天基外辐射源雷达地杂波抑制技术研究

李雁斌 黄勇 张志俊

1.上海无线电设备研究所上海200090

天基外辐射源雷达是一个双基地或多基地雷达系统,其本身不使用发射机,利用导航、通信卫星信号作为外辐射源,并将雷达接收机安装在飞机、无人机、飞艇、气球、卫星等广义天基平台上,侦收空中目标对外辐射源电磁场的扰动实现目标探测[1−2].

在天基外辐射源雷达信号处理流程中,地杂波抑制是系统面临的主要难点.传统地基雷达的杂波谱主要分布在零多普勒频率附近一个较窄的频带内,杂波抑制相对简单,而天基外辐射源雷达的杂波环境更为复杂,平台和外辐射源的自身运动使得地杂波分布具有空时二维分布特性[3−4].一方面,由于平台运动的径向速度分量造成地杂波谱整体的多普勒频移;另一方面,各杂波单元由于相对平台方位的不一致造成多普勒频移的不一致性,进而造成主瓣杂波谱的多普勒展宽[5−6].显然,天基外辐射源雷达的地杂波抑制与外辐射源和平台选择、地杂波特性密切相关,因此,本文首先针对上述两方面问题展开了详细论述.

1 外辐射源和平台选择

天基外辐射源可分为两类,一类是低轨雷达卫星(LEO),另一类是中轨及地球同步轨道卫星(MEO/GEO).例如,德国的TerraSAR-X和意大利的Cosmo SkyMED高分辨率雷达卫星都属于LEO雷达卫星,而通信卫星和全球定位卫星都属于MEO/GEO卫星[7].

由表1可知,诸如Radarsat-2此类的LEO雷达卫星相对于通信卫星和全球定位卫星具有更高的辐射功率水平,但是它的重访周期长达24天,因此,LEO雷达卫星无法满足动目标探测的战术需求.

尽管通信卫星的辐射功率低于LEO雷达卫星,但是它们与地球保持相对静止,并通过星座组网实现全球覆盖,可以对感兴趣区域进行持续照射,因此,本文选择GEO通信卫星作为天基外辐射源,例如Inmarsat-4通信卫星系统[8].

而安装雷达接收机的天基平台则采用LEO轨道的卫星平台,一方面可减小雷达平台与目标的相对距离,另一方面通过宽刈幅扫描实现全球覆盖.

2 地杂波特性

由于外辐射源采用地球同步轨道卫星,其相对地面是静止不动的,而天基平台上雷达接收机的天线阵列与杂波散射体的几何关系如图1所示,雷达天线阵列采用侧视阵,即天线阵元平行于雷达平台运动方向.

表1 天基外辐射源统计表

图1 外辐射源雷达与杂波散射点几何关系

那么地面上一杂波散射点P的回波多普勒频率为

式中,v为雷达平台的速度,λ为雷达工作波长,ϕ为方位角,θ为俯仰角,α为空间锥角[9−10].

以星载平台为例,设平台运动速度为7.5km/s,轨道高度500km,工作波长0.1m,根据图1所示的坐标关系仿真了天基外辐射源雷达的等多普勒线和等距离线.

如图2所示,雷达位于图的中心,箭头所示为雷达平台运动方向.等多普勒线是以雷达所在位置为中心,相对于雷达运动航线对称的双曲线,不同颜色的等多普勒线代表具体的多普勒频率值,单位为赫兹(Hz);等距离线是以雷达所在位置为圆心的若干同心圆,称其为等距离圆,等距离圆的不同半径代表不同的双站相对距离值[11−12].

图2 等距离线和等多普勒线

可见,在天基外辐射源雷达较宽的天线波束内,不同距离、方位角的地杂波将在互模糊函数二维平面上沿频率维展宽,甚至淹没相同距离处的动目标回波,这使得采用一部测量天线无法在频率维将目标回波从杂波中提取出来.

3 地杂波抑制

目前,常用的杂波抑制技术主要有动目标指示(Moving target indicator,MTI)技术、动目标检测(Moving target detection,MTD)技术、时间平均杂波相干机载雷达(Time average clutter coherent airborne radar,TACCAR)技术、DPCA技术和STAP 技术[13−14].

其中MTI和MTD属于一维频域杂波抑制技术,TACCAR属于一维时域处理技术,而DPCA和STAP属于空时二维信号处理技术,可用于解决距离、方位强烈耦合的地杂波抑制问题.

3.1 DPCA方法

如图3所示,DPCA要求天线阵列各通道沿飞行的轴向排列,且在每个脉冲重复间隔上,使后一通道的相位中心与前一通道的相位中心位置重合.这样,相邻两通道接收到的任何相邻两帧信号可看作来自于空间中同一个固定的相位中心,利用经典的双脉冲对消器即可消除杂波干扰[15].

图3 DPCA方法

3.2 STAP方法

如图4所示,STAP方法首先将每个通道的回波与直达波进行混频相关处理,然后通过空域FFT变换将相关结果沿方位维细分成若干子带信号,再对每个子带信号采用归一化最小均方差(NLMS)滤波方法抑制地杂波干扰,最后对滤波后的每个子带信号进行频域FFT变换,获得方位—速度二维平面[16].

图4 STAP方法

4 仿真及结论

如图5(a)所示,假设一组静止目标和4个动目标分布在一个椭圆上,辐射源和天基雷达分布位于椭圆的两个焦点,使得地杂波和目标回波处于雷达接收机的同一距离单元内,雷达平台速度为7.5km/s,积累时间为1s,辐射源载频1.5GHz,带宽200kHz,采样率1MHz.

图5 地杂波抑制算法仿真

由图5(b)可知,双通道DPCA和STAP算法对地杂波的抑制效果相当,可使地杂波平均衰减30dB左右,而DPCA的算法复杂度较低,工程实现性更好,但双通道间的均衡问题是下一步需要重点研究的方向.