分布式孔徑相參合成雷達系統設計與試驗研究*

周寶亮，周東明，高紅衛，魯耀兵

(北京無線電測量研究所，北京 100854)

0 引言

分布式孔徑相參合成雷達技術通過接收相參和發射相參提升雷達系統的探測距離和測量精度，該技術最早由美國林肯實驗室提出，用于實現雷達機動式大威力探測[1-5]。由于分布式孔徑相參合成雷達技術具有探測威力大、角分辨率高、擴展性好、機動性好以及工程實現性好等技術優勢，也引起了國內高校和研究機構的關注[6-14]，其中北京無線電測量研究所是國內較早開展該技術研究的單位，在理論和試驗驗證等方面取得了重要進展[15-20]。

文章首先簡要介紹了分布式孔徑相參合成雷達的基本原理；然后分別從雷達個數選擇、基線長度選擇和頻段選擇等方面給出了分布式孔徑相參合成雷達系統設計需考慮的因素和設計準則；在此基礎上，提出了雷達系統拓撲結構并給出了相參合成目標探測流程設計；最后，利用分布式雷達原理樣機和實裝雷達對飛機和衛星等目標分別開展了相參合成跟蹤試驗，通過試驗，驗證了分布式孔徑相參合成雷達系統設計的可行性與工程可實現性。

1 分布式孔徑相參合成雷達基本原理

分布式孔徑相參合成雷達一般由中心控制處理系統和多部單元雷達組成，如圖1所示。單元雷達在中心控制處理系統的統一控制和調度下實現對目標的相參探測。

分布式孔徑相參合成雷達主要有2個工作階段，接收相參合成階段和收發相參合成階段。接收相參合成階段，單元雷達發射相互正交的波形，單元雷達不僅接收自已發射的波形，還接收其他單元雷達發射的波形，并對所有接收到的回波信號進行相參合成處理，獲得N2倍增益改善(N為單元雷達個數)，原理如圖2所示。

當接收相參合成階段延時相位估計精度滿足要求時，雷達系統轉到收發相參合成階段，該階段單元雷達發射相同波形，通過控制發射信號的延時和相位值，使發射信號在空間實現發射相參合成，同時在接收端實現接收相參合成，獲得N3倍增益改善，原理如圖3所示。

2 分布式孔徑相參合成雷達系統設計

2.1 雷達個數選擇

分布式孔徑相參合成雷達單元雷達個數選擇受如下因素影響：

(1) 探測性能

探測性能決定了雷達系統的探測距離和測量精度等指標，這些指標決定了雷達系統的設計和設備規模，間接決定了雷達系統單元雷達個數的選擇。

(2) 裝備使用

從裝備使用角度出發，要求雷達裝備操作簡單、使用方便，除此之外，野戰裝備還需要雷達系統易于運輸和快速集成。如果分布式孔徑相參合成雷達系統單元雷達個數較多，意味著系統設計更加復雜、數據交互更加頻繁、站址選擇和布陣優化需考慮的因素更多，不利于裝備的便捷使用，因此，在滿足裝備使用的前提下，單元雷達個數應盡量少。

(3) 相參合成性能

多個單元雷達相參合成等效成一部大雷達的探測效果，假定等效大雷達規模和探測距離一定，單元雷達接收到回波信號的質量(信噪比)與單元雷達個數成反比，即單元雷達個數越多，接收到的回波信噪比越低，相參合成難度越大，對相參合成算法性能的要求就越高。

(4) 系統運算能力

系統運算能力也決定著單元雷達個數的選擇，單元雷達個數越多，系統需要運算的數據量就越大。

(5) 資源調度

資源調度涉及了單元雷達之間時間空間資源分配、波形切換、跟蹤回路閉合、信息交互、數據篩選、融合與處理等多方面，是單元雷達個數選擇需要考慮的一個重要因素，資源調度的好壞直接決定了整個雷達系統探測性能的發揮。

2.2 基線長度選擇

(1) 回波相關準則

分布式孔徑相參合成雷達是建立在回波相關的前提下進行的，對于回波相關準則的分析可以借鑒統計MIMO空間分集的布站要求[21]：

(1)

(2)

式中：Lt為發射的基線;Rt為發射距離;λ為雷達工作波長;DTt為目標發射向尺寸;Lr為接收的基線;Rr為接收距離;DTr為目標接收向尺寸。

那么，回波相關的布站要求：

(3)

(4)

通過式(12)可以發現，當探測目標類型確定，雷達工作波長確定，探測距離確定，則基線長度便可確定。直觀的解釋就是基線對目標波束寬度不可分辨，也可理解為目標對基線波束寬度不可分辨，如圖4所示。

(2) 信號相參準則

根據天線理論，天線周圍的場區分為感應近場區、輻射近場區和輻射遠場區3部分，如圖5所示。

其中輻射遠場區的邊界條件為

(5)

式中:D為天線的最大尺寸;λ為雷達工作波長。

信號相參就是保證各單元雷達間的信號有確定的相位關系，不依賴距離而變化，因此，信號相參的基線選擇準則為

(6)

式中:R為雷達探測距離。

該準則的基線選擇僅與探測距離和雷達波長有關，當雷達工作波長確定，探測距離確定，則基線長度最大值便可確定。

(3) 測角精度考慮

基線長度在一定程度上決定了測角精度，一般情況下基線長度越長測角精度越高。

(4) 天線遮擋考慮

沿海景觀帶的規劃是以海洋與海岸線作為整體設計的載體與背景，融入人工建設，打造出與自然環境相協調的濱海世界。環境的改變，有利于展現區位優勢，提高土地價值，實現招商引資，促進整個島嶼經濟的發展，推動瑯岐島向新型化、現代化和生態化城市商圈發展。島嶼形象的改變，實力的提高，也為瑯岐島引來大量人才、資金、技術上的支持和投入，帶動本島第三產業的發展，實現更寬、更高層次的合作與競爭，最終達到全島經濟的發展。

雷達在對目標進行搜索和跟蹤的過程中需要改變波束指向，單脈沖雷達通過機械調轉改變波束指向，相控陣雷達既可以通過電掃也可以通過機械調轉改變波束指向，綜合戰術指標和系統設備安全，無論哪種形式均需考慮天線陣面遮擋問題。如圖6所示為天線陣面遮擋角變化曲線，通過圖形可以發現，天線陣面調轉角度越大，天線之間的遮擋角越大；天線之間的基線間距越大，天線之間的遮擋角越小。

2.3 頻段選擇

頻段選擇是雷達裝備研制一項非常重要的工作，涉及到的因素很多，分布式孔徑相參合成雷達頻段選擇依然遵循常規雷達頻段選擇準則，除此之外還需考慮時頻同步精度指標的影響，時頻同步指標是分布式孔徑相參合成雷達一項關鍵技術指標，直接決定著相參合成的效果，理論推導得到，頻率越高對時頻同步指標要求越高。

2.4 系統拓撲結構

分布式孔徑相參合成雷達由中心控制處理系統和多部單元雷達組成。中心控制處理系統由中心主控、中心頻綜、中心信號處理和顯控系統等組成，具體功能介紹如下：

(1) 中心主控：完成對整個雷達系統的控制和資源調度，實現單元雷達間有序工作和有機協同，支持開展相參合成探測；完成相參處理模式下對跟蹤目標的數據處理，實現距離、角度和速度回路的平穩閉合；完成數據處理和融合。

(2) 中心頻綜：為單元雷達提供時鐘基準信號；為中心控制處理系統和單元雷達提供時間同步信號；產生幅度、相位和延時標校信號。

(3) 中心信號處理：完成接收相參與發射相參延時和相位參數的估計；完成搜索與跟蹤狀態下回波信號相參合成處理；完成聯合陣列測角角誤差提取。

(4) 顯控系統：完成雷達系統工作狀態與工作過程的管理與控制；完成與雷達主控計算機、信號處理系統的數據交互；完成目標回波一次信息和二次信息的顯示；完成相參合成檢測與跟蹤結果顯示；完成系統狀態監測顯示。

(1) 單元雷達主控：單元雷達主控具有接收中心主控控制字同時回送處理信息的功能。聯合探測模式下，單元雷達主控受控于中心主控，執行中心主控發送的控制命令；獨立模式下，單元雷達主控獨自對本單元雷達系統進行控制。

(2) 單元雷達頻綜：聯合探測模式下，單元雷達頻綜能夠接收中心頻綜傳送的時鐘和同步信號，并以此信號為基礎，產生單元雷達系統內部所需的基準、本振和同步等信號。

2.5 相參合成流程設計

根據探測需求，既要求分布式孔徑相參合成雷達具有高的目標測量精度和識別能力，也要求雷達系統能夠遠距離發現目標，并進行穩定截獲和跟蹤。要實現對目標的精確測量，需要接收到的回波信號具有較高的信噪比，該種情況下，通過相參合成處理能夠改善目標的測量精度和識別能力；同時，要實現雷達系統遠距離發現目標，會面臨著“單元雷達看不見，相參合成后看的見”的情況，該種情況單元雷達接收到的回波信號信噪比較低。為了充分發揮分布式孔徑相參合成雷達的技術優勢，針對回波信號信噪比條件，設計了2種不同的工作流程。

高信噪比條件下相參合成工作過程分為4個階段，如圖7所示。

(1) 搜索階段：單元雷達自主搜索或接收外界引導信息，一旦有回波信號出現，雷達可采用相參或非相參處理模式，提高對目標探測的信噪比。

(2) 截獲階段：分布式孔徑相參合成雷達采用相參處理方法實現對目標的探測。

(3) 跟蹤階段：雷達采用窄帶對目標進行跟蹤，窄帶目標狀態矢量用來指定寬帶波形的處理窗口。

(4) 相參合成跟蹤處理：相參合成處理時，雷達可采用窄帶或寬帶波形，為保證系統過渡的平穩性，帶寬可初步增加，最后過渡到寬帶處理波形，寬帶波形可用來對目標進行相參積累跟蹤或寬帶成像。

低信噪比條件下雷達工作過程分為相參搜索、相參截獲和相參跟蹤3個階段，分別說明如下：

(1) 相參搜索階段：在中心控制處理系統的統一控制和調度下，單元雷達波束指向同一方向，發射相互正交的波形，并將接收到的回波信號送中心控制處理系統進行相參合成，中心控制處理系統負責目標確認和點跡提取等工作。

(2) 相參截獲階段：單元雷達依然受控于中心控制處理系統，發射相互正交的波形，中心控制處理系統負責目標證實和跟蹤回路的建立。

(3) 相參跟蹤階段：初始階段，單元雷達發射相互正交的信號，當延時和相位估計精度滿足一定要求的情況下，單元雷達發射相同波形。信號帶寬可依據跟蹤任務和指標要求進行選擇。相參跟蹤階段，雷達可分配寬帶成像通道，對目標進行高分辨二維成像。

3 分布式孔徑相參合成雷達試驗與分析

3.1 飛機目標相參合成試驗與分析

北京無線電測量研究所研制了3套雷達原理樣機，通過雷達原理樣機，實現了收發全相參模式下對飛機目標的穩定跟蹤，對分布式孔徑相參合成雷達系統設計進行了全面的試驗驗證。

C波段兩單元相控陣體制雷達原理樣機由2部固態有源相控陣雷達和中心控制處理系統組成，如圖8所示。單部雷達對于2 m2目標作用距離大于38 km。

如圖9所示為C波段兩單元單脈沖體制雷達原理樣機，單部雷達對于2 m2目標作用距離大于70 km。

如圖10所示為X波段兩單元相控陣體制雷達原理樣機，單部雷達對于2 m2目標作用距離大于65 km。

利用雷達原理樣機，對飛機目標開展了相參合成探測試驗，接收相參合成階段，相參合成對飛機目標回波信噪比增益改善如圖11所示，接近理論值6 dB增益改善。

收發相參合成階段，單元雷達發射的電磁波信號在目標處進行相參合成，回波信號能量增強，如圖12所示，為接收相參和收發相參合成階段回波信號幅度變化情況，發射相參回波信號幅度改善均值為5.76 dB，接近于理論值6 dB幅度改善。

如圖13所示為收發相參合成信噪比增益改善情況，由于收發相參合成階段單元雷達發射電磁波信號在空間進行了相參合成，無法同時獲取單元雷達獨立探測時的回波信號幅度，為了盡可能準確的計算收發相參合成信噪比增益改善情況，在收發相參合成探測相臨駐留周期增加了單元雷達獨立目標跟蹤支路，實時獲取單元雷達回波信號幅度，用于信噪比增益改善計算。雖然該方法能夠很大程度的提升計算準確度，但由于信號幅度獲取存在時間差，且目標RCS起伏變化，導致信噪比增益改善計算存在誤差，此外，回波信號幅度與噪聲獨立計算也會引入誤差，因此，采用統計的思想來評估收發相參合成信噪比增益改善效果。通過統計，收發相參合成階段信噪比增益改善平均值為8.58 dB，接近理論值9 dB增益改善。

相參合成飛機跟蹤航跡如圖14所示，通過圖形可以發現，當目標飛離雷達到一定距離時，單元雷達目標丟失，而相參合成依然對飛機目標進行穩定跟蹤，充分體現了分布式孔徑相參合成雷達的技術優勢。

3.2 衛星目標相參合成試驗與分析

利用現役2部X波段大型實裝雷達搭建了分布式相參合成試驗系統，基于試驗系統，開展了對衛星目標的相參合成探測試驗。圖15a)為相參合成幅度改善情況，通過圖形可以發現當試驗系統由接收相參轉收發相參時，回波信號幅度有一個明顯的提升，約為接收相參回波信號幅度的2倍，即6 dB幅度改善，說明發射電磁波信號實現了空間能量合成。由于在對實裝雷達進行相參合成改造時，沒有在收發相參合成探測的相臨駐留周期增加單元雷達獨立目標跟蹤支路，試驗系統很難準確地統計收發相參合成信噪比增益改善情況，因此，文章沒有給出衛星目標相參合成跟蹤信噪比增益改善試驗結果，但通過圖15a)相參合成幅度改善情況能夠反映出單元雷達發射的電磁波信號實現了空間能量合成；圖15b)為相參合成衛星目標跟蹤航跡圖，航跡平滑連續，實現了收發全相參合成模式下對衛星目標的穩定跟蹤，驗證了分布式孔徑相參合成雷達系統設計的工程可實現性。

4 結束語

文文分別給出了雷達個數選擇、基線長度選擇和頻段選擇等方面需考慮的影響因素和設計準則，結合分布式孔徑相參合成雷達體制特點，提出了雷達系統拓撲結構和功能組成，同時給出了相參合成探測流程設計。通過對飛機和衛星等運動目標相參合成跟蹤試驗結果的分析，表明目標跟蹤穩定，相參合成信噪比增益改善接近理論值，驗證了分布式孔徑相參合成雷達系統設計的正確性和可行性。

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