寬帶DBF SAR/MTI雷達典型工作模式設計?

鄔伯才,施晉生,孫 龍,江 凱

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

0 引言

現代和未來戰爭都十分強調信息控制權,誰能獲取與支配信息并奪取信息優勢,誰就能掌握戰爭主動權。這就要求偵察裝備具備很強的立體戰場態勢感知能力,需要對戰場信息進行全面、持續的獲取,使得判斷決策更準確、更符合戰場實際,判斷決策過程的時間更短,作戰反應更迅速、更敏捷。數字陣列體制的SAR/MTI雷達采用了收發數字波束形成(DBF)技術,利用數字化、軟件化處理取代硬件實現,可以獲得優良的波束性能。

基于DBF技術的SAR/GMTI雷達具備同時多功能的能力[1-5],可在同一時間完成多種功能,或同一時間分割地交替完成不同系統完成的功能,可根據環境人工或自適應轉換實現高分辨率寬測繪帶(HRWS)條帶成像、聚束、掃描、MTI、干涉、目標跟蹤等多種模式或同時實現多種模式(混合模式),一次飛行可相當于常規體制雷達多次飛行的任務量,大大提高了情報收集效率。基于DBF技術的SAR/GMTI雷達可以通過多波束同時掃描,降低掃描周期,提高了數據率,實現快速廣域GMTI掃描、多目標跟蹤和同時掃描/跟蹤,降低對時敏目標的發現探測及跟蹤時間。

隨著DBF技術的發展,基于數字波束形成的先進SAR干擾抑制手段,越來越得到廣泛的應用,雷達可根據干擾源位置,在載機成像過程中,自適應合成接收波束方向圖,使主波束對準成像區域,同時在干擾方向形成零陷,可對干擾進行有效抑制。此外,DBF SAR還提供在掃描間變化發射波形的能力,從而具有低截獲概率的能力,大大地提升了系統抗干擾能力和戰場生存能力。

與傳統的雷達相比,它具有如下優點:(1)大的動態范圍;(2)容易實現多波束;(3)寬帶寬角掃描情況下,容易解決孔徑渡越問題;(4)低損耗、低副瓣;(5)低角測高精度高;(6)系統任務可靠性高;(7)擴展性好;(8)具備自適應抗干擾能力。

DBF SAR/MTI雷達系統作為一種新型的多功能雷達系統,主要面向戰場偵察需求,力求快速、高效、完成廣域監視、熱點高精度偵察和動目標指示等任務,采用DBF技術后,雷達系統工作能力將顯著提升。DBF SAR/MTI雷達系統除了具有傳統數字陣列雷達的優點之外,還具有許多常規SAR/MTI系統所不具備的優勢。本文首先介紹了寬帶數字陣列SAR/MTI雷達的發展趨勢及發展現狀,然后結合典型工作模式設計分析了寬帶數字陣列SAR/MTI雷達的系統提升。

1 發展現狀及趨勢

相對于DBF技術在地基和空基目標探測雷達系統中的應用,DBF技術運用于SAR系統研究晚一些。1989年日本三菱電氣公司的Takahiko等人就提出了將DBF天線用于側視SAR的設想[6],計算機仿真結果表明該項技術可以在不增加PRF的情況下提升SAR的方位分辨率。

1999年,德國卡爾斯魯厄大學的Younis和Wiesbeck提出了機載接收DBF SAR概念[3],系統由一個發射天線和多個接收天線構成,采取收發分置體制,具有高分辨、寬觀測帶、低成本和高可靠性等優點,與相控陣系統相比具有發射效率高、成本低、重量輕的優點。2000年他們又提出將接收DBF技術用于前視SAR[7]。

2001年,Wiesbeck提出了軟件化雷達傳感器(SDRS)的概念[8-10],它實際上是機載接收DBF SAR概念的延伸和拓展。它除了可以實現SAR功能外,通過軟件模塊的改變,還可以輕松實現通信、干擾和輻射計等功能,具有軟件可重構、多任務的優點,因而被認為代表了未來第三代SAR系統。

2003年,德國DLR的Krieger和Moreira探討了DBF技術在雙/多基地SAR方面的應用潛力[11],指出運用DBF技術優勢:(1)可有效利用大照射區的信號能量;(2)可拼接鄰接場景實現寬幅成像;(3)可同時高分辨寬測繪帶成像;(4)用于星載多基SAR可使各接收衛星天線尺寸縮小。

2006年,德國DLR的Krieger等人結合現有的T/R組件技術,將多維波形編碼技術和DBF技術相結合,提出了收發DBF SAR概念[12],這實際可看成DBF MIMO SAR概念的雛型,到現在為止,他們主要對多維波形編碼技術進行了重點研究[3-4,13-15]。

2007年,德國卡爾斯魯厄大學的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中的應用,在以后發表的文獻中重點對空時編碼技術進行了研究[17-18]。

2008年,德國FGAN-FHR的Klare將DBF MIMO SAR技術應用于UAV ARTINO進行真三維下視成像[19],重點討論了引入收發DBF技術對系統性能的改善情況。

2012年,德國DLR的Krieger對DBF MIMO SAR技術的新概念進行了探討[20-26],給出了DBF MIMO SAR實現寬觀測帶成像的工作原理。

以上主要從理論技術角度,總結了DBF-SAR的主要發展歷程,可以用圖1進行形象的概括。實際上,國外除了進行理論技術研究之外,在不同階段還分別搭建了仿真系統、地面驗證系統和機載系統分別進行了理論技術演示驗證試驗。下面對具有代表性的幾個系統作一簡要介紹。

德國卡爾斯魯厄大學分別設計了DBF SAR實驗室原理驗證系統和機載試驗驗證系統[20-25],如圖2所示。其中原理驗證系統為一X波段(9.65 GHz)DBF SAR系統,用于驗證高分辨寬觀測帶SAR(HRWS SAR)中的方位向DBF成像技術;機載試驗驗證系統借用德國DLR的直升機,驗證用一個X波段天線發射56個通道接收DBF的前視SAR成像技術。

美國NASA研制的DBF SAR(DBSAR)工作在L波段,采用了可重構的數字相控陣列技術以及高速數據獲取和處理技術,可在單個雷達平臺上實現多種功能。DBSAR在2008年進行了首次飛行試驗,飛行試驗主要測試系統多模式能力,以及在森林、海洋、農業、陸地、海岸沼澤等應用潛力,實驗結果表明,該雷達系統性能優越。圖3為DBSAR同時獲取左右兩側SAR圖像示意圖。

EcoSAR是一種先進的機載極化干涉測量P波段全數字體制的SAR裝備(見圖4),由NASA/Goddard美國航天飛行中心NASA的裝置孵化計劃(IIP)研發而成。EcoSAR將為地球生態系統和生物統計提供前所未有的二維及三維精密標度測量。

美國國防預先研究計劃局(DARPA)的“綜合傳感器即是結構”(Integrated Sensor is Structure,ISIS)項目目的是用一隊運行于同溫層的飛艇替代幾種空中監視平臺,包括波音E-3機載預警與控制系統(AWACS)和E-8C聯合監視目標攻擊雷達系統(JSTARS)。與艇體表面集成的超大孔徑、超高頻(UHF)/X波段AESA雷達是ISIS飛艇的核心組成部分,如圖5所示。該雷達是一部動態軟件定義雷達,采用了DBF技術。驗證系統的X波段雷達能完成多項同時功能。當沒有更高的優先級時,X波段雷達專用于廣域GMTI搜索。

圖3 DBSAR同時獲取左右兩側SAR圖像

圖4 EcoSAR工作示意圖

圖5 驗證系統的飛艇、天線彈丸和電子設備吊艙

除了日、德、美等國進行了開拓性的研究外,法國、荷蘭以及印度等國的專家學者也分別對這項技術進行了跟蹤研究。縱觀DBF SAR理論技術發展歷程,可以看出它經歷了從接收DBF、收發DBF到DBF MIMO的演變過程,即數字化、軟件化技術與收發分置體制以及分布式系統結構逐步融合的過程。數字技術在雷達中的應用,使雷達獲得了空前的發展。

2 典型工作模式設計

SAR/MTI雷達常規工作模式包括廣域GMTI、同時 SAR/GMTI、條帶 SAR、聚束 SAR、SAR/ISAR等多種工作模式對地進行偵察和監視。DBF體制SAR/MTI雷達通過優化雷達波束、波形等空時參數,可發掘雷達體制優勢,最大限度地發揮寬帶數字陣列SAR/MTI系統的潛力,實現高分辨率寬觀測帶SAR成像、快速廣域GMTI掃描、多目標跟蹤和同時掃描/跟蹤、時敏目標檢測、地面動目標精確定位和成像、同時多模式等功能。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 高分辨率寬觀測帶成像

傳統的機載SAR中方位分辨率和距離模糊、地面測繪帶寬存在矛盾,二者不能同時提高。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頻率(PRF);另一方面無距離模糊的寬觀測帶則要求低的PRF。

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

2.1.2 遠距離高分辨率成像(0.3 m分辨率,250 km作用距離)

現在偵察監視的能力需要最大探測距離達到250 km。此外,為了支持自動目標分類,分辨率必須優于30 cm;最好達到10 cm。這些要求針對脈沖重復頻率(PRF)上提出了明顯相互沖突的需求:遠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DBF原理(脈內波形切換)

圖7 方位向收發DBF用于HRWS成像示意圖

這里,v指平臺速度,Δx指方位分辨率,c指光速,Rmax指最大探測距離。

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

采用數字雷達技術,可以將陣列分成若干個子孔徑時,在PRF上的矛盾需求問題便可得到解決。當子孔徑的數量為n時,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大帶寬合成技術是一種同時獲得寬測繪帶和距離、方位二維高分辨率的多收發孔徑技術:多個子天線沿方位向排列實現方位向多波束,多個子天線分別發射頻帶相接的調頻子脈沖信號,接收后在距離向作頻譜合成處理,實現距離向的高分辨率。

該技術獲得寬測繪帶和方位高分辨率的原理與單發多收孔徑技術相同,但為了能夠同時獲得距離向高分辨率,要求各個子天線同時發射不同的子帶脈沖信號,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發射脈內調頻串實現的。采用圖8結構工作,在每個PRT內,各個發射機同時發射調頻子脈沖信號,目標反射后,各個接收機接收目標回波信號,每個接收機接收回波中將包含所有子脈沖回波信號,合成寬帶信號并沿方位向排列為等效單波束系統的方位向回波。

圖8 頻分MIMO SAR工作原理圖

2.1.4 同時左右視TOP SAR模式

由于全數字陣列DBF具有強大的波束形成能力,可以通過同時形成左右視的波束,對兩個區域分別進行觀測,另外,可以采用TOPS模式對每一側的兩個波位分別進行觀測,可以在不增加占空比的情況下,通過降低方位分辨率,有效地擴大測繪帶寬。同時,通過對波束的控制,可以使兩個波束互不干擾,分別完成測繪任務。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

利用傳統的相控陣系統,通過從在關注區域內跳躍式聚束掃描,可以對幾處關注區域實現高分辨率的成像。一般地,這種典型的工作模式需要PRF是單次聚束成像時所需PRF的n倍,n為關注區域數量。數字雷達可形成同時波束的能力推動了更有效的聚束SAR模式的發展。在不增大PRF的條件下,若干個關注區能同時成像。通過定位大量相鄰的關注區域,可以在高分辨率下構制條帶狀的SAR成像。因此,將來數字雷達將會減少條帶SAR和聚束SAR模式之間的區別。

另外結合頻分MIMO SAR大帶寬合成技術,在距離向發射分頻子帶信號以獲得高距離分辨率,方位向進行空時編碼實現多發多收及高的信噪比,通過聚束或滑動聚束工作模式獲得高方位分辨率,先對獲得信號進行距離向DBF以消除距離模糊,然后進行方位空時解碼,之后對信號進行帶寬合成,最后對方位向進行聚束SAR成像處理后,即可獲得重點觀測區域的高分辨高信噪比的SAR圖像。

2.1.6 三維成像模式

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

由于DBF SAR系統具有更多的等效相位數量,且可獲得較長的等效相位孔徑長度,將大幅提高三維成像的性能,下面以下視三維成像為例進行分析。圖10為下視DBF SAR系統下視三維成像幾何關系及成像仿真結果,其中雷達平臺沿x軸勻速飛行,定義x軸方向為沿航跡向,y軸方向為跨航跡向,線陣天線平行于y軸方向安置,z軸方向為高程向。其中跨航跡向的分辨能力主要由DBF SAR陣列的等效相位分布和孔徑長度確定;沿航跡向上則通過雷達平臺本身的相對運動來實現合成孔徑,進而實現沿航跡上的高分辨率成像;在高程上,則與傳統雷達的斜距向類似,主要通過寬帶信號實現。

圖10 下視三維成像示意圖及成像仿真結果

2.2 高性能動目標檢測模式

2.2.1 提升SAR/MTI性能指標

利用同時方位向收/發DBF SAR技術可成倍地緩解常規SAR/MTI的最小可檢測速度和盲速的矛盾,提升SAR/MTI的性能(如圖11所示)。其基本原理是采用可區分信號的同時收/發,得到遠多于陣元數目的觀測通道。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到與傳統SAR/MTI相同的盲速范圍的條件下,將最小可檢測速度降低為原來的N分之一;或者可以在保證一定的最小可檢測速度的條件下,將盲速范圍提高N倍,其中N為發射可區分信號的數目。

2.2.2 快速廣域MTI掃描

數字雷達概念能夠在每次掃描中都可以同時形成不同的子孔徑結構。而且,即使在子孔徑形成以后,仍能生成用于每個子孔徑且方向不同的同時波束,如圖12(b)所示。因此,并不需要一個掃描波束覆蓋大面積區域。這極大地改進了MTI操作時的重訪時間和目標照射時間。在極特殊情況下,可形成專門波束用于跟蹤目標。傳統相控陣中,每個子孔徑只能形成單個波束,如圖12(a)所示。為了覆蓋大面積區域,波束必需掃描整個區域,因此該區域內的不同扇區只能有一小段時間能被照射到。

圖11 收發DBF用于SAR/MTI示意圖

圖12 改進了MTI操作時的重訪時間和目標照射時間

2.2.3 多目標跟蹤和同時掃描/跟蹤

基于DBF技術的SAR/MTI雷達能夠形成多波束,同時跟蹤多個目標。而且還可以讓一部分波束執行掃描,另一部分波束執行對特定目標的跟蹤,實現邊掃描邊跟蹤,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了SAR系統PRF設計的壓力。對于MTI模式而言,其PRF設計壓力更大。由于單通道MTI模式的動目標檢測性能差、定位精度低,一般采用多通道體制實現MTI,以更高的自由度獲取更好的動目標檢測性能與定位精度。而多通道子孔徑接收的方式使得地雜波多普勒帶寬更大,系統的PRF要求更高。

以形成三發三收波束為例來分析數字陣列SAR/MTI雷達。天線孔徑長度為D,子孔徑間距為d。圖13給出了SAR/M TI相位中心示意圖。三個子陣A1、A2和A3對應的發射相位中心分別為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個收發共用的MIMO系統等效為N個1發N收的MISO系統,每個MISO系統對應一個MTI通道。若用該體制實現多通道M TI,則可以用傳統單通道系統的PRF實現傳統多通道MTI系統的動目標檢測與定位效果。

對于收發共用陣列的N發N收系統的一個PRT內各方位位置處的回波信號可以用矩陣表示如下:

這里,S ij表示第i個子陣發射,第j個子陣接收的信號,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空間采樣點,矩陣的列數即是SAR模式在一個PRT內等效的空間采樣點數。在MTI模式下,矩陣的每一行可以空時等效重構為一個MTI通道,而行數就是等效的MTI的通道數。如此便可解決MTI模式的PRF設計的矛盾,同時可獲取高的動目標檢測性能和定位精度[2]。

圖13 動目標檢測模式相位中心

2.3 實現同時多模式、多任務

現代軍事作戰需要能同時工作的地面監視、目標跟蹤和目標分類等模式。數字雷達可在同一時間完成多種功能,或同一時間分割地交替完成不同系統完成的功能,可同時實現HRWS條帶、聚束、掃描、MTI、干涉、目標跟蹤等多種模式,如圖14所示。

圖14 數字陣列SAR/MTI雷達同時多模式示意圖

同時多模式是DBF SAR/MTI系統的潛力,系統在滿足靈活捷變和自適應能力的條件下,設計適合多維空時耦合波形編碼的信號形式和多維空時編碼的方法。采用發射脈沖多維編碼技術進行發射空間分集,結合接收上的多孔徑數字波束形成技術實現同時多模式、多任務。圖15給出了SAR/MTI雷達與通信一體化的示意圖。

圖15 數字陣列SAR/MTI雷達與通信一體化設計示意圖

3 結束語

寬帶DBF SAR/MTI系統具有許多常規SAR/MTI系統所不具備的優勢。但受寬帶數字陣列天線工程設計、寬帶數據傳輸與處理能力、多維波形編碼技術等因素限制,工程實現上具有較大的技術難度。隨著數字陣列SAR/MTI系統概念與信號處理算法研究的不斷深入,特別是在融合MIMO雷達理論后,數字陣列合成孔徑雷達的基本原理與信號處理方法日漸完備,必須發展數字陣列SAR/MTI雷達工程化技術研究,才能從根本上推動此項技術研究與實用性進程。

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