球载共形稀布阵综合脉冲孔径雷达系统分析

张新苗

(中国电子科技集团公司 第三十八研究所,安徽 合肥 230088)

法国航空航天研究院(ONERA)提出综合脉冲孔径雷达(synthetic impulse and aperture radar,SIAR)的概念[1-2]。SIAR能实现对每个发射通道的激励信号进行正交编码,通过多个全向天线辐射到空间中,接收到空间回波后通过一组逆编码系数恢复每个单元的辐射分量,并通过延时补偿后进行相参积累,既合成了具有高分辨力的窄脉冲回波,又能得到等效窄发射波束。同时,SIAR通过长时间相干积累,能够获取精度更高的多普勒分辨率,因此对慢速目标的探测性能相对较好[3]。

为了获得更高的雷达角度分辨率,需要较大的天线阵面,从而会导致天线单元数量增大和系统复杂度加大。这是由于在较大的天线口径下虽然能够对天线单元进行稀布阵实现窄的天线波束,但是稀布阵却具有较高副瓣,从而降低了系统能量利用率[4]。受地球曲率的限制,地面雷达对低空、超低空突防目标无法实现远距离发现[4]。气球载雷达可以在一定程度上克服地球曲率的影响,通过大型系留气球平台将雷达载荷升至高空进行探测,能大幅提升雷达系统对低空、超低空目标的探测距离。由于气球载雷达系统一般采用下视方式工作,使得对地方向入射角度增大,且地杂波强度比地面雷达大得多,因此一定程度上增加了目标检测难度[5]。

本文针对大型系留气球平台,对球载共形稀布阵综合脉冲孔径雷达系统进行了建模和仿真分析,构建了球载共形稀布阵列,并对该稀布阵进行方向图仿真和优化,针对升空工作情况下地杂波进行仿真分析。本文研究为系留气球挂载稀布阵综合脉冲孔径雷达的可行性提供了理论支撑,并为后续工程设计与应用提供支撑。

1 稀布阵形式

球载共形稀布阵综合脉冲孔径雷达发射阵采用圆形阵列形式,发射天线和电子设备安装在球体底部整流罩内部,接收采用稀布阵列形式,接收天线单元贴装在主囊体表面,其结构如图1所示,其中,稀布阵天线口径为15 m×10 m,共形部署在球体侧面,共144个单元,填充率50%,方框内部每个点代表接收天线单元的安装位置,发射阵方框中的点代表发射天线单元的安装位置。

图1 球载综合脉冲孔径雷达稀疏布阵形式

2 共形SIAR方向图仿真

空间天线单元位置与目标位置之间的矢量关系如图2所示。一般地,在对共形SIAR的方向图进行仿真时,可根据各个天线单元在曲面上空间坐标位置及单元方向图,即可以按照共形SIAR指向要求计算出每个天线单元对应通道的空间幅度和相位系数,从而通过数字波束形成技术计算出共形阵列的天线方向性系数[6-7]。

图2中,曲面上N个单元中第i个天线单元的空间坐标可以表示为(Xi,Yi,Zi),i=0,1,…,N-1。第i个天线单元的电场辐射方向性系数为fi(φ,θ),其中，φ为空间方位角;θ为俯仰角;每个单元对应的法向为(Ai,Ei),Ai为以第i个天线单元为原点的坐标系的方位角,Ei为俯仰角。

图2 曲面上天线单元与目标间矢量关系

目标方向为矢量R,对应的球坐标为(R,A,E),其中,R为距离;A为方位角;E为府仰角。

以坐标原点为相位参考中心,则在目标方向空间合成电场强度[8-10]可以表示为:

(1)

由于系留气球表面的各向异性,不能直接将天线单元的方向性系数代入进行计算,因此必须考虑目标方位矢量与天线单元法向之间的空间关系,空间合成场强可以表示为:

(2)

其中,Ri为第i个天线单元与目标之间的距离,Ri=R-ΔRi,ΔRi为第i个天线单元与坐标原点在目标方向上的距离差。

通过理论建模仿真,144个单元的共形稀疏阵列天线方向图如图3所示。

图3 稀布接收阵方向图

从仿真结果可以看出,加汉明窗后方位面波束宽度为2.8°,第1副瓣为-22.3 dB;俯仰面波束宽度为8.8°,第1副瓣为-14.5 dB。

3 球载SIAR地杂波建模仿真

假定雷达发射频率为f、脉冲重复频率为fr、雷达平台高度为He。地面相对雷达的散射点P用下视角θ和方位角φ表示。

由于存在距离模糊和速度模糊,出现在距离-多普勒检测单元中的整个地面反射杂波σc(Ri,fj)简记为σc(i,j)，其包含一系列模糊距离-多普勒单元。每个距离-多普勒单元由2个以气球雷达平台下方地面为中心的恒定距离圆(ΔR)和2个恒定的等速度线(ΔF)所围成,设斜距为R,其杂噪比[11-12]为:

Gr(θp,-φq)]D(Rp,fq)

(3)

Rp≤R≤Rp+ΔR,fq≤f≤fq+Δf

(4)

其中,Pt为雷达峰值发射功率;λ为雷达发射波长;G(θ,φ)为天线方向性系数;L为系统损失;CB为带宽校正因子;ΔR为距离门宽度。

对于每个杂波单元,其等效散射截面积σc为:

(5)

其中,σ0为后向散射系数;φ为雷达波束擦地角;θα为雷达波束方位向宽度;R为杂波单元到雷达的距离。

系留气球平台在空中属于慢动平台,平台的慢速移动导致杂波展宽,对杂波背景下的目标进行检测,在设计滤波器时需要考虑地杂波展宽的影响。

回波杂噪比的空域分布和频域分布状况如图4所示。

图4 回波杂噪比分布图

由于稀布阵的副瓣较高,回波杂噪比很大,杂波很强。

此外,由于平台的运动速度较低,因此杂波在频域展宽较小,而综合孔径脉冲雷达同时对多个通道的回波进行相参积累,可以通过频域滤波的方式对地杂波进行抑制,以提升强杂波背景下的目标检测性能。

4 SIAR探测性能分析

通过杂波建模仿真可以得到球载SIAR系统对地杂波改善因子需求，如图5所示。由图5可知，球载SIAR系统对地杂波改善因子比常规雷达系统对地杂波改善因子需求高10 dB左右,究其原因主要如下:

(1) 球载SIAR系统副瓣比常规雷达差,常规雷达最大副瓣一般为-30 dB左右,而球载SIAR系统方位副瓣则为-22.3 dB,从而导致地杂波强度比常规雷达高。

(2) 球载SIAR系统综合带宽比常规雷达窄,本文仿真条件为500 μs脉冲宽度,相参积累128个脉冲,综合带宽为0.256 MHz,常规雷达探测常用瞬时带宽为2.5 MHz,常规球载雷达瞬时带宽更高。

综上可见,在进行球载SIAR系统设计时需要从天线副瓣、探测波形优化设计2个方面提升系统性能,即以天线副瓣水平为约束条件对稀布阵的形式进行优化,以降低稀布阵的副瓣。

此外,用更窄的脉冲、更多的相参积累脉冲数进行探测可以增大综合带宽,提高距离分辨率,改善系统回波的信杂噪比,从而能提升系统探测性能,不过会导致系统运算量增大,因此需要权衡优化设计。

图5 杂波改善因子需求与距离分布关系

5 结 论

本文对球载共形稀布阵SIAR进行了建模和仿真分析,构建了球载共形稀布阵列,对该稀布阵进行天线方向图仿真,并针对升空工作情况下地杂波进行了仿真分析。

研究表明,在进行球载共形稀布阵SIAR设计时,需优先对稀布阵副瓣水平进行优化设计,使天线副瓣降至最低。

此外,由于球载平台重量限制,在硬件设备运算能力允许的前提下,要尽可能使用更窄的脉冲、更多的相参积累脉冲数进行探测以提升系统探测能力。