一種雷達集群單次快拍協(xié)同成像方法*

楊誠修，王謙喆，雷文太，李淑婧

（1.空軍工程大學(xué)空管領(lǐng)航學(xué)院，西安 710051；2.中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，長沙 410083）

0 引言

集群作戰(zhàn)是通過模擬群聚生物的協(xié)作行為與信息交互方式，以自主化和智能化的整體協(xié)同完成作戰(zhàn)任務(wù)，是近年來出現(xiàn)的一種新型作戰(zhàn)模式。空戰(zhàn)環(huán)境下，機載雷達擔(dān)負著早期發(fā)現(xiàn)和預(yù)警的重要任務(wù)，單部雷達以搜索模式對敏感區(qū)域進行搜索探測。一旦有目標進入該空域，雷達轉(zhuǎn)為跟蹤模式，并輸出目標的位置、速度等信息。集群空戰(zhàn)模式下，有人/無人機載平臺可以基于集群內(nèi)部通信鏈路實現(xiàn)戰(zhàn)場感知信息的共享。這種場景下，各平臺上的雷達終端構(gòu)成一個雷達集群，該雷達集群具備協(xié)同探測的能力。雷達集群的協(xié)同，一方面可以避免各部雷達獨立工作造成的相互電磁干擾，另一方面，可以提高雷達集群整體的探測能力。

國內(nèi)外開展了大量雷達集群技術(shù)方面的研究工作：國外研究人員分析了雷達系統(tǒng)的分布式、智能化、多站、頻譜利用率等關(guān)鍵問題，闡述了智能化雷達組網(wǎng)的概念，內(nèi)容涉及輻射源管理、節(jié)點間通信、節(jié)點間的空域定位與時域同步等［1］；文獻［2］分析了單站雷達組網(wǎng)和雙站雷達組網(wǎng)的探測性能，采用凸集優(yōu)化理論，解決了雙站雷達組網(wǎng)中的有限發(fā)射節(jié)點和最少接收節(jié)點的尋優(yōu)問題；文獻［3-4］研究了多站雷達的空域和時域?qū)史椒ǎ治隽硕嗾纠走_組網(wǎng)在空時域的高分辨能力，并建立了組網(wǎng)雷達用于目標跟蹤時的性能評估模型。國內(nèi)學(xué)者建立了航空集群雷達回波反隱身探測模型，采用空域分割法對布設(shè)在不同距離、不同方位的接收雷達形成的探測空域進行了仿真計算［5］；文獻［6］基于集群平臺生成了一種軟件化雷達體系結(jié)構(gòu)，有效提高了軟件化雷達的開發(fā)效率和軟件質(zhì)量。

目前關(guān)于雷達集群方面的研究集中在分布式雷達組網(wǎng)模式［7］、輻射控制模式［8］、雷達組網(wǎng)設(shè)計［9］、組網(wǎng)信息融合［10］等方面，沒有涉及到集群雷達成像。因此，本文給出了一種雷達集群單次快拍協(xié)同成像方法。

1 發(fā)射節(jié)點的選擇

由雷達集群的中控節(jié)點根據(jù)探測場景選定發(fā)射節(jié)點，發(fā)射節(jié)點向探測區(qū)域發(fā)射寬帶電磁波，并同時向集群其他各節(jié)點發(fā)送同步時間戳和發(fā)射節(jié)點的空間位置。

中控節(jié)點的選取，有如下方法：

1）預(yù)設(shè)集群中存儲和計算能力最優(yōu)的節(jié)點為中控節(jié)點；

2）由上一級作戰(zhàn)指令指定；

3）集群內(nèi)自主隨機確定。

發(fā)射節(jié)點的選取，應(yīng)該綜合考慮集群的構(gòu)型。因為最終的成像效果與發(fā)射信號、集群的空間分布跨度有關(guān)。首先，集群內(nèi)部接收節(jié)點應(yīng)該更靠近成像區(qū)域，使得回波信號衰減更小，因此，發(fā)射節(jié)點可以選擇集群內(nèi)距離成像區(qū)域中心較遠的節(jié)點；其次，在有限區(qū)域內(nèi)，發(fā)射機、接收機與成像區(qū)域的夾角通常變化比較大，這樣便于接收機從不同角度接收回波信號；最后應(yīng)該設(shè)法使發(fā)射節(jié)點所發(fā)射的電磁波帶寬被更多地接收，從而減少信號的遺漏。綜上所述，發(fā)射節(jié)點通過求解以下優(yōu)化問題確定：

2 雷達回波數(shù)據(jù)接收

集群其他各節(jié)點收到同步時間戳后，所在節(jié)點的雷達系統(tǒng)轉(zhuǎn)為接收模式，接收被測區(qū)域的散射回波并進行回波處理；集群中除中控節(jié)點之外的各接收節(jié)點通過集群通信鏈路向中控節(jié)點傳輸數(shù)據(jù)，所傳的數(shù)據(jù)包括各接收節(jié)點的空間位置和各接收節(jié)點雷達的回波。

雷達回波處理僅包括接收機硬件對射頻回波的模擬信號處理，不包括后續(xù)的數(shù)字信號處理。也就是說，雷達回波處理表示時域射頻回波經(jīng)過接收機硬件的過程。時域射頻信號經(jīng)過接收機硬件后仍為一時域信號，經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換后生成數(shù)字信號存儲在接收機緩存中。該時間信號的時長按照下式計算確定：

3 中控節(jié)點成像處理

由中控節(jié)點進行成像處理，獲得雷達集群單次快拍下的協(xié)同成像結(jié)果。

由中控節(jié)點進行成像處理，包括以下步驟：

1）數(shù)據(jù)解包與格式化

綜上所述，雷達集群單次快拍協(xié)同成像方法的總體框圖如圖1 所示。

4 仿真計算

圖1 雷達集群單次快拍成像方法流程圖

圖2 探測場景示意圖

表1 單簇集群實孔徑成像的仿真參數(shù)表

按照預(yù)定的雷達集群工作方案，根據(jù)預(yù)設(shè)值，設(shè)置3 號節(jié)點為中控節(jié)點。設(shè)置中控節(jié)點后，通過求解式（1）確定發(fā)射節(jié)點：

圖3 目標函數(shù)隨發(fā)射節(jié)點的變化曲線

從圖中可見，當發(fā)射節(jié)點取為3 號節(jié)點時，目標函數(shù)獲得最大值。因此，本例中取發(fā)射節(jié)點為3號節(jié)點。

本例中，中控節(jié)點和發(fā)射節(jié)點都是3 號節(jié)點。在中控節(jié)點的控制下，發(fā)射節(jié)點向外輻射電磁波，同時將同步時間戳向外發(fā)送。各接收節(jié)點（1，2，4，5，6）接收到同步時間戳后，轉(zhuǎn)為接收模式，時域射頻信號經(jīng)過接收機硬件后仍為一時域信號，經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換后生成數(shù)字信號存儲在接收機緩存中。各接收節(jié)點的接收時長按照式（2）計算確定。

各接收節(jié)點按照式（3）的格式進行數(shù)據(jù)封裝：

第m 個接收節(jié)點分別生成數(shù)據(jù)流（m=1，2，4，5，6），然后利用集群內(nèi)數(shù)據(jù)鏈路傳遞給中控節(jié)點（3 號節(jié)點）。

圖4 二維成像結(jié)果

5 結(jié)論

由于采用了集群陣列的空間采樣，可以獲得目標在多個空間角度的回波，克服了原來單機需要穩(wěn)定跟蹤才能進行的時間積累過程。基于上述思想，本文提出了一種雷達集群單次快拍協(xié)同探測成像方法。設(shè)計了協(xié)同探測成像的處理流程，并給出了中控節(jié)點和發(fā)射節(jié)點的選取方法，設(shè)計出發(fā)射節(jié)點和接收節(jié)點的工作流程，得到接收回波的處理過程和數(shù)據(jù)封裝、傳輸方法。最后給出中控節(jié)點的數(shù)據(jù)解包、格式化和頻域填充成像方法，實現(xiàn)了單次快拍下的雷達集群協(xié)同成像，具有很強的實用性和通用性。