分布式孔径相参雷达预警探测技术

周宝亮 雷子健 周东明 高红卫

(北京无线电测量研究所,北京 100854)

1 引言

分布式孔径雷达广义上指空间分置的多部雷达在统一的控制和调度下,实现对目标的协同探测。按技术实现手段划分,分布式孔径雷达分为“数据级”和“信号级”协同探测两个方面,“数据级”协同探测是利用各雷达自身探测能力(探测威力和测量精度等)获取目标的点迹和航迹等信息进行融合处理,实现对目标连续、稳定和精确的探测,传统的多雷达组网属于“数据级”协同探测范畴;“信号级”协同探测是综合利用各雷达能量域(发射信号和接收信号等)和空域等资源,实现雷达系统整体探测性能的提升。按是否相参,“信号级”协同探测又分为非相参探测[1-3]和相参探测[4-6]两方面,非相参探测是指各雷达之间信号不相参。在技术发展方面,相参探测技术大致分为三个阶段:一、仅接收相参处理阶段,获得N倍相参合成增益改善(N为雷达数目);二、相参MIMO雷达阶段[7-10],获得N2倍相参合成增益改善;三、分布式孔径相参雷达阶段[11-18],获得N3倍相参合成增益改善。三个发展阶段中,分布式孔径相参技术获得的增益改善最大、性能提升最明显、技术实现水平最高,是分布式孔径雷达重要的发展方向。国外方面,以美国林肯实验室为代表,进行了分布式孔径相参技术机理研究,提出了雷达系统架构,研究了参数估计方法,并进行了一系列验证试验,试验结果表明控制单元雷达发射延时和相位可使发射信号同时同相到达目标,获得N3倍相参合成增益改善。由于分布式孔径相参雷达在机动性、灵活性和扩展性等方面的优势,美国国家科学院提出GBX雷达概念,由两部AN/TPY-2雷达堆叠,通过相参探测,提升反导识别能力[19]。国内研究机构和学者对分布式孔径相参技术也表现出了浓厚的兴趣,在分布式雷达系统总体、波形设计、参数估计、联合孔径测角、时频同步、抗干扰[20]和成像等方面开展了卓有成效的研究,对技术进步起到了重要的推动作用,部分研究成果可直接用于雷达系统实现。

从应用领域出发,分布式孔径雷达相参探测可应用于防空反导、预警探测、精密跟踪和空间目标监视等领域;从适用平台出发,分布式孔径雷达相参探测可适用于陆基、海基、空基和天基等多种平台。本文将针对分布式孔径雷达相参探测在预警领域的应用开展技术研究,首先分别给出了一发多收和多发多收相参合成预警探测工作原理;然后从探测威力和检测性能两方面对相参合成预警探测性能进行了分析;最后,通过试验验证了相参合成预警探测的性能优势。

2 相参合成预警探测工作原理

按照收发体制划分,相参合成预警探测分为一发多收和多发多收两种体制。相比于多发多收,一发多收相参合成预警探测具有雷达系统简单、易于实现和成本低的特点,但多发多收相参合成预警探测性能改善更为明显,两种收发体制各具特点和优势,本节将分别介绍其工作原理。

2.1 一发多收工作原理

一发多收相参合成预警探测如图1所示,系统只存在一部发射单元雷达,其余单元雷达只负责接收。

设接收单元雷达数目为N,每个接收端都存在一个回波,对所有回波进行相参合成处理,相比单元雷达能够获得N倍最大信噪比增益改善,如图2所示为一发多收相参合成探测原理示意图。

图2 一发多收原理示意图(获得N倍增益)Fig.2 Schematic diagram of Multiple input Single Output (with SNR improved N)

2.2 多发多收工作原理

多发多收相参合成预警探测如图3所示,系统由多部收发雷达组成,按基线间距分为短基线和长基线相参预警探测两种情况。

2.2.1 短基线相参预警探测

短基线相参预警探测,单元雷达基线较短,可认为单元雷达之间具有相同的探测视角,基线间距满足电磁波辐射远场条件:

(1)

式中,R为雷达探测距离,λ为雷达工作波长。

图3 多发多收相参探测示意图Fig.3 Coherent detection diagram of Multiple Input Multiple Output

短基线相参预警探测工作流程如图4所示,主要为相参搜索探测,根据搜索模式分为大空域搜索和重点区域小空域搜索。

图4 相参合成预警探测工作流程Fig.4 Workflow diagram of early warning coherent synthesis detection

a)大空域搜索

大空域搜索情况下,采用接收相参模式对目标进行搜索,单元雷达之间发射相互正交的波形,发射波束在空间不发生干涉作用,联合搜索波束宽度与单元雷达一致,有利于快速实现对大空域范围的搜索。

接收相参模式下单元雷达不仅接收自己发射的信号也接收其他单元雷达发射的信号,中心控制处理系统对接收的所有回波信号进行相参合成处理,利用相参合成处理后的数据进行目标检测。设单元雷达数目为N,通过对所有接收回波信号进行匹配滤波处理,获得N2路回波,根据每个回波对应的相位与延时进行接收相参合成,接收信号总功率为N4E,E为一路回波信号功率,噪声功率为N2σ2,σ2为一路回波噪声功率,信噪比为SNR=N2E/σ2。相比单元雷达,获得N2倍最大信噪比增益改善,其原理如图5所示。

图5 接收相参原理示意图(获得N2倍增益改善)Fig.5 Schematic diagram of receiving coherence (with SNR improved N2)

b)重点区域小空域搜索

重点区域小空域搜索情况下,采用收发相参模式对目标进行搜索,一般情况下,收发相参搜索适用于低波段雷达系统。单元雷达之间发射相同波形,通过控制单元雷达发射信号的延时和相位,使发射信号在空间实现能量合成,同时在接收端进行接收相参合成处理,利用收发全相参合成处理后的数据进行目标检测。但区别于收发相参合成跟踪,收发相参合成搜索时,目标信息未知,无法通过目标信息获取发射信号的延时相位值,可采用基于标定的参数估计方法、基于基线反演的参数估计方法等方法,这里不重点描述。

设单元雷达数目为N,发射相参和接收相参信号总功率为N2·N2E,接收相参噪声功率为Nσ2,信噪比为SNR=N3E/σ2,相比单元雷达,获得N3倍最大信噪比增益改善,其原理如图6所示。

2.2.2 长基线相参预警探测

长基线相参探测单元雷达之间具有不同的探测视角,为了实现相参探测,除单元雷达之间要保持相参,目标回波信号也要保持一定的相参性。为了保证回波信号具有相参性,基线间距需满足如下关系[21]:

(2)

式中,L为探测目标尺寸。

长基线相参预警探测采用接收相参模式对目标进行搜索,原理如图5所示,获得N2倍最大信噪比增益改善。

3 相参合成预警探测性能分析

分布式孔径雷达相参合成预警探测分为一发多收和多发多收两种体制,多发多收体制下系统又可工作于接收相参和收发相参两种模式。其中收发相参模式工作过程最为复杂,因此本节首先针对相参合成预警探测收发相参模式下探测性能进行理论推导分析,然后开展接收相参模式与一发多收模式下探测性能理论分析,最后对三种模式下相参合成预警探测性能进行了仿真研究。

3.1 收发相参模式

分布式孔径相参雷达由N部单元雷达组成,收发相参模式下,各单元雷达发射相参波形,联合天线增益[22-23]为:

(3)

式中,P(θ,φ)是在(θ,φ)方向的辐射强度,P(θ,φ)max是天线的最大辐射强度,Gt为单元雷达天线增益,γ为增益系数,当单元雷达间距等于半波长整数倍时,γ=1,分布式孔径相参合成雷达的单元雷达间距一般在几十倍波长以上,在此条件下,γ的取值随距离变化在1上下振荡,且随距离增大逐渐趋近于1。

单元雷达发射功率为Pt,由于天线各向同性辐射,分布式孔径相参合成雷达总功率为P=NPt。离雷达半径为R的球体的表面积为4πR2,则沿波束轴方向功率密度为:

图6 收发相参阶段原理示意图(获得N3倍增益改善)Fig.6 Schematic diagram of transmitting and receiving coherence (with SNR improved N3)

(4)

波束轴上距离为R,雷达散射截面(RCS)为σ的目标拦截部分发射信号并各向同性辐射,则雷达处功率密度为:

(5)

若分布式孔径相参合成雷达有效接收面积为Ar,则雷达接收回波功率为:

(6)

由天线理论可知,收发共置的天线其接收增益等于发射增益,天线增益和有效面积之间有以下关系:

(7)

则雷达接收回波功率可表示为:

(8)

其中

(9)

为单元雷达单独工作时的接收功率,Gr为单元雷达天线接收增益,同样由天线理论知,Gr等于Gt。

分布式孔径相参合成雷达接收机输出噪声功率表示为:

N0=kTsBn

(10)

式中,k为玻尔兹曼常数,Bn为接收机带宽;Ts为系统输入噪声温度。

当接收机实际输出信噪比S/N0等于可靠检测最小输出信噪比SNRmin,即S/N0=SNRmin时,可得分布式孔径相参合成雷达最大作用距离为:

(11)

式中τ=1/Bn为等效脉冲宽度。

考虑实际传播路径与系统损耗影响,分布式孔径相参合成雷达最大作用距离表示为:

(12)

式中,Ft为发射方向图传播因子,Fr为反射方向图传播因子,CB为带宽修正因子,L为系统损耗。

分布式孔径相参合成雷达基线间距一般在几十倍波长以上,γ≈1,上式可改写为:

(13)

即收发相参模式下,分布式孔径相参合成雷达威力等效于一个相同功率孔径积的大雷达威力。

3.2 接收相参模式

接收相参模式下,各单元雷达发射正交波形,总功率仍为P=NPt。由于波形正交性在空间不进行相参合成,没有发射增益改善,只有接收增益改善,相当于几个单发多收系统的结合,因此接收相参模式下分布式孔径相参合成雷达最大作用距离表示为:

(14)

3.3 一发多收模式

N个孔径接收回波信号,通过相参合成,相比单元雷达能够获得N倍最大信噪比增益改善,最大作用距离可表示为:

(15)

3.4 性能仿真分析

3.4.1 探测威力性能分析

由上述分析可知,分布式孔径相参合成雷达工作于一发多收模式时,探测威力提高N0.25倍;多发多收接收相参模式时,探测威力提高N0.5倍;多发多收收发相参模式时,探测威力提高N0.75倍,探测威力较单元雷达改善如图7所示。

图7 探测威力性能分析Fig.7 Performance analysis of radar detection power

3.4.2检测性能分析

在Swerling5型目标(恒定RCS),虚警概率为10-6条件下开展分布式孔径相参合成雷达检测性能分析,表1给出了Pfa=10-6时检测概率与信噪比的关系,通过表1可以发现,当信噪比为11 dB时,检测概率仅为44.34%,但当信噪比提升3 dB,为14 dB时,检测概率达到97.17%,说明信噪比的改善对于检测性能的提升十分明显。

表1 Pfa=10-6时检测概率与信噪比的关系

分布式孔径相参合成雷达工作于一发多收模式时,其信噪比提高N倍;多发多收接收相参模式时,其信噪比提高N2倍;多发多收收发相参模式时,其信噪比提高N3倍。图8给出了不同雷达数目条件下多发多收接收相参合成检测性能仿真结果。

图8 多发多收接收相参合成检测性能分析Fig.8 Detection performance analysis of Multiple Input Multiple Output receiving coherence

4 相参合成预警探测试验

4.1 试验系统简介

为了验证相参合成预警探测性能,利用两部低频段米波相控阵雷达构建了一发两收相参合成预警探测试验系统,试验系统由收发天线站(主站)、仅接收天线站(副站)、电子设备舱和标校车组成,如图9所示为试验系统示意图,电子设备舱完成相参合成预警探测信号处理,目标检测和数据处理等工作。

图9 一发两收相参合成预警探测试验系统示意图Fig.9 Diagram of early warning coherent synthesis detection of Two Input Single Output test system

4.2 试验结果分析

利用试验系统,对飞机目标开展了相参合成预警探测试验,通过录取单元雷达与相参合成回波数据,开展相参合成性能与相参探测性能分析。

4.2.1 相参合成性能分析

如图10所示为相参合成搜索飞机目标试验结果,由图10可以看出,该波位回波存在着3个目标。

对于目标1,其相参合成结果如图11所示,主站信号幅度为338.3,副站信号幅度为859.5,合成后信号幅度为1196,合成效率为99.85%,接近于幅度改善理论值。

图10 相参合成搜索飞机目标试验结果Fig.10 Result of coherent synthesis search test of aircraft

图11 目标1相参合成结果Fig.11 Coherent synthesis result of target 1

目标2和目标3相参合成结果如图12所示,目标2主站信号幅度为296.4,副站信号幅度为176.1,合成后信号幅度为472.1,合成效率达到99.92%;目标3主站信号幅度为127.3,副站信号幅度为85.38,合成后信号幅度为210.7,合成效率达到99.07%。对于目标3,虽然其回波信号幅度较小,但相参合成效果依然接近于理论值,充分验证了相参合成算法在实际应用中的有效性。

图12 目标2与目标3相参合成结果Fig.12 Coherent synthesis results of target 2 and 3

4.2.2 相参探测性能分析

试验过程中分别对主站雷达搜索的点迹和相参合成搜索的点迹进行关联形成航迹,并同时在显控软件上进行显示,有利于直观的比较相参合成搜索性能。

图13为对飞机目标相参搜索航迹结果,紫红色曲线代表单元雷达形成的航迹,绿色曲线代表相参合成形成的航迹。从图中可以看出,相参合成预警探测相比于单元雷达能够提前发现飞向雷达的目标,同时对远离雷达的目标能够形成更长距离的航迹,验证了相参合成预警探测的性能优势。

图13 第一次飞机目标相参搜索航迹结果Fig.13 The first time coherent synthesis search tracks of aircraft targets

图14为另一次对飞机目标相参搜索航迹结果,从图中可以看出,相参合成预警探测能够对目标形成稳定航迹,并能够持续一段时间,而单元雷达不能稳定形成航迹,同时,相对于单元雷达能够对目标形成更长距离的航迹跟踪。

图14 第二次飞机目标相参搜索航迹结果Fig.14 The second time coherent synthesis search tracks of aircraft targets

针对典型场景进行相参合成预警探测性能分析与讨论。如图15所示为相参合成搜索航迹结果,航迹1目标远离雷达飞行,当达到一定飞行距离后,单元雷达不能稳定形成航迹,而相参合成探测依然能够稳定形成航迹,并能够持续一段时间。航迹2目标只有相参合成探测形成了连续稳定的航迹。

图15 相参搜索航迹结果Fig.15 Result of coherent synthesis search tracks

图16给出了图15中单元雷达航迹1以及相参合成探测航迹1的回波幅度值,由图16可以看出,相参合成探测航迹比单元雷达航迹要长,对应的点迹数目多,并且相参合成探测航迹回波幅度值较单元雷达回波幅度值改善明显,验证了相参合成预警探测优势。

图16 单元雷达航迹与相参联合航迹回波幅度对比图Fig.16 Echo amplitude comparison between unit radar and coherent synthesis radar

5 结论

本文首先分别给出了一发多收和多发多收相参合成预警探测工作原理;然后分别从探测威力和检测性能两方面对相参合成预警探测性能进行了分析;最后,通过试验验证了相参合成预警探测的性能优势。通过试验得出如下结论:

(1)飞机目标试验中,多目标相参合成效果接近理论值,验证了搜索多运动目标条件下相参合成性能;(2)飞机目标试验中,相参合成预警探测性能稳定,航迹连续,通过与单元雷达搜索航迹比较,相参合成预警探测距离更远,能够提早发现目标,形成稳定航迹,具有明显的探测优势。