李學(xué)勇

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所，合肥 230088)

0 引言

隨著隱身飛行器的使用、反輻射導(dǎo)彈性能的提高、電子干擾的加劇以及飛機(jī)低空突防能力的提高，給常規(guī)雷達(dá)的生存及作戰(zhàn)能力提出了嚴(yán)峻的考驗(yàn)，而雙/多基地雷達(dá)因?yàn)槠涫?、發(fā)分置，接收站無(wú)源工作，固有地具備了對(duì)抗上述“四大威脅”的能力［1］。所以，雙/多基地體制雷達(dá)備受美國(guó)、法國(guó)、俄羅斯等軍事強(qiáng)國(guó)的關(guān)注和青睞。

1 國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀［2-5］

近年來(lái)雙/多基地雷達(dá)呈現(xiàn)蓬勃發(fā)展的態(tài)勢(shì)，在防空預(yù)警、反導(dǎo)、空間目標(biāo)監(jiān)視等領(lǐng)域都有不同程度的應(yīng)用。

美國(guó)Lockheed Martin 公司的“沉默哨兵”是典型雙多基地體制雷達(dá)。經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，最新的“沉默哨兵III”體現(xiàn)出分布式、多源協(xié)同探測(cè)的特點(diǎn)，其精度水平大幅提升，實(shí)現(xiàn)了全向覆蓋和三維探測(cè);利用的輻射源由原來(lái)的調(diào)頻廣播，擴(kuò)展到模擬和數(shù)字電視;最大探測(cè)距離150 n mile，能夠同時(shí)跟蹤100 批以上空中、地面和水面目標(biāo)，水平幾何定位精度達(dá)到250 m，測(cè)高精度1000 m，速度精度2 m/s，利用高清電視信號(hào)可以獲得更高的定位精度。圖1為“沉默哨兵III”系統(tǒng)及顯示畫面。

同時(shí)，法國(guó)THALES 公司的“Homeland Alerter 100”(“HA100”）系統(tǒng)有著與“沉默哨兵III”相似的發(fā)展思路?！癏A100”系統(tǒng)已經(jīng)在芬蘭、挪威等國(guó)進(jìn)行了演習(xí)試驗(yàn)，其探測(cè)范圍100 km，同時(shí)多源工作。圖2為“HA100”系統(tǒng)。

圖1 “沉默哨兵III”系統(tǒng)及顯示畫面

圖2 THALES的“HA100”系統(tǒng)

1990年，法國(guó)航天研究所(ONERA）開始研究專門用于空間監(jiān)視的超遠(yuǎn)程雷達(dá)“GRAVES”?！癎RAVES”雷達(dá)系統(tǒng)工作在VHF 頻段(143 MHz），采用雙基地結(jié)構(gòu)，發(fā)射和接收相距380 km。發(fā)射采用相控陣技術(shù)，接收采用數(shù)字波束形成(DBF）技術(shù)。該系統(tǒng)發(fā)射陣列由4組15 m×6 m的天線貼片陣列組成，接收陣列占地直徑60 m，由散布在其上的100個(gè)接收天線陣元組成，每一個(gè)天線陣元和一個(gè)單獨(dú)的數(shù)字化接收機(jī)相連。通過(guò)數(shù)字波束形成技術(shù)形成窄波束，能夠?qū)Πl(fā)射波束內(nèi)的衛(wèi)星進(jìn)行精確定位，每路接收單元的回波信號(hào)經(jīng)數(shù)字化后送入信號(hào)處理。

2004年底“GRAVES”雷達(dá)進(jìn)行了觀測(cè)試驗(yàn)，共探測(cè)到了2300 多個(gè)不同目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)1000 km 高度1 m2大小物體的探測(cè)。圖3為“GRAVES”空間目標(biāo)監(jiān)視系統(tǒng)。

美國(guó)在進(jìn)行反導(dǎo)系統(tǒng)建設(shè)時(shí)，發(fā)現(xiàn)雷達(dá)的孔徑對(duì)于遠(yuǎn)程導(dǎo)彈防御系統(tǒng)至關(guān)重要，而現(xiàn)有的GBR-P 系統(tǒng)和SBX 系統(tǒng)都采用了大孔徑的系統(tǒng)設(shè)計(jì)模式，系統(tǒng)成本昂貴，難以實(shí)現(xiàn)機(jī)動(dòng)靈活部署，基于此美國(guó)提出下一代遠(yuǎn)程導(dǎo)彈防御系統(tǒng)的概念。該雷達(dá)基于MIMO 理論，通過(guò)利用多個(gè)分布式小孔徑雷達(dá)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)大孔徑系統(tǒng)的性能，具有成本低、系統(tǒng)部署方式靈活等優(yōu)點(diǎn)，其實(shí)這就是一種新型的雙多基地雷達(dá)系統(tǒng)。

2004年在美國(guó)空軍實(shí)驗(yàn)室(AFRL）的Ipswich Antenna Range Facility 試驗(yàn)場(chǎng)完成了MIMO(多入多出）分布式孔徑雷達(dá)系統(tǒng)初步試驗(yàn)，2005年在美國(guó)White Sands Missile Range(WSMR）試驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行了試驗(yàn)，驗(yàn)證了系統(tǒng)的功能。通過(guò)試驗(yàn)證明，在MIMO 模式下，利用2個(gè)分布式孔徑，實(shí)現(xiàn)了接近6 dB的得益;在相參模式下，利用2個(gè)分布式孔徑，實(shí)現(xiàn)了接近9 dB的得益。

此外，據(jù)報(bào)道，法國(guó)THALES 公司也在開展類似技術(shù)的研究，其M3R 系統(tǒng)就設(shè)置有分布式孔徑雷達(dá)的工作方式。

除了上述發(fā)展外，應(yīng)用于空中交通管制、測(cè)速及規(guī)避雷達(dá)、大氣研究、海浪測(cè)量、資源勘查、地層探測(cè)等民用領(lǐng)域的雙多基地雷達(dá)也取得較快發(fā)展。

2 雙/多基地雷達(dá)的典型分類

雙多基地雷達(dá)按照輻射源的特性可以分為兩類，即合作式和非合作式。

合作式雙基地雷達(dá)的發(fā)射站產(chǎn)生雷達(dá)脈沖信號(hào)，通過(guò)高功率放大器和天線發(fā)送脈沖信號(hào)，同時(shí)通過(guò)直接路徑發(fā)送參考信號(hào)、復(fù)制脈沖和其他輔助數(shù)據(jù)到接收站，建立收發(fā)站時(shí)間、相位以及空間同步，由控制計(jì)算機(jī)產(chǎn)生控制時(shí)序，接收站形成同時(shí)多波束或?qū)挷ㄊ邮漳繕?biāo)散射信號(hào)。合作式雙/多基雷達(dá)的原理框圖如圖4所示。

非合作式雙/多基地雷達(dá)的輻射源是不受接收站控制的。接收站接收直接路徑信號(hào)與散射路徑信號(hào)，通過(guò)測(cè)量直接路徑信號(hào)與散射路徑信號(hào)的多普勒頻移差異，估算出目標(biāo)雙基地多普勒頻移值，雙基地直接路徑信號(hào)經(jīng)時(shí)間延遲與散射路徑信號(hào)時(shí)域?qū)R后進(jìn)行相關(guān)檢測(cè)，通過(guò)積累器提高信號(hào)信噪比后再進(jìn)行檢測(cè)。非合作式雙基地雷達(dá)原理框圖見圖5。

圖3 法國(guó)“GRAVES”空間目標(biāo)監(jiān)視系統(tǒng)

圖4 合作式雙基地雷達(dá)原理框圖

圖5 非合作式雙基地雷達(dá)原理框圖

按照上述分類方式，美國(guó)的“沉默哨兵”以及法國(guó)的“HA100”系統(tǒng)屬于非合作式雙基地雷達(dá)，法國(guó)的“GRAVES”雷達(dá)以及美國(guó)的分布式孔徑雷達(dá)均可屬于合作式雙多基地雷達(dá)。

3 雙/多基地雷達(dá)關(guān)鍵技術(shù)

3.1 時(shí)間、相位、空間同步技術(shù)

無(wú)論雙多基地雷達(dá)技術(shù)如何發(fā)展，分散部署的發(fā)射站和接收站必須協(xié)調(diào)一致才能夠探測(cè)目標(biāo)，因此必須實(shí)現(xiàn)時(shí)間、相位、空間三大同步。對(duì)于合作式雙多基地雷達(dá)，基于微波/光纖鏈路或者GPS 授時(shí)的時(shí)間、相位同步技術(shù)已經(jīng)成熟，時(shí)間同步精度優(yōu)于10 ns，相位同步精度優(yōu)于5°;空間同步多采用寬發(fā)窄收、脈沖追趕的方法實(shí)現(xiàn)。對(duì)于非合作式雙多基地雷達(dá)，接收站采用輔助天線接收發(fā)射站直達(dá)波信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)時(shí)間、相位同步，同步精度受直達(dá)波信號(hào)質(zhì)量影響較大。

隨著多平臺(tái)雙多基地雷達(dá)的發(fā)展，特別是天地、空地、艦艦、空空等基于運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的大基線雙多基地雷達(dá)的發(fā)展，時(shí)間、相位、空間三大同步技術(shù)還需要繼續(xù)攻關(guān)。

3.2 多源信息融合技術(shù)

目前，從國(guó)內(nèi)以及國(guó)外技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，利用多種外輻射源信號(hào)的雙多基地雷達(dá)正處于蓬勃發(fā)展時(shí)期，利用調(diào)頻廣播、數(shù)字電視等輻射源的試驗(yàn)系統(tǒng)屢見報(bào)道，不同的頻段、信號(hào)帶寬給目標(biāo)三維精確測(cè)量帶來(lái)可能，多源信息融合技術(shù)成為關(guān)鍵。這主要有以下3個(gè)方面的因素。

(1）多源雙基地雷達(dá)系統(tǒng)相當(dāng)于一個(gè)多發(fā)多收系統(tǒng)，此時(shí)不同的外輻射源來(lái)自不同位置，針對(duì)同一目標(biāo)不同的發(fā)射站和接收站獲得的距離方位的相對(duì)坐標(biāo)系都不相同，并且雙基地夾角也不相同。因此，同一目標(biāo)在不同雙基地子系統(tǒng)中的距離、方位和多普勒沒有確定性的線性關(guān)系，如何匹配難度較大。

(2）多發(fā)射站多接收站的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)也使得系統(tǒng)的探測(cè)精度受到布站方式的影響，如何在指定區(qū)域獲得最佳探測(cè)精度是一個(gè)必須要解決的問題。

(3）多源子雙基地系統(tǒng)探測(cè)盲區(qū)的出現(xiàn)使得解決多源信息融合更加困難。

3.3 抗干擾技術(shù)

通常來(lái)說(shuō)，雙基地雷達(dá)接收站具備體制上的抗干擾優(yōu)勢(shì)。但是，對(duì)于非合作式雙多基地雷達(dá)系統(tǒng)而言，比如利用調(diào)頻廣播、數(shù)字電視、GPS信息、移動(dòng)通信信號(hào)的外輻射源系統(tǒng)，由于這些信號(hào)源是廣泛部署分布的，存在全頻段、全方位的特點(diǎn)，與正常回波信號(hào)相比，接收通道接收到的信號(hào)中的多徑信號(hào)和直達(dá)波信號(hào)幅度要強(qiáng)很多，因此為實(shí)現(xiàn)雷達(dá)正常工作，濾除直達(dá)波信號(hào)和多徑信號(hào)是必須完成的工作。為完成這一工作，通常采用射頻對(duì)消和中頻對(duì)消的方法。在進(jìn)行射頻對(duì)消或中頻對(duì)消時(shí)，均需要在正常接收通道的基礎(chǔ)上增加一路或幾路參考通道，采用自適應(yīng)信號(hào)處理技術(shù)對(duì)直達(dá)波或多徑信號(hào)進(jìn)行抑制，確保雷達(dá)系統(tǒng)正常工作。

3.4 長(zhǎng)時(shí)間相參積累技術(shù)［6-8］

長(zhǎng)時(shí)間相參積累技術(shù)一直是雷達(dá)領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)。雷達(dá)專家總是希望系統(tǒng)利用最小功率孔徑資源實(shí)現(xiàn)最遠(yuǎn)距離的探測(cè)。隨著隱身目標(biāo)威脅的加劇，長(zhǎng)時(shí)間相參積累技術(shù)將更為關(guān)鍵。雷達(dá)散射截面積的縮減是否可以依靠時(shí)間積累來(lái)補(bǔ)償是雷達(dá)專家的重點(diǎn)研究問題，因?yàn)槔走_(dá)功率孔徑資源增加10～20 dB，將帶來(lái)難以承受的裝備成本增加以及機(jī)動(dòng)性變差的現(xiàn)實(shí)問題。

但是，增加積累時(shí)間需要考慮以下兩個(gè)問題:一是目標(biāo)穿越一個(gè)距離單元的時(shí)間限制，若積累時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，運(yùn)動(dòng)目標(biāo)有可能在積累時(shí)間內(nèi)穿越了多個(gè)距離單元;二是運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的多普勒頻率積累時(shí)間內(nèi)發(fā)生了變化。即使對(duì)沿直線平穩(wěn)飛行的目標(biāo)，在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)由于不同時(shí)刻其航向相對(duì)于雷達(dá)視線夾角的不同，也會(huì)導(dǎo)致目標(biāo)回波的多普勒頻率改變，造成運(yùn)動(dòng)目標(biāo)回波的多普勒頻移在積累時(shí)間內(nèi)不在一個(gè)多普勒通道內(nèi)。針對(duì)這些情況，需要采取一定的措施和適當(dāng)?shù)乃惴▉?lái)進(jìn)行處理，避免降低積累的得益。目前，針對(duì)長(zhǎng)時(shí)間相參積累技術(shù)開展的研究工作主要集中

針對(duì)目標(biāo)跨距離單元情況，一般采用包絡(luò)走動(dòng)補(bǔ)償方法，目前采用的主要有Keystone 變換、包絡(luò)插值移位算法、時(shí)分包絡(luò)移動(dòng)補(bǔ)償算法和距離門拉伸等。

針對(duì)目標(biāo)跨多普勒通道情況，一般采用多普勒走動(dòng)補(bǔ)償技術(shù)，目前采用的主要有Wigner-Hough 變換、模糊函數(shù)理論、分?jǐn)?shù)階Fourier 變換和自適應(yīng)子波變換等。

3.5 多正交波形設(shè)計(jì)與接收技術(shù)［9-10］

如前所述，分布式陣列相參合成雷達(dá)也可以納入雙多基地雷達(dá)范疇，工作于MIMO方式。為獲取雷達(dá)的相干參數(shù)提取，雷達(dá)需要發(fā)射正交波形，以便對(duì)多個(gè)單元雷達(dá)回波分別進(jìn)行匹配處理，提取相干參數(shù)。雷達(dá)發(fā)射的正交波形應(yīng)該具有類噪聲與大時(shí)帶寬特性，通常選擇的波形有正交LFM波形、步進(jìn)頻分線性調(diào)頻、多相編碼信號(hào)等。對(duì)于有N個(gè)單元雷達(dá)組成的分布式陣列相參雷達(dá)，每個(gè)單元雷達(dá)都需要接收。此外，多正交波形的接收也是設(shè)計(jì)難題，主要包括多個(gè)單元雷達(dá)回波信號(hào)進(jìn)行分選、系統(tǒng)接收時(shí)序控制、雷達(dá)接收機(jī)設(shè)計(jì)等。

3.6 單元延時(shí)及相位估計(jì)技術(shù)

圖6 分布式雷達(dá)工作流程示意

分布式雷達(dá)(工作流程見圖6）為實(shí)現(xiàn)多雷達(dá)單元的相干合成，雷達(dá)單元間的時(shí)延與相位估計(jì)非常關(guān)鍵，目前具有如下幾種相干參數(shù)估計(jì)方法，如峰值選取法、一維交叉相關(guān)處理法、一維全極點(diǎn)模型法、多脈沖積累交叉相關(guān)法和多脈沖積累全極點(diǎn)模型法等。實(shí)現(xiàn)單元延時(shí)及相位估計(jì)的基礎(chǔ)是提高相位精度和高精度測(cè)量單元雷達(dá)間距離，從而精確標(biāo)定雷達(dá)相位中心和解算時(shí)延與相位。

4 雙/多基地雷達(dá)的發(fā)展趨勢(shì)

4.1 多平臺(tái)［11-12］

隨著軍事科技的發(fā)展，多平臺(tái)雙多基地雷達(dá)是主要發(fā)展趨勢(shì)。為應(yīng)對(duì)隱身飛機(jī)、巡航導(dǎo)彈以及未來(lái)空天飛行器的威脅，天、空、地一體的空天防御體系將是必然的發(fā)展趨勢(shì)，平臺(tái)的擴(kuò)展給予雙多基地雷達(dá)更大的發(fā)展舞臺(tái)。目前，國(guó)內(nèi)多家單位正在論證天基、空基、艦載、地空等雙多基地雷達(dá)?？梢韵胂?，隨著有關(guān)雙多基地雷達(dá)一系列關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展，天空地多平臺(tái)一體化的雙多基地雷達(dá)網(wǎng)絡(luò)必將形成，這將大大增強(qiáng)我國(guó)空天防御體系的作戰(zhàn)能力。

4.2 多源化［13］

縱覽國(guó)內(nèi)外雙多基地雷達(dá)的發(fā)展?fàn)顩r，基于調(diào)頻廣播、數(shù)字電視、移動(dòng)通信、衛(wèi)星信號(hào)的非合作式多種外輻射源雙多基地雷達(dá)試驗(yàn)系統(tǒng)層出不窮，這將是未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)的研究熱點(diǎn)，主要是因?yàn)榉呛献魍廨椛湓蠢走_(dá)有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn):

(1）借用民用輻射源，隱蔽性強(qiáng)，分布廣，戰(zhàn)場(chǎng)生存能力強(qiáng);

(2）多種外輻射源，頻域覆蓋廣，信號(hào)帶寬多樣，通過(guò)多源信息融合技術(shù)，即能提高探測(cè)性能，抗干擾性能也較強(qiáng);

(3）基于外輻射源的雙多基地雷達(dá)通常僅需研制接收站，裝備成本低。

4.3 MIMO

MIMO雷達(dá)作為一種新體制雙多基地雷達(dá)，由于其天線被放置在空間不同的位置，它們相對(duì)于目標(biāo)所成的角度明顯不同，既具有空間幾何增益，也能夠利用目標(biāo)的RCS 散射特性來(lái)獲取空間分集增益，此外還具有抗雜波、抗干擾以及抗多徑等優(yōu)越性能，正得到越來(lái)越多的關(guān)注。近年來(lái)，數(shù)字陣列雷達(dá)(DAR）技術(shù)的發(fā)展為MIMO雷達(dá)的應(yīng)用提供了良好的硬件支撐平臺(tái)，使其具有更廣闊的應(yīng)用前景。

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