鄔伯才,施晉生,孫 龍,江 凱

(1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所,安徽合肥230088;2.空軍駐安徽地區(qū)軍事代表室,安徽合肥230022)

0 引言

現(xiàn)代和未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)都十分強(qiáng)調(diào)信息控制權(quán),誰(shuí)能獲取與支配信息并奪取信息優(yōu)勢(shì),誰(shuí)就能掌握戰(zhàn)爭(zhēng)主動(dòng)權(quán)。這就要求偵察裝備具備很強(qiáng)的立體戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)感知能力,需要對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)信息進(jìn)行全面、持續(xù)的獲取,使得判斷決策更準(zhǔn)確、更符合戰(zhàn)場(chǎng)實(shí)際,判斷決策過(guò)程的時(shí)間更短,作戰(zhàn)反應(yīng)更迅速、更敏捷。數(shù)字陣列體制的SAR/MTI雷達(dá)采用了收發(fā)數(shù)字波束形成(DBF)技術(shù),利用數(shù)字化、軟件化處理取代硬件實(shí)現(xiàn),可以獲得優(yōu)良的波束性能。

基于DBF技術(shù)的SAR/GMTI雷達(dá)具備同時(shí)多功能的能力[1-5],可在同一時(shí)間完成多種功能,或同一時(shí)間分割地交替完成不同系統(tǒng)完成的功能,可根據(jù)環(huán)境人工或自適應(yīng)轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)高分辨率寬測(cè)繪帶(HRWS)條帶成像、聚束、掃描、MTI、干涉、目標(biāo)跟蹤等多種模式或同時(shí)實(shí)現(xiàn)多種模式(混合模式),一次飛行可相當(dāng)于常規(guī)體制雷達(dá)多次飛行的任務(wù)量,大大提高了情報(bào)收集效率?；贒BF技術(shù)的SAR/GMTI雷達(dá)可以通過(guò)多波束同時(shí)掃描,降低掃描周期,提高了數(shù)據(jù)率,實(shí)現(xiàn)快速?gòu)V域GMTI掃描、多目標(biāo)跟蹤和同時(shí)掃描/跟蹤,降低對(duì)時(shí)敏目標(biāo)的發(fā)現(xiàn)探測(cè)及跟蹤時(shí)間。

隨著DBF技術(shù)的發(fā)展,基于數(shù)字波束形成的先進(jìn)SAR干擾抑制手段,越來(lái)越得到廣泛的應(yīng)用,雷達(dá)可根據(jù)干擾源位置,在載機(jī)成像過(guò)程中,自適應(yīng)合成接收波束方向圖,使主波束對(duì)準(zhǔn)成像區(qū)域,同時(shí)在干擾方向形成零陷,可對(duì)干擾進(jìn)行有效抑制。此外,DBF SAR還提供在掃描間變化發(fā)射波形的能力,從而具有低截獲概率的能力,大大地提升了系統(tǒng)抗干擾能力和戰(zhàn)場(chǎng)生存能力。

與傳統(tǒng)的雷達(dá)相比,它具有如下優(yōu)點(diǎn):(1)大的動(dòng)態(tài)范圍;(2)容易實(shí)現(xiàn)多波束;(3)寬帶寬角掃描情況下,容易解決孔徑渡越問(wèn)題;(4)低損耗、低副瓣;(5)低角測(cè)高精度高;(6)系統(tǒng)任務(wù)可靠性高;(7)擴(kuò)展性好;(8)具備自適應(yīng)抗干擾能力。

DBF SAR/MTI雷達(dá)系統(tǒng)作為一種新型的多功能雷達(dá)系統(tǒng),主要面向戰(zhàn)場(chǎng)偵察需求,力求快速、高效、完成廣域監(jiān)視、熱點(diǎn)高精度偵察和動(dòng)目標(biāo)指示等任務(wù),采用DBF技術(shù)后,雷達(dá)系統(tǒng)工作能力將顯著提升。DBF SAR/MTI雷達(dá)系統(tǒng)除了具有傳統(tǒng)數(shù)字陣列雷達(dá)的優(yōu)點(diǎn)之外,還具有許多常規(guī)SAR/MTI系統(tǒng)所不具備的優(yōu)勢(shì)。本文首先介紹了寬帶數(shù)字陣列SAR/MTI雷達(dá)的發(fā)展趨勢(shì)及發(fā)展現(xiàn)狀,然后結(jié)合典型工作模式設(shè)計(jì)分析了寬帶數(shù)字陣列SAR/MTI雷達(dá)的系統(tǒng)提升。

1 發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)

相對(duì)于DBF技術(shù)在地基和空基目標(biāo)探測(cè)雷達(dá)系統(tǒng)中的應(yīng)用,DBF技術(shù)運(yùn)用于SAR系統(tǒng)研究晚一些。1989年日本三菱電氣公司的Takahiko等人就提出了將DBF天線用于側(cè)視SAR的設(shè)想[6],計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果表明該項(xiàng)技術(shù)可以在不增加PRF的情況下提升SAR的方位分辨率。

1999年,德國(guó)卡爾斯魯厄大學(xué)的Younis和Wiesbeck提出了機(jī)載接收DBF SAR概念[3],系統(tǒng)由一個(gè)發(fā)射天線和多個(gè)接收天線構(gòu)成,采取收發(fā)分置體制,具有高分辨、寬觀測(cè)帶、低成本和高可靠性等優(yōu)點(diǎn),與相控陣系統(tǒng)相比具有發(fā)射效率高、成本低、重量輕的優(yōu)點(diǎn)。2000年他們又提出將接收DBF技術(shù)用于前視SAR[7]。

2001年,Wiesbeck提出了軟件化雷達(dá)傳感器(SDRS)的概念[8-10],它實(shí)際上是機(jī)載接收DBF SAR概念的延伸和拓展。它除了可以實(shí)現(xiàn)SAR功能外,通過(guò)軟件模塊的改變,還可以輕松實(shí)現(xiàn)通信、干擾和輻射計(jì)等功能,具有軟件可重構(gòu)、多任務(wù)的優(yōu)點(diǎn),因而被認(rèn)為代表了未來(lái)第三代SAR系統(tǒng)。

2003年,德國(guó)DLR的Krieger和Moreira探討了DBF技術(shù)在雙/多基地SAR方面的應(yīng)用潛力[11],指出運(yùn)用DBF技術(shù)優(yōu)勢(shì):(1)可有效利用大照射區(qū)的信號(hào)能量;(2)可拼接鄰接場(chǎng)景實(shí)現(xiàn)寬幅成像;(3)可同時(shí)高分辨寬測(cè)繪帶成像;(4)用于星載多基SAR可使各接收衛(wèi)星天線尺寸縮小。

2006年,德國(guó)DLR的Krieger等人結(jié)合現(xiàn)有的T/R組件技術(shù),將多維波形編碼技術(shù)和DBF技術(shù)相結(jié)合,提出了收發(fā)DBF SAR概念[12],這實(shí)際可看成DBF MIMO SAR概念的雛型,到現(xiàn)在為止,他們主要對(duì)多維波形編碼技術(shù)進(jìn)行了重點(diǎn)研究[3-4,13-15]。

2007年,德國(guó)卡爾斯魯厄大學(xué)的Younis與Wiesbeck和DLR的Ossowska共同提出了DBF MIMO SAR的概念[16],并研究了其在InSAR中的應(yīng)用,在以后發(fā)表的文獻(xiàn)中重點(diǎn)對(duì)空時(shí)編碼技術(shù)進(jìn)行了研究[17-18]。

2008年,德國(guó)FGAN-FHR的Klare將DBF MIMO SAR技術(shù)應(yīng)用于UAV ARTINO進(jìn)行真三維下視成像[19],重點(diǎn)討論了引入收發(fā)DBF技術(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的改善情況。

2012年,德國(guó)DLR的Krieger對(duì)DBF MIMO SAR技術(shù)的新概念進(jìn)行了探討[20-26],給出了DBF MIMO SAR實(shí)現(xiàn)寬觀測(cè)帶成像的工作原理。

以上主要從理論技術(shù)角度,總結(jié)了DBF-SAR的主要發(fā)展歷程,可以用圖1進(jìn)行形象的概括。實(shí)際上,國(guó)外除了進(jìn)行理論技術(shù)研究之外,在不同階段還分別搭建了仿真系統(tǒng)、地面驗(yàn)證系統(tǒng)和機(jī)載系統(tǒng)分別進(jìn)行了理論技術(shù)演示驗(yàn)證試驗(yàn)。下面對(duì)具有代表性的幾個(gè)系統(tǒng)作一簡(jiǎn)要介紹。

德國(guó)卡爾斯魯厄大學(xué)分別設(shè)計(jì)了DBF SAR實(shí)驗(yàn)室原理驗(yàn)證系統(tǒng)和機(jī)載試驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)[20-25],如圖2所示。其中原理驗(yàn)證系統(tǒng)為一X波段(9.65 GHz)DBF SAR系統(tǒng),用于驗(yàn)證高分辨寬觀測(cè)帶SAR(HRWS SAR)中的方位向DBF成像技術(shù);機(jī)載試驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)借用德國(guó)DLR的直升機(jī),驗(yàn)證用一個(gè)X波段天線發(fā)射56個(gè)通道接收DBF的前視SAR成像技術(shù)。

美國(guó)NASA研制的DBF SAR(DBSAR)工作在L波段,采用了可重構(gòu)的數(shù)字相控陣列技術(shù)以及高速數(shù)據(jù)獲取和處理技術(shù),可在單個(gè)雷達(dá)平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)多種功能。DBSAR在2008年進(jìn)行了首次飛行試驗(yàn),飛行試驗(yàn)主要測(cè)試系統(tǒng)多模式能力,以及在森林、海洋、農(nóng)業(yè)、陸地、海岸沼澤等應(yīng)用潛力,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該雷達(dá)系統(tǒng)性能優(yōu)越。圖3為DBSAR同時(shí)獲取左右兩側(cè)SAR圖像示意圖。

EcoSAR是一種先進(jìn)的機(jī)載極化干涉測(cè)量P波段全數(shù)字體制的SAR裝備(見圖4),由NASA/Goddard美國(guó)航天飛行中心NASA的裝置孵化計(jì)劃(IIP)研發(fā)而成。EcoSAR將為地球生態(tài)系統(tǒng)和生物統(tǒng)計(jì)提供前所未有的二維及三維精密標(biāo)度測(cè)量。

美國(guó)國(guó)防預(yù)先研究計(jì)劃局(DARPA)的“綜合傳感器即是結(jié)構(gòu)”(Integrated Sensor is Structure,ISIS)項(xiàng)目目的是用一隊(duì)運(yùn)行于同溫層的飛艇替代幾種空中監(jiān)視平臺(tái),包括波音E-3機(jī)載預(yù)警與控制系統(tǒng)(AWACS)和E-8C聯(lián)合監(jiān)視目標(biāo)攻擊雷達(dá)系統(tǒng)(JSTARS)。與艇體表面集成的超大孔徑、超高頻(UHF)/X波段AESA雷達(dá)是ISIS飛艇的核心組成部分,如圖5所示。該雷達(dá)是一部動(dòng)態(tài)軟件定義雷達(dá),采用了DBF技術(shù)。驗(yàn)證系統(tǒng)的X波段雷達(dá)能完成多項(xiàng)同時(shí)功能。當(dāng)沒有更高的優(yōu)先級(jí)時(shí),X波段雷達(dá)專用于廣域GMTI搜索。

圖3 DBSAR同時(shí)獲取左右兩側(cè)SAR圖像

圖4 EcoSAR工作示意圖

圖5 驗(yàn)證系統(tǒng)的飛艇、天線彈丸和電子設(shè)備吊艙

除了日、德、美等國(guó)進(jìn)行了開拓性的研究外,法國(guó)、荷蘭以及印度等國(guó)的專家學(xué)者也分別對(duì)這項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行了跟蹤研究?？v觀DBF SAR理論技術(shù)發(fā)展歷程,可以看出它經(jīng)歷了從接收DBF、收發(fā)DBF到DBF MIMO的演變過(guò)程,即數(shù)字化、軟件化技術(shù)與收發(fā)分置體制以及分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)逐步融合的過(guò)程。數(shù)字技術(shù)在雷達(dá)中的應(yīng)用,使雷達(dá)獲得了空前的發(fā)展。

2 典型工作模式設(shè)計(jì)

SAR/MTI雷達(dá)常規(guī)工作模式包括廣域GMTI、同時(shí) SAR/GMTI、條帶 SAR、聚束 SAR、SAR/ISAR等多種工作模式對(duì)地進(jìn)行偵察和監(jiān)視。DBF體制SAR/MTI雷達(dá)通過(guò)優(yōu)化雷達(dá)波束、波形等空時(shí)參數(shù),可發(fā)掘雷達(dá)體制優(yōu)勢(shì),最大限度地發(fā)揮寬帶數(shù)字陣列SAR/MTI系統(tǒng)的潛力,實(shí)現(xiàn)高分辨率寬觀測(cè)帶SAR成像、快速?gòu)V域GMTI掃描、多目標(biāo)跟蹤和同時(shí)掃描/跟蹤、時(shí)敏目標(biāo)檢測(cè)、地面動(dòng)目標(biāo)精確定位和成像、同時(shí)多模式等功能。其中幾種典型的工作模式如下。

2.1 高性能成像模式

2.1.1 高分辨率寬觀測(cè)帶成像

傳統(tǒng)的機(jī)載SAR中方位分辨率和距離模糊、地面測(cè)繪帶寬存在矛盾,二者不能同時(shí)提高。主要原因是,高的方位向分辨率要求高的多普勒帶寬,高的多普勒帶寬就需要高的脈沖重復(fù)頻率(PRF);另一方面無(wú)距離模糊的寬觀測(cè)帶則要求低的PRF。

利用收發(fā)DBF技術(shù)可以有效緩解這一矛盾,實(shí)現(xiàn)高分辨寬測(cè)繪帶(HRSW)成像。利用DBF SAR體制實(shí)現(xiàn)HRSW成像的技術(shù)途徑有以下幾種:距離向接收DBF技術(shù)[3]、距離向收發(fā)DBF技術(shù)[2-3](見圖6)、方位向收發(fā)DBF技術(shù)[4-5](見圖7)、距離向DBF和方位向MIMO相結(jié)合技術(shù)、二維DBF技術(shù)。

2.1.2 遠(yuǎn)距離高分辨率成像(0.3 m分辨率,250 km作用距離)

現(xiàn)在偵察監(jiān)視的能力需要最大探測(cè)距離達(dá)到250 km。此外,為了支持自動(dòng)目標(biāo)分類,分辨率必須優(yōu)于30 cm;最好達(dá)到10 cm。這些要求針對(duì)脈沖重復(fù)頻率(PRF)上提出了明顯相互沖突的需求:遠(yuǎn)程作用距離明確要求降低PRF,而高方位分辨率又要提高PRF。PRF的取值范圍可以表示如下:

圖6 距離向收發(fā)DBF原理(脈內(nèi)波形切換)

圖7 方位向收發(fā)DBF用于HRWS成像示意圖

這里,v指平臺(tái)速度,Δx指方位分辨率,c指光速,Rmax指最大探測(cè)距離。

最大探測(cè)距離為250 km將PRF限制在600 Hz以內(nèi)。假設(shè)方位分辨率為30 cm,載機(jī)最大平臺(tái)速度為200 m/s(大多數(shù)UAV的巡航速度更高),方位不模糊PRF則要求達(dá)到667 Hz以上(實(shí)際上考慮模糊比、加權(quán)等因素,PRF需求更高),存在PRF選取矛盾,如果存在更高的載機(jī)平臺(tái)速度和更高的方位分辨率要求,則矛盾更為突出。

采用數(shù)字雷達(dá)技術(shù),可以將陣列分成若干個(gè)子孔徑時(shí),在PRF上的矛盾需求問(wèn)題便可得到解決。當(dāng)子孔徑的數(shù)量為n時(shí),在PRF的下限可以放寬到

2.1.3 頻分MIMO SAR大帶寬合成

頻分MIMO SAR大帶寬合成技術(shù)是一種同時(shí)獲得寬測(cè)繪帶和距離、方位二維高分辨率的多收發(fā)孔徑技術(shù):多個(gè)子天線沿方位向排列實(shí)現(xiàn)方位向多波束,多個(gè)子天線分別發(fā)射頻帶相接的調(diào)頻子脈沖信號(hào),接收后在距離向作頻譜合成處理,實(shí)現(xiàn)距離向的高分辨率。

該技術(shù)獲得寬測(cè)繪帶和方位高分辨率的原理與單發(fā)多收孔徑技術(shù)相同,但為了能夠同時(shí)獲得距離向高分辨率,要求各個(gè)子天線同時(shí)發(fā)射不同的子帶脈沖信號(hào),子脈沖頻譜相互拼接,其工作示意圖如圖8所示(以3波束為例),這里距離向的高分辨率是通過(guò)發(fā)射脈內(nèi)調(diào)頻串實(shí)現(xiàn)的。采用圖8結(jié)構(gòu)工作,在每個(gè)PRT內(nèi),各個(gè)發(fā)射機(jī)同時(shí)發(fā)射調(diào)頻子脈沖信號(hào),目標(biāo)反射后,各個(gè)接收機(jī)接收目標(biāo)回波信號(hào),每個(gè)接收機(jī)接收回波中將包含所有子脈沖回波信號(hào),合成寬帶信號(hào)并沿方位向排列為等效單波束系統(tǒng)的方位向回波。

圖8 頻分MIMO SAR工作原理圖

2.1.4 同時(shí)左右視TOP SAR模式

由于全數(shù)字陣列DBF具有強(qiáng)大的波束形成能力,可以通過(guò)同時(shí)形成左右視的波束,對(duì)兩個(gè)區(qū)域分別進(jìn)行觀測(cè),另外,可以采用TOPS模式對(duì)每一側(cè)的兩個(gè)波位分別進(jìn)行觀測(cè),可以在不增加占空比的情況下,通過(guò)降低方位分辨率,有效地?cái)U(kuò)大測(cè)繪帶寬。同時(shí),通過(guò)對(duì)波束的控制,可以使兩個(gè)波束互不干擾,分別完成測(cè)繪任務(wù)。其工作幾何如圖9所示。

圖9 左右視TOPS SAR示意圖

2.1.5 高性能聚束SAR模式

利用傳統(tǒng)的相控陣系統(tǒng),通過(guò)從在關(guān)注區(qū)域內(nèi)跳躍式聚束掃描,可以對(duì)幾處關(guān)注區(qū)域?qū)崿F(xiàn)高分辨率的成像。一般地,這種典型的工作模式需要PRF是單次聚束成像時(shí)所需PRF的n倍,n為關(guān)注區(qū)域數(shù)量。數(shù)字雷達(dá)可形成同時(shí)波束的能力推動(dòng)了更有效的聚束SAR模式的發(fā)展。在不增大PRF的條件下,若干個(gè)關(guān)注區(qū)能同時(shí)成像。通過(guò)定位大量相鄰的關(guān)注區(qū)域,可以在高分辨率下構(gòu)制條帶狀的SAR成像。因此,將來(lái)數(shù)字雷達(dá)將會(huì)減少條帶SAR和聚束SAR模式之間的區(qū)別。

另外結(jié)合頻分MIMO SAR大帶寬合成技術(shù),在距離向發(fā)射分頻子帶信號(hào)以獲得高距離分辨率,方位向進(jìn)行空時(shí)編碼實(shí)現(xiàn)多發(fā)多收及高的信噪比,通過(guò)聚束或滑動(dòng)聚束工作模式獲得高方位分辨率,先對(duì)獲得信號(hào)進(jìn)行距離向DBF以消除距離模糊,然后進(jìn)行方位空時(shí)解碼,之后對(duì)信號(hào)進(jìn)行帶寬合成,最后對(duì)方位向進(jìn)行聚束SAR成像處理后,即可獲得重點(diǎn)觀測(cè)區(qū)域的高分辨高信噪比的SAR圖像。

2.1.6 三維成像模式

目前,三維成像技術(shù)主要有層析三維成像技術(shù)、圓軌跡三維成像技術(shù)、曲線三維SAR成像技術(shù)、下視三維SAR成像技術(shù)和前視三維SAR成像技術(shù)。

由于DBF SAR系統(tǒng)具有更多的等效相位數(shù)量,且可獲得較長(zhǎng)的等效相位孔徑長(zhǎng)度,將大幅提高三維成像的性能,下面以下視三維成像為例進(jìn)行分析。圖10為下視DBF SAR系統(tǒng)下視三維成像幾何關(guān)系及成像仿真結(jié)果,其中雷達(dá)平臺(tái)沿x軸勻速飛行,定義x軸方向?yàn)檠睾桔E向,y軸方向?yàn)榭绾桔E向,線陣天線平行于y軸方向安置,z軸方向?yàn)楦叱滔颉Ｆ渲锌绾桔E向的分辨能力主要由DBF SAR陣列的等效相位分布和孔徑長(zhǎng)度確定;沿航跡向上則通過(guò)雷達(dá)平臺(tái)本身的相對(duì)運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)合成孔徑,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)沿航跡上的高分辨率成像;在高程上,則與傳統(tǒng)雷達(dá)的斜距向類似,主要通過(guò)寬帶信號(hào)實(shí)現(xiàn)。

圖10 下視三維成像示意圖及成像仿真結(jié)果

2.2 高性能動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)模式

2.2.1 提升SAR/MTI性能指標(biāo)

利用同時(shí)方位向收/發(fā)DBF SAR技術(shù)可成倍地緩解常規(guī)SAR/MTI的最小可檢測(cè)速度和盲速的矛盾,提升SAR/MTI的性能(如圖11所示)。其基本原理是采用可區(qū)分信號(hào)的同時(shí)收/發(fā),得到遠(yuǎn)多于陣元數(shù)目的觀測(cè)通道。在保證一定陣列孔徑的條件下,等效獲得了密集的空間采樣;或者在保證一定空間采樣的條件下,等效獲得更大的陣列孔徑。

不同的子孔徑配置或者可以在保證達(dá)到與傳統(tǒng)SAR/MTI相同的盲速范圍的條件下,將最小可檢測(cè)速度降低為原來(lái)的N分之一;或者可以在保證一定的最小可檢測(cè)速度的條件下,將盲速范圍提高N倍,其中N為發(fā)射可區(qū)分信號(hào)的數(shù)目。

2.2.2 快速?gòu)V域MTI掃描

數(shù)字雷達(dá)概念能夠在每次掃描中都可以同時(shí)形成不同的子孔徑結(jié)構(gòu)。而且,即使在子孔徑形成以后,仍能生成用于每個(gè)子孔徑且方向不同的同時(shí)波束,如圖12(b)所示。因此,并不需要一個(gè)掃描波束覆蓋大面積區(qū)域。這極大地改進(jìn)了MTI操作時(shí)的重訪時(shí)間和目標(biāo)照射時(shí)間。在極特殊情況下,可形成專門波束用于跟蹤目標(biāo)。傳統(tǒng)相控陣中,每個(gè)子孔徑只能形成單個(gè)波束,如圖12(a)所示。為了覆蓋大面積區(qū)域,波束必需掃描整個(gè)區(qū)域,因此該區(qū)域內(nèi)的不同扇區(qū)只能有一小段時(shí)間能被照射到。

圖11 收發(fā)DBF用于SAR/MTI示意圖

圖12 改進(jìn)了MTI操作時(shí)的重訪時(shí)間和目標(biāo)照射時(shí)間

2.2.3 多目標(biāo)跟蹤和同時(shí)掃描/跟蹤

基于DBF技術(shù)的SAR/MTI雷達(dá)能夠形成多波束,同時(shí)跟蹤多個(gè)目標(biāo)。而且還可以讓一部分波束執(zhí)行掃描,另一部分波束執(zhí)行對(duì)特定目標(biāo)的跟蹤,實(shí)現(xiàn)邊掃描邊跟蹤,增加了處理的靈活性。

2.2.4 欠采樣MTI模式

方位向口徑(或方位向分辨率)和作用距離的矛盾帶來(lái)了SAR系統(tǒng)PRF設(shè)計(jì)的壓力。對(duì)于MTI模式而言,其PRF設(shè)計(jì)壓力更大。由于單通道MTI模式的動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)性能差、定位精度低,一般采用多通道體制實(shí)現(xiàn)MTI,以更高的自由度獲取更好的動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)性能與定位精度。而多通道子孔徑接收的方式使得地雜波多普勒帶寬更大,系統(tǒng)的PRF要求更高。

以形成三發(fā)三收波束為例來(lái)分析數(shù)字陣列SAR/MTI雷達(dá)。天線孔徑長(zhǎng)度為D,子孔徑間距為d。圖13給出了SAR/M TI相位中心示意圖。三個(gè)子陣A1、A2和A3對(duì)應(yīng)的發(fā)射相位中心分別為T1、T2和T3;接收相位中心分別為R1、R2和R3。陣元A1的等效相位中心為E11、E12、E13;陣元A2的等效相位中心為E21、E22、E23;陣元A3的等效相位中心為E31、E32、E33。將N個(gè)收發(fā)共用的MIMO系統(tǒng)等效為N個(gè)1發(fā)N收的MISO系統(tǒng),每個(gè)MISO系統(tǒng)對(duì)應(yīng)一個(gè)MTI通道。若用該體制實(shí)現(xiàn)多通道M TI,則可以用傳統(tǒng)單通道系統(tǒng)的PRF實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)多通道MTI系統(tǒng)的動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)與定位效果。

對(duì)于收發(fā)共用陣列的N發(fā)N收系統(tǒng)的一個(gè)PRT內(nèi)各方位位置處的回波信號(hào)可以用矩陣表示如下:

這里,S ij表示第i個(gè)子陣發(fā)射,第j個(gè)子陣接收的信號(hào),其中1≤i,j≤N。在SAR模式下,將矩陣的每一列相干疊加即等效于一個(gè)空間采樣點(diǎn),矩陣的列數(shù)即是SAR模式在一個(gè)PRT內(nèi)等效的空間采樣點(diǎn)數(shù)。在MTI模式下,矩陣的每一行可以空時(shí)等效重構(gòu)為一個(gè)MTI通道,而行數(shù)就是等效的MTI的通道數(shù)。如此便可解決MTI模式的PRF設(shè)計(jì)的矛盾,同時(shí)可獲取高的動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)性能和定位精度[2]。

圖13 動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)模式相位中心

2.3 實(shí)現(xiàn)同時(shí)多模式、多任務(wù)

現(xiàn)代軍事作戰(zhàn)需要能同時(shí)工作的地面監(jiān)視、目標(biāo)跟蹤和目標(biāo)分類等模式。數(shù)字雷達(dá)可在同一時(shí)間完成多種功能,或同一時(shí)間分割地交替完成不同系統(tǒng)完成的功能,可同時(shí)實(shí)現(xiàn)HRWS條帶、聚束、掃描、MTI、干涉、目標(biāo)跟蹤等多種模式,如圖14所示。

圖14 數(shù)字陣列SAR/MTI雷達(dá)同時(shí)多模式示意圖

同時(shí)多模式是DBF SAR/MTI系統(tǒng)的潛力,系統(tǒng)在滿足靈活捷變和自適應(yīng)能力的條件下,設(shè)計(jì)適合多維空時(shí)耦合波形編碼的信號(hào)形式和多維空時(shí)編碼的方法。采用發(fā)射脈沖多維編碼技術(shù)進(jìn)行發(fā)射空間分集,結(jié)合接收上的多孔徑數(shù)字波束形成技術(shù)實(shí)現(xiàn)同時(shí)多模式、多任務(wù)。圖15給出了SAR/MTI雷達(dá)與通信一體化的示意圖。

圖15 數(shù)字陣列SAR/MTI雷達(dá)與通信一體化設(shè)計(jì)示意圖

3 結(jié)束語(yǔ)

寬帶DBF SAR/MTI系統(tǒng)具有許多常規(guī)SAR/MTI系統(tǒng)所不具備的優(yōu)勢(shì)。但受寬帶數(shù)字陣列天線工程設(shè)計(jì)、寬帶數(shù)據(jù)傳輸與處理能力、多維波形編碼技術(shù)等因素限制,工程實(shí)現(xiàn)上具有較大的技術(shù)難度。隨著數(shù)字陣列SAR/MTI系統(tǒng)概念與信號(hào)處理算法研究的不斷深入,特別是在融合MIMO雷達(dá)理論后,數(shù)字陣列合成孔徑雷達(dá)的基本原理與信號(hào)處理方法日漸完備,必須發(fā)展數(shù)字陣列SAR/MTI雷達(dá)工程化技術(shù)研究,才能從根本上推動(dòng)此項(xiàng)技術(shù)研究與實(shí)用性進(jìn)程。

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