大型稀疏陣列天基雷達系統(tǒng)分析

潘 潔 李道京 周建衛(wèi) 盧曉春

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大型稀疏陣列天基雷達系統(tǒng)分析

潘 潔*①②李道京①周建衛(wèi)①②盧曉春③

①(中國科學(xué)院電子學(xué)研究所 北京 100190)②(中國科學(xué)院大學(xué) 北京 100049)③(中國科學(xué)院國家授時中心 西安 710600)

天基雷達可以在全球范圍內(nèi)實現(xiàn)運動目標(biāo)探測和對地高分辨率成像。該文研究了天基雷達系統(tǒng)問題，基于大型稀疏陣列天線，論述了天基雷達的技術(shù)體制和關(guān)鍵技術(shù)，設(shè)計了基于稀疏陣列的MEO軌道X波段天基雷達系統(tǒng)參數(shù)并分析了其系統(tǒng)性能，為天基雷達的技術(shù)實現(xiàn)提供了一種新的途徑。

天基雷達；稀疏陣列；目標(biāo)探測；SAR成像；雷達系統(tǒng)

1 引言

天基雷達(Space-Based Radar, SBR) 以衛(wèi)星作為觀測平臺，可實現(xiàn)對地高分辨率成像和對空間、空中、地面、海面運動目標(biāo)探測，能連續(xù)對陸?？仗炷繕?biāo)進行全方位的偵察監(jiān)視，實現(xiàn)天基預(yù)警。天基雷達作為獲取信息的核心裝備，在國家戰(zhàn)略防御預(yù)警系統(tǒng)中具有重要地位，現(xiàn)已成為當(dāng)今世界各航天軍事大國的研究重點[1]。

衛(wèi)星軌道通常按照高度分為低軌(LEO)、中軌(MEO)、同步衛(wèi)星軌道(GEO)。LEO軌道高度約為700~1200 km，全球覆蓋約需20~30顆衛(wèi)星；MEO軌道高度約為8000~13000 km，全球覆蓋約需15~25顆衛(wèi)星；GEO軌道高度為35800 km，全球覆蓋約需3~4顆衛(wèi)星。較高的衛(wèi)星軌道，可以提高覆蓋范圍、減少觀測衛(wèi)星數(shù)目、增加駐留時間用于運動目標(biāo)探測，對天基雷達預(yù)警具有重要的意義。

由于探測距離遠(yuǎn)，天基雷達需要大功率孔徑積、輕量化、可展開而且收攏體積小的有源相控陣天線[2]。美國空軍實驗室支持研制的X波段有源透鏡天線，發(fā)射前可收攏，發(fā)射后采用充氣硬化展開，但其全陣的陣面控制精度需要有特殊措施保證[3]。

考慮到星上供電能力有限，天基雷達必須采用大尺寸天線。當(dāng)軌道高度大于10000 km時，用于運動目標(biāo)探測的天基雷達，其功率孔徑積應(yīng)大于65 dBwm2 [1,4]。當(dāng)天線發(fā)射平均功率需控制在20~30 kw量級，其天線面積應(yīng)在250 m2左右。在采用大面積天線保證功率孔徑積的條件下，進一步增大天線尺寸提高其空間分辨率有助于對運動目標(biāo)探測定位精度的提升。這種大型天線采用傳統(tǒng)技術(shù)很難工程實現(xiàn)。

稀疏陣列天線及其孔徑綜合技術(shù)在射電天文望遠(yuǎn)鏡、地基/星載/機載成像輻射計和地基對空觀測雷達中已獲得了廣泛的應(yīng)用。近年來，中國科學(xué)院電子學(xué)研究所積極開展了稀疏微波成像理論和方法的研究[8]，深入研究了稀疏陣列天線雷達技術(shù)，已取得了一定的研究成果[9]。目前稀疏陣列天線應(yīng)用于機載雷達[10]和艇載雷達[11,12]的研究工作已經(jīng)展開，本文將相關(guān)概念引入天基雷達，論述了基于大型稀疏陣列的天基雷達的技術(shù)體制和關(guān)鍵技術(shù)，設(shè)計了基于稀疏陣列的MEO軌道X波段天基雷達系統(tǒng)參數(shù)并分析了其系統(tǒng)性能。

2 技術(shù)體制和工作原理

(1)概念： 基于大型稀疏陣列的天基雷達是指利用稀疏陣列天線孔徑綜合技術(shù)，通過空-時-頻信號處理，以較高的空間分辨率和較少的設(shè)備體積重量實現(xiàn)運動目標(biāo)探測和對地成像的雷達系統(tǒng)。主要由大型稀疏陣列天線和中央電子設(shè)備兩大部分組成，其中稀疏陣列天線由多個可2維電掃描的有源相控子陣和天線展開機構(gòu)組成。

(2)體制： 稀疏陣列天基雷達是各子陣采用正交信號實現(xiàn)寬波束發(fā)射，工作在寬發(fā)窄收方式下的多發(fā)多收體制雷達系統(tǒng)。其全陣高空間分辨率波束形成中的孔徑綜合和窄波束接收，可理解是基于子陣級接收DBF進行處理。

(3)稀疏陣列天線孔徑綜合原理： 利用在空間優(yōu)化稀疏布局的多發(fā)多收結(jié)構(gòu)天線系統(tǒng)，可獲得更小間隔的空間采樣點并產(chǎn)生新的天線相位中心，通過在空間重排處理，可使相位中心的數(shù)量和分布情況與滿陣天線相同，在獲取全陣高空間分辨率天線波束的同時，避免產(chǎn)生柵瓣和較高的旁瓣。

(4)大型陣列形變的測量和天線波束形成方法：

從原理上講，只要精確測量和估計陣列形變誤差并實施補償，就有可能形成理想的天線方向圖。由于陣列天線方向圖形成和合成孔徑雷達成像在本質(zhì)上是一致的，合成孔徑雷達的成像可理解為利用不同時刻的空間采樣實現(xiàn)了大型陣列的瞬時空間采樣。在此基礎(chǔ)上，傳統(tǒng)的天線波束形成問題也可轉(zhuǎn)化為雷達成像處理問題，故合成孔徑雷達成像處理中的運動補償方法也可以用于大型陣列形變誤差的補償。

(5)特點： 采用稀疏陣列天線，在同樣的發(fā)射功率孔徑積條件下，不僅可以大幅度提高有源陣天線的空間分辨率，而且便于發(fā)射前收攏和星上展開。

3 關(guān)鍵技術(shù)和解決途徑

3.1 大型稀疏陣列天線設(shè)計

主要內(nèi)容包括大型天線陣列優(yōu)化布局技術(shù)、高效輕量有源相控子陣技術(shù)、接收和發(fā)射DBF技術(shù)、稀疏陣列天線收攏和展開機構(gòu)技術(shù)等。

隨著技術(shù)的發(fā)展，目前高效輕量有源相控陣天線(AESA)技術(shù)已有長足的發(fā)展。AESA的關(guān)鍵部件T/R組件，初期是磚塊Brick結(jié)構(gòu)，體積大而重，很難滿足的安裝尺寸要求，生產(chǎn)需要許多手工參與，成本高，不易小型化設(shè)計。隨著MMIC, LTCC, HTCC, SOC等的技術(shù)進步，美國、德國等西方先進國家已經(jīng)設(shè)計制造出帶輻射陣元立體集成的瓦片式Tile的T/R，并已成功裝備到F-15戰(zhàn)斗機上使用。德國EADS公司已提出星載TerraSAR-X的磚塊Brick式T/R到瓦片Tile式T/R的過渡計劃。

2006年，國外在X波段由多層LTCC+HTCC的帶輻射元的立體集成T/R組件尺寸為15 mm×15 mm×8 mm，重量小于4 g，輸出功率4 W，噪聲系數(shù)NF為3.5 dB。

由于瓦片式T/R組件，薄而輕，易小型化設(shè)計，便于星上使用。瓦片式T/R組件可以大大減少生產(chǎn)中的手工參與，便于自動化生產(chǎn)和各工序中的檢測，有利于降低成本，改善和提高可靠性。

基于小型芯片T/R組件和平面集成技術(shù)，目前國外研制的X波段輕質(zhì)低功率密度有源相控陣天線，已用于平流層飛艇的驗證試驗[13]，其重量密度達到1.8 kg/m2，在接收狀態(tài)下功耗為4.7 W/m2。設(shè)計并選擇低峰值功率芯片T/R組件有利于天基雷達天線的小型化和散熱，是目前的發(fā)展趨勢[14]。

本文大型稀疏陣列天線，子陣擬設(shè)計成剛性結(jié)構(gòu)，全陣擬工作在非剛性狀態(tài)下，其收攏和展開方式可和衛(wèi)星太陽翼類似。

3.2 多子陣相位中心高精度測量和陣列誤差補償

主要內(nèi)容包括基于分布式位置和姿態(tài)測量系統(tǒng)(POS)多子陣相位中心高精度測量技術(shù)、基于回波信號的陣列誤差估計技術(shù)、大型陣列誤差高精度補償技術(shù)等。

本文大型天線全陣擬工作在非剛性狀態(tài)下，多子陣相位中心高精度測量和陣列誤差補償就成為一項關(guān)鍵技術(shù)，擬采用安裝在各子陣上的分布式POS形成多節(jié)點測量系統(tǒng)，完成陣列形變誤差測量并引入SAR成像處理中的運動補償方法實施誤差補償，同時考慮使用雷達成像常用的自聚焦技術(shù)實施陣列誤差估計和補償。

陣列形變誤差測量精度的要求約為1/16個波長，在C和X波段對應(yīng)的相對空間位置測量精度分別約為3.0 mm和1.5 mm。文獻[15]分析了分布式POS的測量精度和用于陣列形變誤差測量的可行性，文獻[12]分析了艇載陣列形變誤差對成像的影響并實施了陣列形變誤差補償。

3.3 運動目標(biāo)探測和對地高分辨率成像

主要內(nèi)容包括低信噪比運動目標(biāo)探測技術(shù)、高速運動目標(biāo)探測技術(shù)、地面雜波抑制技術(shù)、多模式對地高分辨率成像技術(shù)等。

遠(yuǎn)距離觀測和對低RCS運動目標(biāo)探測，要求天基雷達具有對低信噪比微弱信號探測能力。雷達對遠(yuǎn)距離目標(biāo)信號可采用長時間相干積累，對近距離目標(biāo)信號可采用短時間相干積累，并自動實現(xiàn)一定的靈敏度時間控制(STC)功能。通過設(shè)置不同的波駐時間，雷達可在作用距離、波束掃描范圍和數(shù)據(jù)率等參數(shù)間進行折中選擇。采用多頻信號和雙頻共軛處理解除回波信號的多普勒模糊，利用雷達成像處理方法完成高速目標(biāo)大范圍距離徙動校正，解決低信噪比高速運動目標(biāo)探測問題[16]。為減少波駐時間，可使用稀疏陣列中的密集相鄰子陣做發(fā)射DBF，減少瞬時波束覆蓋范圍，提高探測距離。

由于軌道較高，天基雷達的探測對象可包括陸海空天運動目標(biāo)，應(yīng)同時考慮對空間目標(biāo)的成像問題，故在系統(tǒng)設(shè)計上對運動目標(biāo)探測，應(yīng)考慮設(shè)置遠(yuǎn)距離窄帶探測和中距離寬帶高分辨率成像模式。

關(guān)于對地高分辨率SAR成像模式，由于本文天基雷達天線主要工作在子陣寬波束發(fā)射，全陣接收DBF處理方式下，客觀上為多模式對地成像提供了有利條件。

3.4 天基信號高速采集和高時效處理技術(shù)

主要內(nèi)容包括多通道信號高速采集技術(shù)、稀疏陣列天線孔徑綜合和接收DBF處理技術(shù)、高時效信號處理技術(shù)等。

由于天線子陣數(shù)量和通道數(shù)較多，數(shù)據(jù)量較大，為保證信號質(zhì)量和通道一致性，信號采集擬使用中頻采樣，海量信號存儲擬使用高密度固態(tài)盤，信號采集設(shè)備并入天線子陣設(shè)備中?？紤]到天基雷達稀疏陣列天線孔徑綜合、接收DBF處理和對運動目標(biāo)探測的實際應(yīng)用需求，星上應(yīng)有足夠的實時和高時效信號處理能力，相關(guān)的信號處理硬件結(jié)構(gòu)可采用FPGA+DSP的方式實現(xiàn)。

4 系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計

4.1 波段

波段是雷達的重要參數(shù)，使用較短波長可使雷達的空間分辨率和目標(biāo)探測定位精度較高。使用較長波長(如S波段)可使雷達T/R組件的效率較高，由于波長較長，也可降低對多子陣相位中心測量和陣列誤差補償?shù)木纫?。目前天基雷達具有明顯的向高頻段發(fā)展的趨勢，且在高頻段高密度小功率芯片T/R組件更容易工程實現(xiàn)，本文雷達系統(tǒng)參數(shù)分析主要圍繞X波段(中心頻率10 GHz)展開。

4.2 稀疏陣列

本文X波段大型稀疏陣列由20個有源相控子陣組成，形成一個長為238 m的稀疏線陣。稀疏線陣在交軌方向展開，在獲得交軌向高空間分辨率的同時，可考慮利用天基雷達和運動目標(biāo)存在的相對運動，根據(jù)SAR/ISAR成像原理提高順軌方向的空間分辨率和對運動目標(biāo)的探測定位精度。

本文稀疏陣選為主動冗余線列陣，采用模擬退火算法得到的稀疏線陣布陣方式[5,9]為：[1 2 4 5 6 9 15 21 27 33 36 42 48 54 60 63 64 65 67 68]，圖1為其孔徑綜合的結(jié)果。

陣列可獲得的等效相位中心信號數(shù)量為400，第1次換為滿陣的孔徑綜合使用的相位中心信號數(shù)量為135，第2次近似換為滿陣的孔徑綜合使用的相位中心信號數(shù)量為127，可以近似得到兩次滿陣孔徑綜合的結(jié)果[5]。圖1橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)表示陣列位置，圖中第2條橫虛線表示第1次孔徑綜合處理結(jié)果，第1條橫虛線表示第2次孔徑綜合處理結(jié)果。稀疏陣列天線的參數(shù)如表1所示。

圖1 稀疏線陣孔徑綜合結(jié)果

表1 稀疏陣列天線的參數(shù)

子陣參數(shù)數(shù)值全陣參數(shù)數(shù)值 信號波長(m)0.03波束展寬因子1.2~1.4 子陣尺寸(m2)3.5×3.5全陣尺寸(m2)238×3.50 子陣波束寬度(°)0.6×0.6全陣波束寬度(°)0.01×0.60 波束2維掃描范圍(°)±25全陣面積(m2)245 子陣發(fā)射平均功率(kW)1全陣發(fā)射平均功率(kW)20 子陣數(shù)量(個)20功率孔徑積(dBWm2)66.9

對本文子陣T/R規(guī)模和功率分析如下：

4.3 信號波形

為實現(xiàn)多發(fā)多收，本文天基雷達需采用正交信號波形，擬使用頻分正交信號和碼分正交信號，當(dāng)距離分辨率為1 m時，其總的信號帶寬應(yīng)優(yōu)于200 MHz。

在對地SAR成像模式時，需對稀疏陣做孔徑綜合，使綜合后的相位中心數(shù)量和滿陣天線相同，主要使用頻分正交信號。

在運動目標(biāo)探測模式時，使用碼分正交信號時，通過瞬時孔徑綜合將稀疏陣換成滿陣?yán)肧TAP實現(xiàn)運動目標(biāo)探測；使用頻分正交信號時，由于運動目標(biāo)信號具有稀疏特性，可將壓縮感知(CS)理論引入稀疏陣列信號處理過程，實施運動目標(biāo)探測和圖像重構(gòu)[17]，因此頻分正交信號將是本文天基雷達的首選信號。

圖2為碼分信號和頻分信號與子陣的收發(fā)關(guān)系示意圖。

圖2 正交信號和子陣的收發(fā)關(guān)系示意圖

5 系統(tǒng)性能分析

5.1 信噪比和作用距離

本文信噪比分析引入孔徑綜合處理，主要比對了密集陣窄發(fā)窄收、密集陣寬發(fā)窄收和稀疏陣寬發(fā)窄收3種情況。由于運動目標(biāo)探測模式所需的功率孔徑積遠(yuǎn)高于對地SAR成像模式，本文的信噪比分析主要針對多目標(biāo)搜索模式進行。雷達系統(tǒng)參數(shù)如表2所示。

表2 雷達系統(tǒng)參數(shù)

參數(shù)數(shù)值參數(shù)數(shù)值 噪聲系數(shù)Fn(dB)3軌道高度(km)10000 噪聲溫度(K)290目標(biāo)RCS3 波駐時間tot(s)5地物散射系數(shù)-15 系統(tǒng)損耗L(dB)7子陣面積A(m2)3.5×3.5 最大作用距離R(km)12000天線效率50 SAR斜距分辨率1衛(wèi)星速度(km/s)5

用單脈沖信噪比表示的雷達方程如式(1)：

(1)

其中，為子陣平均發(fā)射功率，為波爾茲曼常數(shù)。

(1) 密集布陣：

參考條件1：1個子陣自發(fā)自收，工作在寬發(fā)寬收狀態(tài)下，信噪比為：。

參考條件2(A1)：1個子陣發(fā)射，20個子陣密集排布，接收做DBF處理，實現(xiàn)寬發(fā)窄收，相對于參考條件1，接收增益提高了20倍，信噪比為：。

參考條件3：20個子陣密集排布，發(fā)射碼分正交信號，接收做DBF處理，實現(xiàn)寬發(fā)窄收，相對于參考條件2，發(fā)射功率提高了20倍，對20組碼的信號做相參積累，信噪比可提高20倍，為：。

參考條件4：20個子陣密集排布，實現(xiàn)窄發(fā)窄收，適用于單目標(biāo)跟蹤模式，相對于參考條件1，收/發(fā)天線增益和發(fā)射功率均增加了20倍，信噪比可提高(功率)×20(發(fā)射面積)×20(接收面積)=26.8 dB。

(2)稀疏布陣： 20個子陣稀疏排布，陣列布局如圖1所示，實現(xiàn)多子陣寬發(fā)，接收DBF窄收，信噪比推導(dǎo)過程如下：

對于稀疏陣，由于可以得到兩次近似滿陣孔徑綜合的結(jié)果，可獲得增益3 dB，則稀疏陣做兩次孔徑綜合的信噪比為：。

總結(jié)上述分析結(jié)果，當(dāng)采用碼分信號時，密集陣的信噪比僅比稀疏陣的信噪比高1.61 dB。在上述參數(shù)下，各種收發(fā)方式的信噪比分析結(jié)果如表3所示。

5.2 功率孔徑積

在功率孔徑積分析時考慮的兩種雷達工作模式[18]如下：

(1)多目標(biāo)搜索模式下，

(3)

當(dāng)檢測信噪比SNR為13 dB時，由系統(tǒng)參數(shù)可知多目標(biāo)搜索模式下的功率口徑積需PA=63.1 dB W·m2。

(2)SAR成像模式下，

當(dāng)成像信噪比SNR為15 dB時，由系統(tǒng)參數(shù)可知SAR成像模式下功率口徑積需PA2=84.2 dB W·m4。

本文設(shè)計的天基雷達的功率孔徑積基本符合MEO軌道使用要求。

5.3 波束覆蓋范圍和空間分辨率

天基雷達主要用于運動目標(biāo)探測，當(dāng)軌道高度為10000 km，衛(wèi)星地速約為5 km/s。當(dāng)波束擦地角為45°時，在最大作用距離12000 km處，由子陣波束寬度決定的瞬時覆蓋面積約22500 km2(180 km×125 km)。

為減少波駐時間，可考慮利用稀疏陣列中的密集相鄰子陣做發(fā)射DBF，減少瞬時波束覆蓋范圍。若要進一步提高作用距離，需考慮再增加波駐時間。通過有源相控子陣波束的2維電掃可擴大探測范圍。

當(dāng)本文大型稀疏線陣天線在交軌方向展開，雷達工作在MEO軌道10000 km高度時，全陣波束寬度0.01°×0.60°形成星下點空間分辨率為1.75 km(交軌向)×104.70 km(順軌向)。對地面和空中運動目標(biāo)，利用SAR/ISAR成像處理方法進一步提高順軌方向的空間分辨率到1 km量級是可能的。

6 結(jié)束語

研究大功率孔徑積的天基雷達系統(tǒng)具有重要意義，目前中高軌天基雷達[19]已成為新的研究熱點?；诖笮拖∈桕嚵刑炀€，本文論述了天基雷達的技術(shù)體制和關(guān)鍵技術(shù)，設(shè)計了基于MEO軌道X波段稀疏陣列天基雷達的系統(tǒng)參數(shù)并分析了其系統(tǒng)性能。

采用稀疏陣列天線，在同樣發(fā)射功率孔徑積情況下，可將有源陣天線的空間分辨率提高3倍，對提高運動目標(biāo)遠(yuǎn)距離探測定位精度具有重要意義。本文論述的大型稀疏陣列天線為中高軌天基雷達的技術(shù)實現(xiàn)提供了一種新的途徑。

表3 各種收發(fā)方式的信噪比分析結(jié)果

項目密集陣窄發(fā)窄收密集陣寬發(fā)窄收稀疏陣寬發(fā)窄收 信噪比(dB)26.813.812.2 接收分辨率(°)0.036×0.60.036×0.60.01×0.6 技術(shù)特點適用于單目標(biāo)跟蹤模式，密集大陣工程實現(xiàn)困難適用于多目標(biāo)搜索模式空間分辨率提高3倍，目標(biāo)探測定位精度高，陣列稀疏布局容易工程實施，信噪比略下降1.6 dB，適用于多目標(biāo)搜索模式

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潘 潔： 女，1977年生，高級工程師，博士生，研究方向為稀疏陣列雷達系統(tǒng).

李道京： 男，1964年生，研究員，博士生導(dǎo)師，研究方向為雷達系統(tǒng)和雷達信號處理.

周建衛(wèi)： 男，1989年生，碩士，研究方向為外輻射源雷達系統(tǒng).

盧曉春： 女，1970年生，研究員，博士生導(dǎo)師，研究方向為精密時間信息傳輸與信息處理.

Space-based Radar System Analysis Based on Large Scale Sparse Array

PAN Jie①②LI Daojing①ZHOU Jianwei①②LU Xiaochun③

①(,,100190,)②(,100049,)③(,,,710600,)

Space-Based Radar (SBR) can realize moving target detection and the high resolution imaging on a global scale. Based on large scale sparse array antenna, this paper discusses the space-based radar technology system and key technology. The system parameters are designed and its performance is analyzed for an X band MEO space-based radar. The large scale sparse array antenna provides a new selection for space-based radar.

Space-Based Radar(SBR); Sparse array; Target detection; SAR imaging; Radar system

TN957

A

1009-5896(2016)12-3269-06

10.11999/JEIT160672

2016-06-27；改回日期：2016-11-09；

2016-12-02

潘潔 panj@mail.ie.ac.cn