雙/多基地雷達發展及關鍵技術

李學勇

(中國電子科技集團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、反輻射導彈性能的提高、電子干擾的加劇以及飛機低空突防能力的提高，給常規雷達的生存及作戰能力提出了嚴峻的考驗，而雙/多基地雷達因為其收、發分置，接收站無源工作，固有地具備了對抗上述“四大威脅”的能力［1］。所以，雙/多基地體制雷達備受美國、法國、俄羅斯等軍事強國的關注和青睞。

1 國外發展現狀［2-5］

近年來雙/多基地雷達呈現蓬勃發展的態勢，在防空預警、反導、空間目標監視等領域都有不同程度的應用。

美國Lockheed Martin 公司的“沉默哨兵”是典型雙多基地體制雷達。經過多年的發展，最新的“沉默哨兵III”體現出分布式、多源協同探測的特點，其精度水平大幅提升，實現了全向覆蓋和三維探測;利用的輻射源由原來的調頻廣播，擴展到模擬和數字電視;最大探測距離150 n mile，能夠同時跟蹤100 批以上空中、地面和水面目標，水平幾何定位精度達到250 m，測高精度1000 m，速度精度2 m/s，利用高清電視信號可以獲得更高的定位精度。圖1為“沉默哨兵III”系統及顯示畫面。

同時，法國THALES 公司的“Homeland Alerter 100”(“HA100”）系統有著與“沉默哨兵III”相似的發展思路?！癏A100”系統已經在芬蘭、挪威等國進行了演習試驗，其探測范圍100 km，同時多源工作。圖2為“HA100”系統。

圖1 “沉默哨兵III”系統及顯示畫面

圖2 THALES的“HA100”系統

1990年，法國航天研究所(ONERA）開始研究專門用于空間監視的超遠程雷達“GRAVES”。“GRAVES”雷達系統工作在VHF 頻段(143 MHz），采用雙基地結構，發射和接收相距380 km。發射采用相控陣技術，接收采用數字波束形成(DBF）技術。該系統發射陣列由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個接收天線陣元組成，每一個天線陣元和一個單獨的數字化接收機相連。通過數字波束形成技術形成窄波束，能夠對發射波束內的衛星進行精確定位，每路接收單元的回波信號經數字化后送入信號處理。

2004年底“GRAVES”雷達進行了觀測試驗，共探測到了2300 多個不同目標，實現了對1000 km 高度1 m2大小物體的探測。圖3為“GRAVES”空間目標監視系統。

美國在進行反導系統建設時，發現雷達的孔徑對于遠程導彈防御系統至關重要，而現有的GBR-P 系統和SBX 系統都采用了大孔徑的系統設計模式，系統成本昂貴，難以實現機動靈活部署，基于此美國提出下一代遠程導彈防御系統的概念。該雷達基于MIMO 理論，通過利用多個分布式小孔徑雷達系統，實現大孔徑系統的性能，具有成本低、系統部署方式靈活等優點，其實這就是一種新型的雙多基地雷達系統。

2004年在美國空軍實驗室(AFRL）的Ipswich Antenna Range Facility 試驗場完成了MIMO(多入多出）分布式孔徑雷達系統初步試驗，2005年在美國White Sands Missile Range(WSMR）試驗場進行了試驗，驗證了系統的功能。通過試驗證明，在MIMO 模式下，利用2個分布式孔徑，實現了接近6 dB的得益;在相參模式下，利用2個分布式孔徑，實現了接近9 dB的得益。

此外，據報道，法國THALES 公司也在開展類似技術的研究，其M3R 系統就設置有分布式孔徑雷達的工作方式。

除了上述發展外，應用于空中交通管制、測速及規避雷達、大氣研究、海浪測量、資源勘查、地層探測等民用領域的雙多基地雷達也取得較快發展。

2 雙/多基地雷達的典型分類

雙多基地雷達按照輻射源的特性可以分為兩類，即合作式和非合作式。

合作式雙基地雷達的發射站產生雷達脈沖信號，通過高功率放大器和天線發送脈沖信號，同時通過直接路徑發送參考信號、復制脈沖和其他輔助數據到接收站，建立收發站時間、相位以及空間同步，由控制計算機產生控制時序，接收站形成同時多波束或寬波束接收目標散射信號。合作式雙/多基雷達的原理框圖如圖4所示。

非合作式雙/多基地雷達的輻射源是不受接收站控制的。接收站接收直接路徑信號與散射路徑信號，通過測量直接路徑信號與散射路徑信號的多普勒頻移差異，估算出目標雙基地多普勒頻移值，雙基地直接路徑信號經時間延遲與散射路徑信號時域對齊后進行相關檢測，通過積累器提高信號信噪比后再進行檢測。非合作式雙基地雷達原理框圖見圖5。

圖3 法國“GRAVES”空間目標監視系統

圖4 合作式雙基地雷達原理框圖

圖5 非合作式雙基地雷達原理框圖

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

3 雙/多基地雷達關鍵技術

3.1 時間、相位、空間同步技術

無論雙多基地雷達技術如何發展，分散部署的發射站和接收站必須協調一致才能夠探測目標，因此必須實現時間、相位、空間三大同步。對于合作式雙多基地雷達，基于微波/光纖鏈路或者GPS 授時的時間、相位同步技術已經成熟，時間同步精度優于10 ns，相位同步精度優于5°;空間同步多采用寬發窄收、脈沖追趕的方法實現。對于非合作式雙多基地雷達，接收站采用輔助天線接收發射站直達波信號來實現時間、相位同步，同步精度受直達波信號質量影響較大。

隨著多平臺雙多基地雷達的發展，特別是天地、空地、艦艦、空空等基于運動平臺的大基線雙多基地雷達的發展，時間、相位、空間三大同步技術還需要繼續攻關。

3.2 多源信息融合技術

目前，從國內以及國外技術發展趨勢來看，利用多種外輻射源信號的雙多基地雷達正處于蓬勃發展時期，利用調頻廣播、數字電視等輻射源的試驗系統屢見報道，不同的頻段、信號帶寬給目標三維精確測量帶來可能，多源信息融合技術成為關鍵。這主要有以下3個方面的因素。

(1）多源雙基地雷達系統相當于一個多發多收系統，此時不同的外輻射源來自不同位置，針對同一目標不同的發射站和接收站獲得的距離方位的相對坐標系都不相同，并且雙基地夾角也不相同。因此，同一目標在不同雙基地子系統中的距離、方位和多普勒沒有確定性的線性關系，如何匹配難度較大。

(2）多發射站多接收站的復雜網絡結構也使得系統的探測精度受到布站方式的影響，如何在指定區域獲得最佳探測精度是一個必須要解決的問題。

(3）多源子雙基地系統探測盲區的出現使得解決多源信息融合更加困難。

3.3 抗干擾技術

通常來說，雙基地雷達接收站具備體制上的抗干擾優勢。但是，對于非合作式雙多基地雷達系統而言，比如利用調頻廣播、數字電視、GPS信息、移動通信信號的外輻射源系統，由于這些信號源是廣泛部署分布的，存在全頻段、全方位的特點，與正?；夭ㄐ盘栂啾?，接收通道接收到的信號中的多徑信號和直達波信號幅度要強很多，因此為實現雷達正常工作，濾除直達波信號和多徑信號是必須完成的工作。為完成這一工作，通常采用射頻對消和中頻對消的方法。在進行射頻對消或中頻對消時，均需要在正常接收通道的基礎上增加一路或幾路參考通道，采用自適應信號處理技術對直達波或多徑信號進行抑制，確保雷達系統正常工作。

3.4 長時間相參積累技術［6-8］

長時間相參積累技術一直是雷達領域的關鍵技術。雷達專家總是希望系統利用最小功率孔徑資源實現最遠距離的探測。隨著隱身目標威脅的加劇，長時間相參積累技術將更為關鍵。雷達散射截面積的縮減是否可以依靠時間積累來補償是雷達專家的重點研究問題，因為雷達功率孔徑資源增加10～20 dB，將帶來難以承受的裝備成本增加以及機動性變差的現實問題。

但是，增加積累時間需要考慮以下兩個問題:一是目標穿越一個距離單元的時間限制，若積累時間過長，運動目標有可能在積累時間內穿越了多個距離單元;二是運動目標的多普勒頻率積累時間內發生了變化。即使對沿直線平穩飛行的目標，在長時間內由于不同時刻其航向相對于雷達視線夾角的不同，也會導致目標回波的多普勒頻率改變，造成運動目標回波的多普勒頻移在積累時間內不在一個多普勒通道內。針對這些情況，需要采取一定的措施和適當的算法來進行處理，避免降低積累的得益。目前，針對長時間相參積累技術開展的研究工作主要集中

針對目標跨距離單元情況，一般采用包絡走動補償方法，目前采用的主要有Keystone 變換、包絡插值移位算法、時分包絡移動補償算法和距離門拉伸等。

針對目標跨多普勒通道情況，一般采用多普勒走動補償技術，目前采用的主要有Wigner-Hough 變換、模糊函數理論、分數階Fourier 變換和自適應子波變換等。

3.5 多正交波形設計與接收技術［9-10］

如前所述，分布式陣列相參合成雷達也可以納入雙多基地雷達范疇，工作于MIMO方式。為獲取雷達的相干參數提取，雷達需要發射正交波形，以便對多個單元雷達回波分別進行匹配處理，提取相干參數。雷達發射的正交波形應該具有類噪聲與大時帶寬特性，通常選擇的波形有正交LFM波形、步進頻分線性調頻、多相編碼信號等。對于有N個單元雷達組成的分布式陣列相參雷達，每個單元雷達都需要接收。此外，多正交波形的接收也是設計難題，主要包括多個單元雷達回波信號進行分選、系統接收時序控制、雷達接收機設計等。

3.6 單元延時及相位估計技術

圖6 分布式雷達工作流程示意

分布式雷達(工作流程見圖6）為實現多雷達單元的相干合成，雷達單元間的時延與相位估計非常關鍵，目前具有如下幾種相干參數估計方法，如峰值選取法、一維交叉相關處理法、一維全極點模型法、多脈沖積累交叉相關法和多脈沖積累全極點模型法等。實現單元延時及相位估計的基礎是提高相位精度和高精度測量單元雷達間距離，從而精確標定雷達相位中心和解算時延與相位。

4 雙/多基地雷達的發展趨勢

4.1 多平臺［11-12］

隨著軍事科技的發展，多平臺雙多基地雷達是主要發展趨勢。為應對隱身飛機、巡航導彈以及未來空天飛行器的威脅，天、空、地一體的空天防御體系將是必然的發展趨勢，平臺的擴展給予雙多基地雷達更大的發展舞臺。目前，國內多家單位正在論證天基、空基、艦載、地空等雙多基地雷達?？梢韵胂?，隨著有關雙多基地雷達一系列關鍵技術的發展，天空地多平臺一體化的雙多基地雷達網絡必將形成，這將大大增強我國空天防御體系的作戰能力。

4.2 多源化［13］

縱覽國內外雙多基地雷達的發展狀況，基于調頻廣播、數字電視、移動通信、衛星信號的非合作式多種外輻射源雙多基地雷達試驗系統層出不窮，這將是未來一段時間內的研究熱點，主要是因為非合作外輻射源雷達有以下幾個優點:

(1）借用民用輻射源，隱蔽性強，分布廣，戰場生存能力強;

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

(3）基于外輻射源的雙多基地雷達通常僅需研制接收站，裝備成本低。

4.3 MIMO

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

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