,每个子孔径只能形成单个波束,如图12(a)所示。为了覆盖大面积区域,波束必需扫描整个区域,因此该区域内的不同扇区只能有一小段时间能被照射到。

图11 收发DBF用于SAR/MTI示意图

图12 改进了MTI操作时的重访时间和目标照射时间

2.2.3 多目标跟踪和同时扫描/跟踪

基于DBF技术的SAR/MTI雷达能够形成多波束,同时跟踪多个目标。而且还可以让一部分波束执行扫描,另一部分波束执行对特定目标的跟踪,实现边扫描边跟踪,增加了处理的灵活性。

2.2.4 欠采样MTI模式

方位向口径(或方位向分辨率)和作用距离的矛盾带来了SAR系统PRF设计的压力。对于MTI模式而言,其PRF设计压力更大。由于单通道MTI模式的动目标检测性能差、定位精度低,一般采用多通道体制实现MTI,以更高的自由度获取更好的动目标检测性能与定位精度。而多通道子孔径接收的方式使得地杂波多普勒带宽更大,系统的PRF要求更高。

以形成三发三收波束为例来分析数字阵列SAR/MTI雷达。天线孔径长度为D,子孔径间距为d。图13给出了SAR/M TI相位中心示意图。三个子阵A1、A2和A3对应的发射相位中心分别为T1、T2和T3;接收相位中心分别为R1、R2和R3。阵元A1的等效相位中心为E11、E12、E13;阵元A2的等效相位中心为E21、E22、E23;阵元A3的等效相位中心为E31、E32、E33。将N个收发共用的MIMO系统等效为N个1发N收的MISO系统,每个MISO系统对应一个MTI通道。若用该体制实现多通道M TI,则可以用传统单通道系统的PRF实现传统多通道MTI系统的动目标检测与定位效果。

对于收发共用阵列的N发N收系统的一个PRT内各方位位置处的回波信号可以用矩阵表示如下:

这里,S ij表示第i个子阵发射,第j个子阵接收的信号,其中1≤i,j≤N。在SAR模式下,将矩阵的每一列相干叠加即等效于一个空间采样点,矩阵的列数即是SAR模式在一个PRT内等效的空间采样点数。在MTI模式下,矩阵的每一行可以空时等效重构为一个MTI通道,而行数就是等效的MTI的通道数。如此便可解决MTI模式的PRF设计的矛盾,同时可获取高的动目标检测性能和定位精度[2]。

图13 动目标检测模式相位中心

2.3 实现同时多模式、多任务

现代军事作战需要能同时工作的地面监视、目标跟踪和目标分类等模式。数字雷达可在同一时间完成多种功能,或同一时间分割地交替完成不同系统完成的功能,可同时实现HRWS条带、聚束、扫描、MTI、干涉、目标跟踪等多种模式,如图14所示。

图14 数字阵列SAR/MTI雷达同时多模式示意图

同时多模式是DBF SAR/MTI系统的潜力,系统在满足灵活捷变和自适应能力的条件下,设计适合多维空时耦合波形编码的信号形式和多维空时编码的方法。采用发射脉冲多维编码技术进行发射空间分集,结合接收上的多孔径数字波束形成技术实现同时多模式、多任务。图15给出了SAR/MTI雷达与通信一体化的示意图。

图15 数字阵列SAR/MTI雷达与通信一体化设计示意图

3 结束语

宽带DBF SAR/MTI系统具有许多常规SAR/MTI系统所不具备的优势。但受宽带数字阵列天线工程设计、宽带数据传输与处理能力、多维波形编码技术等因素限制,工程实现上具有较大的技术难度。随着数字阵列SAR/MTI系统概念与信号处理算法研究的不断深入,特别是在融合MIMO雷达理论后,数字阵列合成孔径雷达的基本原理与信号处理方法日渐完备,必须发展数字阵列SAR/MTI雷达工程化技术研究,才能从根本上推动此项技术研究与实用性进程。

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