郭 瑞 張 月 田 彪 肖 鈺 胡 俊 徐世友 陳曾平 (中山大學(xué)·深圳電子與通信工程學(xué)院 深圳 518107)

1 引言

為了應(yīng)對不斷變化的目標環(huán)境、電磁環(huán)境和地形環(huán)境的挑戰(zhàn)，雷達從發(fā)明之初到現(xiàn)在不斷發(fā)展進步，特別是數(shù)字化技術(shù)在雷達上的應(yīng)用，為雷達技術(shù)的發(fā)展打開了廣闊空間。近年來，半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展推動了高集成度陣列、高性能計算、大帶寬數(shù)據(jù)傳輸與大容量存儲等技術(shù)在數(shù)字陣列雷達方面的應(yīng)用，促進了雷達感知探測理論的完善，全息凝視雷達的概念也因此逐漸成型。全息凝視雷達(Holographic staring radar)又稱泛探雷達(Ubiquitous Radar)、同時多波束數(shù)字波束形成(Digital Beam Forming,DBF)雷達或泛照燈雷達(Floodlight Radar)[1,2]，2017年，IEEE雷達定義標準[3]首次給出全息雷達定義，全息雷達是一種同時覆蓋全空域、同時多功能的雷達，其特點在于發(fā)射采用寬波束，接收采用凝視陣列同時形成多個窄波束覆蓋發(fā)射區(qū)域，每個波束輸出包含單獨的接收和處理系統(tǒng)用于實現(xiàn)任意波束的同時獨立多功能。

本文對全息凝視雷達系統(tǒng)技術(shù)與發(fā)展應(yīng)用進行了概述，介紹全息凝視雷達發(fā)展歷程，并結(jié)合系統(tǒng)特點梳理全息凝視雷達應(yīng)用方向。在此基礎(chǔ)上，對全息凝視雷達系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)進行了概括與分析，并對發(fā)展趨勢進行了探討。

2 全息凝視雷達概念與特點

全息凝視雷達概念示意如圖1所示，全息凝視雷達采用獨立的數(shù)字化的收、發(fā)陣面，不需要波束掃描。從空間維度來看，全息凝視雷達寬波束發(fā)射，能量均勻照射到廣闊空域，接收采用數(shù)字波束形成技術(shù)，同時獲得多個窄波束覆蓋發(fā)射區(qū)域?qū)崿F(xiàn)對整個發(fā)射空域的連續(xù)探測，從而盡可能多地利用發(fā)射信號能量。從時間維度來看，全息凝視雷達采用長時間相參積累，盡可能利用雷達過去發(fā)射的信號能量，如此可在相同功率口徑積條件下，提高雷達發(fā)射功率利用率，改進雷達探測性能和目標信息獲取能力[4]。“全息”概念，一方面指雷達獲取目標信息的完整性(距離、速度、角度、微多普勒等)；另一方面指全時空探測，即對探測區(qū)域進行連續(xù)時空覆蓋。

圖1 全息凝視雷達體制概念示意圖Fig.1 Schematic diagram of holographic staring radar

全息凝視雷達具有以下優(yōu)勢：

(1) 具有數(shù)字化、軟件化特點。作為數(shù)字陣列雷達的子類，全息凝視雷達收發(fā)陣面都采用全數(shù)字陣面，雷達收發(fā)前端具有組件化、參數(shù)化、可編程的特點。雷達功能主要由后端軟件化處理機實現(xiàn)，系統(tǒng)功能軟件可定義，易于擴展、升級；

(2) 全息凝視雷達具有同時多功能特點。與傳統(tǒng)多功能雷達同一時間僅能處理單個任務(wù)相比，全息凝視雷達同時形成多個接收波束，每個波束可針對不同目標選擇不同駐留時間并單獨處理，從而實現(xiàn)多任務(wù)并行處理；

(3) 全息凝視雷達能夠提高強雜波背景下弱小目標的檢測和識別能力。與傳統(tǒng)的目標監(jiān)視雷達相比，全息凝視雷達無需波束掃描，通過長時間積累獲得更高的增益和多普勒分辨率，實現(xiàn)了運動目標與雜波的有效分離，且高多普勒分辨率有助于提取目標的微多普勒特征，從而為目標分類識別提供了新的維度；

(4) 全息凝視雷達易于實現(xiàn)集群目標探測。全息凝視雷達可實現(xiàn)全時空覆蓋，無需波束掃描和復(fù)雜的資源調(diào)度，即可實現(xiàn)大批量目標的同時檢測跟蹤，目標容量大，更新速率高；

(5) 全息凝視雷達可實現(xiàn)目標遠距離低截獲概率探測。全息凝視雷達采用低功率全向或?qū)挷ㄊl(fā)射、全數(shù)字多波束凝視接收體制，發(fā)射能量分布在寬的方位區(qū)域上，接收利用雷達過去發(fā)射的信號能量提高目標信息獲取能力，同時方便實現(xiàn)低截獲波形設(shè)計、發(fā)射時間、能量與頻率控制，使得己方雷達對威脅目標的探測距離大于對方截獲接收機對雷達發(fā)射信號的偵察截獲距離，實現(xiàn)對目標“射頻隱身”探測。

與此同時，全息凝視雷達工作特點也會帶來以下處理難題：(1)發(fā)射增益低。全息凝視雷達寬波束發(fā)射不可避免地帶來發(fā)射增益降低問題，需要通過更多的脈沖積累來獲取與波束掃描雷達相當(dāng)?shù)脑鲆妫@就對較長時間范圍內(nèi)回波間的相參性提出了更高的要求，積累時必須考慮目標機動、多普勒模糊、其他擾動以及相位噪聲帶來的積累增益下降問題；(2)計算量大。接收時多波束同時處理將顯著增加系統(tǒng)對信號處理資源的需求；(3)多徑效應(yīng)。復(fù)雜環(huán)境下寬波束發(fā)射更容易帶來多徑問題，嚴重時將為目標檢測以及參數(shù)估計帶來十分不利的影響。

全息凝視雷達模式、相控陣雷達模式以及MIMO雷達模式可以看作同一個數(shù)字陣列雷達硬件平臺的不同工作模式[5,6]，它們具有各自不同的特點與適用場景。全息凝視雷達從波束方面進行定義，強調(diào)的是寬發(fā)和同時多波束凝視接收，而MIMO雷達則是從波形角度，強調(diào)的是波形分集，一般同時也具有全息凝視特點。表1總結(jié)了數(shù)字陣列雷達各工作模式的對比。

表1 相控陣雷達、全息凝視雷達和MIMO雷達對比Tab.1 The comparison of phased array radar,holographic staring radar and MIMO radar

3 全息凝視雷達研究歷程與應(yīng)用情況

全息凝視雷達的歷史可追溯至雷達發(fā)明之初，世界上第一部軍用雷達英國Chain Home雷達即采用“泛光燈照射”(floodlight illumination)工作模式發(fā)射電磁波，通過檢測目標回波實現(xiàn)空中威脅目標方位和距離探測，并在第二次世界大戰(zhàn)中發(fā)揮重要作用[1]。然而，在之后的雷達發(fā)展過程中，波束掃描雷達由于其在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、實現(xiàn)成本等方面的優(yōu)勢，成為雷達系統(tǒng)發(fā)展的主要方向。

直到20世紀80年代，法國國家航空航天研究院(ONERA)與Thomson-CSF提出合成脈沖孔徑雷達(Radar a Impulsion et Antenne Synthetique,RIAS)概念[8–10]，凝視工作體制再次被提及。為了在保持一定的角度分辨率前提下增加波束駐留時間，RIAS采用“寬發(fā)窄收”工作模式，發(fā)射波形相互正交，接收利用數(shù)字波束形成技術(shù)同時獲取多個波束以實現(xiàn)半球形范圍內(nèi)所有檢測目標的持續(xù)跟蹤。RIAS工作于VHF頻段，一方面是為了對抗隱身目標，另一方面是為了適應(yīng)當(dāng)時技術(shù)水平，減少陣元數(shù)目從而降低系統(tǒng)復(fù)雜性和計算能力需求。

1989年，為應(yīng)對反輻射導(dǎo)彈(Anti-Radiation Missile,ARM)威脅，德國應(yīng)用科學(xué)研究所(FGAN)Wirth[11–13]提出了發(fā)射端采用連續(xù)波、寬波束設(shè)計，將雷達輻射功率在時間/空間上進行分散，降低時空功率密度，接收端采用同時多波束，實現(xiàn)連續(xù)空域覆蓋，即提出泛照燈雷達(Floodlight Radar)的概念。為驗證系統(tǒng)的有效性，F(xiàn)GAN建立了全向低截獲雷達試驗系統(tǒng)(Omnidirectional LPI,OLPI)。OLPI工作于S波段，發(fā)射連續(xù)波，發(fā)射功率10 W，方位覆蓋120°范圍，俯仰覆蓋20°范圍。如圖2(b)所示，接收陣列為64列偶極子天線組成的平面陣列，接收時首先采用64通道Butler矩陣實現(xiàn)方位向同時多波束，然后再對每個波束進行數(shù)字化，多波束間交疊正交，波束寬度約為2°。OLPI采用模擬波束形成方式，驗證了全息凝視體制用于實現(xiàn)低截獲探測的性能優(yōu)勢。

圖2 OLPI雷達[12]Fig.2 OLPI radar[12]

1993年，我國科研人員基于RIAS相同概念建造了綜合脈沖孔徑雷達(Synthetic Impulse and Aperture Radar,SIAR)并開展相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)研究[14–17]，SIAR的脈沖綜合保持了對某些方向的計算，等效于把雷達波束固定在某些方向，SIAR中不存在波束掃描概念，積累時間只受目標運動和雷達參數(shù)影響，與波束對目標的掃描時間無關(guān)，實驗及相關(guān)分析驗證了SIAR具有反隱身、反偵察、抗ARM和抗干擾的性能優(yōu)勢，同時文獻[18]也指出滿足多波束實時處理所需的計算能力是建造綜合脈沖孔徑雷達系統(tǒng)的難點之一。在這個階段，盡管接收陣列稀疏布陣，但由于當(dāng)時實際信號處理能力的限制，實際的SIAR系統(tǒng)很難做到接收波束對發(fā)射波束空間的全部覆蓋，相當(dāng)于對能量利用率作出一定犧牲。

1999年，美國海軍研究實驗室(Naval Research Laboratory,NRL)Skolnik[19–21]提出泛探雷達(Ubiquitous radar)概念，即采用全向或者很寬的發(fā)射波束，接收采用數(shù)字波束同時形成多個窄波束覆蓋發(fā)射區(qū)域，可實現(xiàn)對觀測空域的時域、空域的連續(xù)觀測。Skolnik總結(jié)泛探雷達的主要優(yōu)勢在于可實現(xiàn)同時多功能并能夠提高雷達抗截獲性，并指出該性能主要依賴于數(shù)字波束形成與數(shù)字信號處理能力。隨后NRL完成泛探雷達系統(tǒng)研制[22]，并基于該系統(tǒng)驗證了泛探雷達性能優(yōu)勢，同時指出，全息凝視雷達長時間積累必須解決跨距離單元和跨多普勒單元現(xiàn)象帶來的積累增益下降問題。

2003年，美國林肯實驗室對全息凝視模式和MIMO模式進行對比，并指出數(shù)字陣列雷達發(fā)射分集波形可進一步發(fā)揮全息凝視雷達性能優(yōu)勢，并研制L波段MIMO體制泛探多功能數(shù)字陣列雷達用于技術(shù)驗證[7]，泛探模式與MIMO的結(jié)合進一步增加系統(tǒng)時間-能量管理的靈活性，以適應(yīng)不同場景的目標探測。

近年來，隨著高速總線及高性能處理系統(tǒng)發(fā)展，全息凝視雷達計算量問題對系統(tǒng)的限制越來越小，全息凝視雷達頻段不斷擴展，系統(tǒng)規(guī)模不斷增大；同時與智能信號處理、分布式等新技術(shù)結(jié)合，使得凝視體制應(yīng)用范圍進一步擴展，總的來說主要包括以下方面：

(1) 空中/地面/海面監(jiān)視雷達

2010年以來，英國Aveillant公司采用了泛探雷達的思想研制出圖3所示不同威力、不同空域覆蓋的系列化產(chǎn)品[23]，相關(guān)參數(shù)如表2所示。該類產(chǎn)品可實現(xiàn)全空域、全時間的連續(xù)探測，且利用長時間相參積累帶來的高多普勒分辨率，實現(xiàn)目標的微多普勒測量?；谠撓盗挟a(chǎn)品，已完成風(fēng)力發(fā)電廠渦輪雜波抑制[24]、無人機探測識別[25–32]、鳥類探測識別[27,33]、非合作目標監(jiān)視[34,35]、智能信號處理[36,37]、分布式探測[38–40]等試驗驗證，證明了該系統(tǒng)應(yīng)用于鳥類、無人機等“低慢小”目標探測識別具有獨特優(yōu)勢。

表2 Aveillant公司全息雷達系統(tǒng)參數(shù)[24–30]Tab.2 Basic technical parameters of Aveillant's holographic radar[24–30]

圖3 Aveillant公司全息雷達系統(tǒng)[24–30]Fig.3 Holographic staring radars of Aveillant[24–30]

2015年，QinetiQ公司推出采用泛探思想的圖4(a)所示的Alarm凝視雷達[41,42]，主要用于小型基地防御。該雷達方位覆蓋120°。仰角覆蓋30°，工作頻段C波段(4～6 GHz)，發(fā)射功率100 W，已裝備于英國部隊，可實現(xiàn)火箭彈探測與告警以及懸停無人機探測等功能。處理過程中，該系統(tǒng)先進行俯仰維數(shù)字波束形成，再進行方位維數(shù)字波束形成，文獻[41,42]給出了該系統(tǒng)試驗結(jié)果，在火箭彈由遠及近向雷達方向飛行過程中，俯仰測量的最低角度約3°。隨后該公司又推出Obsidian凝視雷達[43]，天線采用無活動部件的全固態(tài)印制電路結(jié)構(gòu)，降低維護成本，每個系統(tǒng)包含5個陣列天線，工作時同時形成16個固定波束。發(fā)射波形為調(diào)頻連續(xù)波，工作頻率約10 GHz，方位覆蓋180°。仰角覆蓋90°，距離分辨率3 m，具有良好的多普勒分辨率，可對低速旋翼無人機目標、高機動固定翼目標有效探測識別。

圖4 QinetiQ公司全息雷達系統(tǒng)[41–43]Fig.4 Holographic staring radars of QinetiQ[41–43]

2017年，意大利芬坎特里集團公司旗下SEASTEMA公司推出圖5所示新型OMEGA360全息凝視雷達[44–46]，采用216列組成的環(huán)形結(jié)構(gòu)天線，每列包含8個輻射單元和1個8通道無源帶狀線功分器，各列具有單獨的接收通道用于射頻信號放大、濾波下變頻以及數(shù)字采樣，4個接收通道組成1個單獨的Q-Pack模塊。采集數(shù)據(jù)送到中央處理單元進行實時處理，同時形成192個接收波束(波束寬度約為2°)實現(xiàn)方位維360°范圍內(nèi)凝視探測。OMEGA360工作頻段為X波段，發(fā)射波形為線性調(diào)頻信號，帶寬為5 MHz，其可在嚴重雜波干擾下探測水面目標和低空目標，包括潛望鏡、小艇、浮標、小型無人機、直升機、掠海導(dǎo)彈等。

圖5 OMEGA360全息凝視雷達[44–46]Fig.5 OMEGA360 holographic staring radar[44–46]

中山大學(xué)智能感知團隊在系列國家項目資助下，與國外同步開展了全息雷達技術(shù)研究與系統(tǒng)研制工作[47–53]，經(jīng)過十余年的研究發(fā)展，已成功研制了圖6和圖7所示L,S等頻段全息雷達產(chǎn)品，相關(guān)參數(shù)如表3所示。團隊基于所研制的全息凝視雷達系統(tǒng)，開展了較為豐富的外場試驗驗證工作。如圖8所示，在空中目標監(jiān)視方面，團隊與中國民航科學(xué)技術(shù)研究院合作開展基于全息雷達的外場鳥情感知探測實驗，證明了全息凝視雷達在低空目標監(jiān)視識別方面的優(yōu)勢。一方面，全息雷達的高速度分辨率可為距離和方位都無法分辨的集群目標提供分辨手段，如圖9所示，圖中橫坐標代表目標速度，其中出現(xiàn)的兩個尖峰即為全息凝視雷達對集群中個體目標的速度分辨結(jié)果；另一方面，全息凝視雷達連續(xù)探測和高駐留時間工作方式有助于提取目標的微多普勒，從而提高目標識別準確率[54–58]，實測數(shù)據(jù)驗證表明，綜合利用目標微多普勒特征、運動特征、RCS特征等可實現(xiàn)低慢小目標97.62%的識別準確率[59–61]。

表3 中山大學(xué)全息雷達系統(tǒng)參數(shù)Tab.3 Basic parameters of the holographic staring radar developed by SYSU

圖6 L波段全息凝視雷達Fig.6 L band holographic staring radar

圖7 S波段全息凝視雷達Fig.7 S band holographic staring radar

圖8 全息凝視雷達機場鳥情感知試驗Fig.8 Birds detection trials in airport

圖9 集群目標速度分辨結(jié)果Fig.9 Group target detection results

在邊境地區(qū)的安全防控應(yīng)用方面，團隊在云南等地基于L波段全息凝視雷達開展了針對邊防應(yīng)用的外場探測實驗，圖10為相關(guān)實驗場景與結(jié)果，經(jīng)驗證，L波段全息凝視雷達可穿透10～20 m中等密度樹林，實現(xiàn)了6公里外人員、車輛目標探測。在海防應(yīng)用方面，團隊與海軍航空大學(xué)海上目標探測課題組合作開展基于S波段全息凝視雷達的海面目標監(jiān)測、檢測、識別等試驗驗證工作，圖11為海面目標探測試驗雷達架設(shè)場景與目標測量結(jié)果。驗證了全息凝視雷達可用于大型輪船、漁船、摩托艇、蛙人、浮標等目標的海面監(jiān)視任務(wù)，其全時空域、高多普勒分辨率的特點為復(fù)雜海況下海面弱目標探測提供了新的技術(shù)手段。

圖10 針對邊防應(yīng)用的外場探測試驗Fig.10 Target detection trials for frontier defense applications

圖11 海面目標探測試驗Fig.11 Sea surface target detection trials

同類型系統(tǒng)還包括以色列航空工業(yè)公司(IAI)推出了用于地面和海岸警戒全息凝視雷達系列產(chǎn)品[62–64]、馬德里理工大學(xué)研制的X波段全息雷達樣機[65–69]、以色列埃爾比特公司(Elbit Systems)的MBR 16全息雷達系統(tǒng)[70]、匈牙利的MBR-3D地空監(jiān)視雷達[71]等。

(2) 凝視成像雷達

在雷達成像方面，傳統(tǒng)合成孔徑雷達(Synthetic Aperture Radar,SAR)存在成像幅寬和分辨率之間矛盾，一種方式是將接收陣面分割為多個子孔徑，然后多個子孔徑同時形成不同指向接收波束實現(xiàn)大場景和高分辨成像，但是這種方式無法充分利用天線的孔徑增益[72]；另一種方式即采用多波束凝視成像方式，利用整個陣面所有接收通道進行DBF同時形成多個窄波束，可有效降低每個區(qū)域的多普勒譜寬，抑制多普勒頻率模糊，實現(xiàn)高分辨率寬幅成像[73–75]。如圖12所示，凝視成像系統(tǒng)每個接收波束固定接收成像區(qū)域的回波，保證了對成像區(qū)域的積累時間，滿足設(shè)定合成天線口徑，實現(xiàn)方位向的高分辨；系統(tǒng)可獲得較高的波束增益，實現(xiàn)高信噪比，從而高效利用雷達功率口徑積。中外相關(guān)研究人員先后研制了具有多波束凝視成像功能的L波段[76]、X波段[77–79]以及Ka波段[80]DBF-SAR系統(tǒng)，驗證了數(shù)字波束形成技術(shù)與多通道體制可用于解決方位分辨率與距離幅寬之間的矛盾，實現(xiàn)高分寬幅成像。

圖12 多波束凝視成像示意圖[75]Fig.12 Schematic diagram of staring digital multiple beams SAR[75]

(3) 超視距雷達

超視距雷達利用高頻電磁波的繞射或反射，實現(xiàn)對視距外目標的遠距離探測，工作頻段一般為3～30 MHz的短波頻段，具有探測距離遠、監(jiān)控范圍大、超低空探測能力強、反隱身性能好等優(yōu)勢，因此超視距雷達常架設(shè)在海岸灘頭擔(dān)負對海上目標和超低空飛行目標的超視距警戒、海情監(jiān)測、戰(zhàn)場監(jiān)控等任務(wù)。超視距雷達一般在頻域進行目標檢測，即對接收到的信號進行長時間相干積累，獲得較高的多普勒分辨率，進而能從強海雜波中超視距發(fā)現(xiàn)微弱目標，甚至可發(fā)現(xiàn)幾千公里外戰(zhàn)斗機目標。然而，對于傳統(tǒng)體制的超視距雷達，較長的積累時間使得數(shù)據(jù)更新率下降，將不利于多目標快速跟蹤。為克服該問題，圖13所示的新體制超視距雷達[81]開始測試應(yīng)用，新體制超視距雷達一方面采用MIMO技術(shù)發(fā)射多個相互正交波形，擴展目標監(jiān)視區(qū)域，增加角度分辨率；另一方面進行多波束同時接收凝視處理，增加多目標積累時間以提高微弱目標的分辨能力。

圖13 澳大利亞HILOW超視距雷達試驗發(fā)射陣列[81]Fig.13 Photograph of the OTHR transmitter array used in the HILOW experiment[81]

(4) 自動駕駛雷達

車載毫米波雷達是高級駕駛輔助系統(tǒng)(Advanced Driving Assistance System,ADAS)中的重要傳感器，具有體積小、成本低、全天時全天候工作等優(yōu)勢。圖14為典型自動駕駛雷達波束示意圖，采用MIMO技術(shù)進行多波束凝視探測，可提高波束駐留時間從而增加多普勒分辨率，獲得較高的雜散抑制與目標分辨能力，且全時空覆蓋，實現(xiàn)車輛前方視野中多個潛在目標的同時檢測跟蹤。全息凝視工作模式是提高車載毫米波雷達工作性能，保障獲取安全駕駛所需環(huán)境信息的重要手段。

圖14 自動駕駛雷達波束示意圖[1]Fig.14 The illumination beam and multiple receive beams of a vehicular radar system[1]

(5) 被動凝視雷達

被動凝視雷達是指利用第三方非合作輻射源發(fā)射的電磁信號來照射目標，自身利用多波束凝視技術(shù)被動地接收目標散射信號而實施探測的新體制雷達[82]。與主動凝視雷達不同點在于發(fā)射波形未知，那么被動凝視雷達通常需要復(fù)雜波形恢復(fù)處理，處理時設(shè)置監(jiān)測通道和參考通道，利用適當(dāng)延時的參考信號對探測區(qū)域監(jiān)測信號進行匹配濾波獲取距離多普勒譜。圖15為亨索爾特公司Twinvis被動雷達，系統(tǒng)包含兩個圓形陣天線，分別用于VHF和UHF信號接收，采集系統(tǒng)對所有陣元接收信號進行數(shù)字采樣，進而實現(xiàn)自適應(yīng)波束形成和即時全向跟蹤。

圖15 亨索爾特公司Twinvis被動雷達[1]Fig.15 The Hensoldt Twinvis passive radar system[1]

總的來說，早期由于系統(tǒng)成本、計算資源等限制，全息凝視體制雷達系統(tǒng)在頻段選擇、系統(tǒng)規(guī)模、應(yīng)用場景方面受到極大限制，主要集中在低頻段稀疏陣列反隱身探測方面。近年來，半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展推動了高集成度陣列、多通道模數(shù)轉(zhuǎn)換、大帶寬數(shù)據(jù)傳輸、高性能計算等技術(shù)在雷達系統(tǒng)設(shè)計方面的應(yīng)用。全息凝視雷達頻段不斷提高，系統(tǒng)規(guī)模不斷增大，應(yīng)用場景不斷擴展，全息凝視體制已在多功能目標監(jiān)視、低截獲探測、凝視成像等方面展示出了卓越性能。

4 全息凝視雷達關(guān)鍵技術(shù)

圖16為全息凝視雷達接收處理流程，全息凝視雷達作為數(shù)字陣列雷達的子類，單路波束處理采用常規(guī)的雷達信號處理流程。同時，全息凝視雷達特殊的工作方式使其具備獨特性。如全息凝視雷達寬波束發(fā)射、同時多波束接收，要求系統(tǒng)具備更靈活的波束控制能力；全息凝視雷達無需波束掃描可實現(xiàn)更長時間積累，要求系統(tǒng)解決跨距離單元、跨多普勒、跨波束的“三跨”問題；全息凝視雷達寬波束發(fā)射容易帶來更加嚴重的多徑問題，要求具有相干信號處理能力等，下面重點闡述全息凝視雷達相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)研究的進展情況。

圖16 全息凝視雷達信號處理流程Fig.16 The signal processing diagram of holographic staring radars

4.1 全息凝視雷達收發(fā)波束控制技術(shù)

在發(fā)射波束寬度控制方面，功放飽和工作狀態(tài)下，實現(xiàn)波束展寬主要有兩種[4]，一是陣面劃分方法，僅利用陣面中部分單元合成波束；二是天線全部陣元通過調(diào)整相位加權(quán)實現(xiàn)波束展寬。天線各陣元以線性調(diào)頻信號的變化規(guī)律加權(quán)可實現(xiàn)空間譜擴展，展寬后波束增益下降，波束內(nèi)出現(xiàn)波動?；谙辔患訖?quán)的波束展寬問題可以看作各陣元加權(quán)系數(shù)ωn優(yōu)化問題，因此可利用梯度搜索算法[83]、遺傳算法[84]、均方根(Root Mean Square,RMS)近似算法[85]、2階錐規(guī)劃(Second-Order Cone Programming,SOCP)算法[86]、二次相位分布方法[87]、隨機相位分布方法[88]獲得相位加權(quán)的估計值。如圖17所示，文獻[89]基于已知最優(yōu)同倫和隨機梯度下降聯(lián)合算法使用構(gòu)造的罰函數(shù)參數(shù)族進行波束展寬，展寬因子大于2.5倍，即相比于未采用波束展寬的小的陣列，大陣列經(jīng)過波束展寬獲得與之相同的波束寬度，波束指向范圍內(nèi)輻射功率提高至少2.5倍。文獻[90]將輻射功率表示為正弦或余弦函數(shù)，并利用函數(shù)的正交性獲取包含期望功率與陣元相位的方程組，求解后可以得到陣元相位加權(quán)值。文獻[91–93]將寬波束定義為覆蓋該范圍內(nèi)的一系列窄波束，給出可行的陣元相位加權(quán)值計算方法，并將該方法用于機載氣象觀測雷達系統(tǒng)。

圖17 波束展寬前后的波束圖[89]Fig.17 Beam before and after broadening[89]

在接收數(shù)字波束形成方面，自20世紀70年代以來，已開展了廣泛而深入的研究，提出了一系列波束形成算法。早期的如線性約束最小方差算法(Linear Constraint Minimum Variance,LCMV)及其改進算法[94–96]、對角加載法[97]、特征子空間類算法[98,99]，LCMV算法缺點在于增加的約束個數(shù)將降低算法的自由度，且在角度估計誤差大時，陣列的空間分辨率將下降。對角加載法性能受對角加載系數(shù)的選取影響強烈，系數(shù)選取過小時影響穩(wěn)健性，選取過大時又會減弱波束形成器對干擾的抑制能力。特征子空間類算法則要求信號干擾子空間維度必須精確已知，低信噪比條件將嚴重影響算法性能。近年來提出的較為先進的穩(wěn)健自適應(yīng)波束形成算法包括基于導(dǎo)向矢量不確定集的穩(wěn)健自適應(yīng)波束形成算法[100–102]，這些算法將對角加載量的選取和導(dǎo)向矢量的不確定集緊密聯(lián)系起來，給出了一種具有較好的穩(wěn)健性和一定的可操作性的最優(yōu)對角加載量選取方法。在此基礎(chǔ)上，人們先后提出了大量的改進算法分別用于減輕算法對于不確定集上界取值的敏感度[103–105]、改善用戶參數(shù)設(shè)置[106,107]、降低訓(xùn)練數(shù)據(jù)中期望信號帶來的誤差[108–110]。

總的來說，以上相關(guān)波束控制技術(shù)僅以相位優(yōu)化手段，實現(xiàn)收發(fā)波束的靈活控制。為應(yīng)對更加復(fù)雜的探測環(huán)境與多變的電磁干擾，需結(jié)合全數(shù)字化陣列中陣元數(shù)目、陣元分布、發(fā)射信號波形、發(fā)射信號頻率等參數(shù)進行綜合優(yōu)化，充分發(fā)揮全數(shù)字雷達多維自由性，以實現(xiàn)更好的目標檢測和跟蹤性能以及更強的干擾抑制能力的陣列波束綜合技術(shù)尚需進一步研究。

4.2 全息凝視雷達目標積累檢測技術(shù)

全息凝視雷達發(fā)射采用寬波束、接收采用同時多波束，提高了波束在特定指向的駐留時間，實現(xiàn)波束覆蓋區(qū)域的連續(xù)觀測，為目標長時間積累提供了保證，但延長積累時間可能出現(xiàn)跨距離單元、跨多普勒、跨波束的“三跨”問題，大大降低長時間積累的效果。相關(guān)研究根據(jù)是否利用雷達目標回波的相位信息，可將長時間積累分為相參積累、非相參積累和混合積累3種。

相參積累利用回波幅度和相位信息進行目標能量的積累，相參積累通常通過動目標檢測(Moving Target Detection,MTD)完成[111,112]，然而，隨著積累時間的增加，運動目標可能會出現(xiàn)距離單元走動和多普勒單元走動，嚴重影響積累增益，為此采用距離補償和相位補償進行克服。距離補償方法主要包括適用于1階運動的尺度傅里葉變換(Scaled Inverse Fourier Transform,SCIFT)距離補償方法[113]、適用于指定階數(shù)的廣義Keystone[114–116]和廣義Radon[117,118]高階運動距離補償方法、適用于指定速度范圍內(nèi)的任意機動形式的相鄰互相關(guān)函數(shù)(Adjacent Cross Correlation Function,ACCF)距離補償方法[119–121]。相位補償方法主要包括用于1階相位補償?shù)目焖俑道锶~變換(Fast Fourier Transform,FFT)、用于2階相位補償De-chirp[48]、離散Chirp傅里葉變換(Discrete Chirp-Fourier Transform,DCFT)、Chirp-let[122]、分數(shù)階傅里葉變換(Fractional Fourier Transform,FRFT)[123,124]、呂分布(Lv’s Distribution,LVD)[125,126]算法、用于3階相位補償?shù)腞adon分數(shù)模糊函數(shù)(Radon-Fractional Ambiguity Function,FRAF)算法以及用于指定階數(shù)的多項式相位信號(Polynomial-Phase Signal,PPS)高階相位補償算法。距離補償和相位補償一般依次進行[117,118,121]，利用目標回波距離走動和相位變化的耦合關(guān)系，也可同時補償距離和相位[127–131]。

非相參積累僅利用回波的幅度信息，而不利用回波的相位信息，主要包括軌跡參數(shù)匹配法、動態(tài)規(guī)劃法、遞歸貝葉斯濾波法和隨機有限集法。軌跡參數(shù)匹配法主要包括Hough變換法[132–134]和Radon變換法[135,136]，通過建立目標運動軌跡的參數(shù)化方程，與雷達回波數(shù)據(jù)相匹配，得到積累結(jié)果與軌跡參數(shù)的函數(shù)。動態(tài)規(guī)劃(Dynamic Programming,DP)法依照階段指標函數(shù)的選取分為兩類，分別以信號和噪聲分布模型構(gòu)造的似然函數(shù)和信號幅度值作為極端指標函數(shù)[137,138]，動態(tài)規(guī)劃算法應(yīng)用于雷達領(lǐng)域具有實現(xiàn)技術(shù)簡單、可拓展性好等優(yōu)點，但是過高機動性容忍度會引發(fā)冗余軌跡的積累，導(dǎo)致虛警概率的提高，且分叉效應(yīng)使其難以對密集分布目標展開分辨。遞歸貝葉斯濾波法是通過擴展目標狀態(tài)定義，將目標存在性加入到目標狀態(tài)的描述中，得到目標存在及目標狀態(tài)概率的后驗概率分布[139]。隨機有限集法[140,141]是遞歸貝葉斯濾波方法在可變數(shù)目多目標情形下的推廣。

混合積累是將相參積累與非相參積累相結(jié)合，一般采用“段內(nèi)相參積累+段間非相參積累”的方式，可實現(xiàn)運算量與信噪比增益的平衡。文獻[142]將長時間積累處理分解到多個子孔徑，子孔徑內(nèi)采用相參積累，子孔徑間采用廣義Radon變換進行非相參積累補償目標的跨距離單元與跨多普勒單元走動問題。如圖18所示，文獻[143]將參數(shù)空間分割為多個等維度子空間并進行子空間移動，然后將混合積累算法應(yīng)用于各個子空間，實現(xiàn)目標檢測性能與計算復(fù)雜度的折衷。

圖18 混合積累原理示意圖[143]Fig.18 Diagram of the principle of hybrid integration[143]

全息凝視雷達具有同時多功能特點，能夠針對近、中、遠程空域不同距離目標，實現(xiàn)多重數(shù)據(jù)率的積累檢測，可采用兩種方法選擇合適長度的相參處理時間(Coherent Processing Interval,CPI)和積累方式。一是變長CPI相參積累，首先根據(jù)系統(tǒng)指標估計信號輸出端所需信噪比，確定最遠作用距離積累時間和積累脈沖數(shù)，然后根據(jù)理想相參積累增益與積累脈沖數(shù)的關(guān)系推導(dǎo)不同距離段的CPI長度，進行相應(yīng)長度的相參積累；二是定長CPI與變長非相參積累結(jié)合的方式，首先選定固定長度的CPI作相參積累，然后根據(jù)不同距離目標檢測信噪比要求，選擇不同數(shù)目的CPI處理結(jié)果進行非相參積累。

總的來說，當(dāng)前積累檢測技術(shù)一定程度上滿足全息凝視雷達目標探測需求，但對于密集雜波、強電磁干擾、極隱身小目標等復(fù)雜情況，尚需進一步開展數(shù)據(jù)處理與信息處理一體的精細化處理技術(shù)，提高點跡信息的全面性，優(yōu)化跟蹤與航跡質(zhì)量。

4.3 全息雷達目標角度估計技術(shù)

全息凝視雷達目標角度測量時，由于任一目標在不同指向波束中均有響應(yīng)，可采用傳統(tǒng)單脈沖角度測量方法，即通過相鄰兩波束的信號功率比值獲取目標角度。但由于采用較寬的發(fā)射波束，雷達不可避免地會受到嚴重的多徑效應(yīng)的影響，直達波與反射波通常位于一個波束寬度之內(nèi)且具有強相關(guān)性，通常難以從空域、時域、頻域和多普勒域上對直達波和多徑回波進行分辨，將對目標角度估計帶來嚴重影響，目標俯仰角估計時尤其嚴重。

多徑效應(yīng)下相干信號角度估計方法主要集中在改進單脈沖測角技術(shù)[144,145]和空域濾波方法[146]上，近年來，隨著陣列信號處理技術(shù)的發(fā)展，利用超分辨測向技術(shù)進行低空目標測高成為研究熱點。其中多重信號分類(Multiple Signal Classification,MUSIC)方法[147]和最大似然(Maximum Likelihood,ML)算法[148,149]最為著名。MUSIC算法處理相干信號角度估計問題時，需要進行解相干預(yù)處理以恢復(fù)接收信號協(xié)方差矩陣的秩，最大似然估計方法用含有未知參數(shù)的條件概率密度函數(shù)擬合入射信號的似然函數(shù)，然后求得使似然函數(shù)最大的未知參數(shù)的解作為該參數(shù)的估計，求解過程涉及的多維聯(lián)合搜索。于是將交替投影(Alternating Projection,AP)策略應(yīng)用到相干信號角度估計中[150]，將多維搜索轉(zhuǎn)換為一維搜索，減小計算量。

具體到低空目標俯仰角估計問題，改進的最大似然(Refined Maximum Likelihood,RML)算法[151,152]充分利用包含目標距離、天線架高、地球曲率和大氣折射等先驗信息的多徑模型，將地面反射信號入射角度等未知量用待估計的直達波入射角度表示，然后構(gòu)造合成導(dǎo)向矢量，進而利用一維搜索最大似然估計方法獲取直達波入射角度的估計值。文獻[153,154]考慮反射特性的不均一性，提出了擾動多徑模型，為不同陣元分配不同的復(fù)反射系數(shù)以反映復(fù)雜陣地對多徑回波的影響，并利用正交匹配追蹤和稀疏貝葉斯學(xué)習(xí)方法對入射信號進行稀疏重構(gòu)，獲取目標入射角度，擾動多徑模型較好地反映了復(fù)雜陣地對于多徑信號的影響，更適用于復(fù)雜陣地。經(jīng)典多徑模型和擾動多徑模型都基于一個重要的假設(shè)，即來自反射區(qū)的多徑回波可以視為一條與直達波相干的多徑信號，且反射信號與直達波信號僅發(fā)生了幅度和相位的改變。但是實際陣地環(huán)境中，多徑回波經(jīng)地面反射會有一定的聚合和分離作用，反射回波不再是僅沿著一條路徑，反射點也不再是第一菲涅爾區(qū)的中心。此時，多徑信號同時存在多路徑、不均勻能量分布等特征。為此，文獻[155]考慮到精確多徑信號模型中多徑信號的衰減系數(shù)等因素，提出了精確多徑信號模型的合成導(dǎo)向矢量地形匹配最大似然估計算法。文獻[156]研究未知反射面高度和反射路徑數(shù)的復(fù)雜陣地環(huán)境下MIMO雷達低空目標測高方法，利用秩1約束條件估計出包含目標及其鏡像仰角信息的復(fù)合導(dǎo)向矢量，并利用稀疏重構(gòu)方法估計低空目標俯仰高度。文獻[157]基于圖19所示多徑模型并充分利用全息雷達已知發(fā)射信息并提高復(fù)合導(dǎo)向矢量估計精度，從而獲得更準確的俯仰角估計結(jié)果，文獻[158]基于L波段全息凝視雷達對DJI Mavic 2 Pro無人機探測的實測數(shù)據(jù)驗證低空目標俯仰角估計方法，獲得了良好地效果。

圖19 復(fù)雜陣地低空目標俯仰角估計模型[157]Fig.19 Multipath signal model for locating low-altitude small target in complex terrain environment[157]

總的來說，全息凝視雷達寬波束發(fā)射的特點使得多徑效應(yīng)越來越嚴重，給低空目標角度尤其俯仰角估計帶來嚴重影響，傳統(tǒng)通用相干信號角度估計方法和目前低空目標俯仰角估計方法未利用或僅部分利用反射模型、發(fā)射信號信息以及目標特征信息，存在角度估計結(jié)果誤差嚴重或計算量大的問題。如何充分利用發(fā)射波形特征、探測環(huán)境特征、目標特征等信息，以進一步提升全息凝視雷達目標角度估計方法還有待進一步研究。

5 全息凝視雷達發(fā)展趨勢

隨著目標環(huán)境、電磁環(huán)境的不斷變化，對全息凝視雷達系統(tǒng)的覆蓋性、時效性、精確性、對抗性、體系性要求也越來越高，全息凝視雷達中“全息”這一概念將進一步拓展，“全息”將向著空、時、頻、能量、極化、編碼等多維資源的綜合全面利用方向發(fā)展。在開放式、通用化、軟件化的靈活硬件平臺支撐下，多樣化波形設(shè)計拓展全息凝視雷達編碼資源的利用；環(huán)境自感知、閉環(huán)反饋、知識與數(shù)據(jù)聯(lián)合驅(qū)動等智能化處理提高全息凝視雷達系統(tǒng)適應(yīng)性；分布式、網(wǎng)絡(luò)化、協(xié)同管理擴展全息凝視雷達目標多維度信息搜集能力，增強系統(tǒng)功能和性能潛力。

5.1 靈活波形設(shè)計

近年來，硬件水平的發(fā)展為復(fù)雜波形產(chǎn)生處理提供了物理基礎(chǔ)，通過波形設(shè)計與優(yōu)化，選擇與目標環(huán)境相匹配的波形，可有效提升雷達在復(fù)雜戰(zhàn)場環(huán)境的適應(yīng)能力。波形設(shè)計已經(jīng)得到行業(yè)的廣泛關(guān)注，成為雷達博弈對抗的新的領(lǐng)域。全息凝視雷達需結(jié)合應(yīng)用場景，開展特定目標的波形設(shè)計研究。如通過頻率變換、相位調(diào)制、多相編碼等手段增加全息凝視雷達發(fā)射波形的多樣性，盡可能減少單位帶寬的頻譜密度，實現(xiàn)低截獲概率射頻隱身信號波形設(shè)計[159,160]；或?qū)⑼ㄐ判畔⑶度肜走_發(fā)射波形來設(shè)計以及利用傳統(tǒng)通信波形進行雷達探測，實現(xiàn)感知通信一體化波形設(shè)計[161,162]；還包括多天線發(fā)射相互正交或部分相關(guān)信號，在較大空域范圍內(nèi)形成低增益寬波束同時覆蓋的正交分集波形設(shè)計[163–165]等。波形的優(yōu)化設(shè)計與運用將成為提升全息凝視雷達復(fù)雜場景多任務(wù)性能的關(guān)鍵要素。

5.2 智能化全息雷達系統(tǒng)

智能化是提升全息凝視雷達的環(huán)境感知能力、增強系統(tǒng)自適應(yīng)性以應(yīng)對日益復(fù)雜的強電磁對抗環(huán)境的重要手段。在任務(wù)管理方面，全息凝視雷達的接收多波束可單獨控制實現(xiàn)同時多功能，采用知識與數(shù)據(jù)聯(lián)合驅(qū)動的智能處理技術(shù)，以對目標和環(huán)境感知分析為基礎(chǔ)，可實現(xiàn)對不同任務(wù)最優(yōu)資源分配，獲取不同目標的最優(yōu)探測性能；在目標檢測方面，可以對典型干擾、雜波等實現(xiàn)精細化建模與特性學(xué)習(xí)，從而減小干擾、雜波等造成的虛警，提高弱小目標的檢測能力；在目標識別方面，借助智能化處理方法，對全息凝視雷達提供的目標運動特征、RCS特征以及精細的微多普勒特征進行信息挖掘分類，提升目標識別的穩(wěn)定性?？偟膩碚f，全息凝視雷達感知技術(shù)與人工智能技術(shù)亟待進行更深度融合，以發(fā)揮極大的應(yīng)用潛力。

5.3 多功能/任務(wù)全息雷達系統(tǒng)

如圖20所示，全數(shù)字收發(fā)控制使得全息凝視雷達可實現(xiàn)多功能性，一部雷達能夠起到多部雷達的作用，具備遠程預(yù)警探測、重點目標精密跟蹤、超低空突防目標監(jiān)視、集群目標識別等多種工作模式，滿足多種感知需求，并且可以部署在陸基、?；蚩栈脚_上。另外，全息雷達可實現(xiàn)系統(tǒng)的多任務(wù)性，綜合利用系統(tǒng)射頻孔徑、射頻前端、信號與信息處理、顯示等功能模塊，實現(xiàn)探測、通信、干擾、導(dǎo)航、敵我識別等多功能一體化。

圖20 雷達多工作模式示意圖[166]Fig.20 Schematic diagram of multifunctional radar[166]

5.4 分布式全息雷達系統(tǒng)

隨著單部雷達越來越突出的性能瓶頸及應(yīng)對未來新型威脅時的困境，如圖21所示雷達探測體制正在從當(dāng)前的單一雷達探測轉(zhuǎn)向分布式多雷達協(xié)同探測。與單基地雷達相比，分布式多雷達可從時間、空間、頻率和極化等多個維度收集目標散射信息，具備擴展雷達系統(tǒng)功能和性能的潛力。

圖21 分布式全息雷達協(xié)同探測Fig.21 Schematic diagram of distributed holographic staring radar

分布式全息雷達潛在優(yōu)勢包括：(1)“馬賽克”化提高戰(zhàn)場生存能力和可靠性；(2)空間分集、數(shù)據(jù)聯(lián)合處理，提高抗干擾性能；(3)多視角探測，提高隱身及弱小目標檢測和識別性能；(4)分布式聯(lián)合處理，增大陣列孔徑，提高目標位置估計精度和分辨力。且隨著無人機、水下航行器等處于運動平臺的傳感器日益增多，將分布式全息雷達布置于各運動平臺，可進一步提升系統(tǒng)靈活性，實現(xiàn)各類不同目標的高精度探測。

6 結(jié)語

全息凝視雷達能夠?qū)δ繕颂綔y區(qū)域進行連續(xù)時空覆蓋，盡可能多地利用雷達發(fā)射信號功率獲取目標多維完整信息。然而寬波束發(fā)射并依靠長時間積累的技術(shù)體制使其面臨發(fā)射增益低、計算量大等問題。當(dāng)前，模擬/數(shù)字收發(fā)通道、高性能信號處理等硬件技術(shù)以及先進信號處理算法的發(fā)展一定程度上克服全息凝視雷達系統(tǒng)難點，全息凝視雷達頻段不斷擴展，系統(tǒng)規(guī)模不斷增大，其同時多功能、抗截獲、高多普勒分辨率等優(yōu)勢得以充分發(fā)揮，于是在空中/地面/海面監(jiān)視、“低慢小”目標探測、集群目標探測、低截獲概率探測等多方面取得廣泛應(yīng)用。未來，智能化、網(wǎng)絡(luò)化和多功能/任務(wù)一體化技術(shù)的發(fā)展進一步拓展“全息”概念，空、時、頻、能量、極化、編碼等多維資源的綜合全面利用將提高全息凝視雷達系統(tǒng)適應(yīng)性，改善全息凝視雷達探測性能。