MIMO雙基地雷達(dá)及其應(yīng)用展望

高 節(jié) 宋蘇杭

（中國(guó)兵器裝備集團(tuán)成都火控技術(shù)中心，四川 成都 611731）

MIMO雙基地雷達(dá)及其應(yīng)用展望

高 節(jié) 宋蘇杭

（中國(guó)兵器裝備集團(tuán)成都火控技術(shù)中心，四川 成都 611731）

MIMO雙基地雷達(dá)是近年來(lái)提出的新概念，對(duì)其理論和技術(shù)的研究已成為雷達(dá)領(lǐng)域的熱點(diǎn)課題之一。由于結(jié)合了MIMO技術(shù)和雙基地雷達(dá)的特點(diǎn)，MIMO雙基地雷達(dá)具有反偵察、抗干擾、反隱身、對(duì)抗反輻射導(dǎo)彈的潛在優(yōu)勢(shì)，在未來(lái)雷達(dá)中具有廣闊的應(yīng)用前景。文章介紹了MIMO雙基地雷達(dá)的基本原理和優(yōu)勢(shì)，并結(jié)合軍事需求與雷達(dá)自身特點(diǎn)對(duì)其應(yīng)用前景做了展望。

MIMO雷達(dá)；雙基地雷達(dá)；應(yīng)用展望

1 引言

現(xiàn)代極端復(fù)雜的電磁環(huán)境以及各類新型武器的現(xiàn)實(shí)威脅，對(duì)雷達(dá)系統(tǒng)性能提出了更高要求：雷達(dá)應(yīng)具有遠(yuǎn)距離探測(cè)弱目標(biāo)的能力，特別是探測(cè)隱身目標(biāo)的能力；雷達(dá)應(yīng)能實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的分辨和識(shí)別，并能進(jìn)行殺傷力評(píng)估；雷達(dá)應(yīng)具有很強(qiáng)的抗截獲能力，以提高在復(fù)雜工作環(huán)境中的生存能力；雷達(dá)應(yīng)具有大的威力范圍，具有同時(shí)搜索和跟蹤多目標(biāo)的能力，能進(jìn)行數(shù)據(jù)融合、航跡計(jì)算和威脅評(píng)估等。因此，現(xiàn)代雷達(dá)必須尋求新的理論和技術(shù)途徑以提高探測(cè)性能。

將多輸入多輸出(MIMO)技術(shù)應(yīng)用于雷達(dá)系統(tǒng)能很好地解決上述問題。利用MIMO雷達(dá)技術(shù)，可明顯地提高雷達(dá)對(duì)目標(biāo)的檢測(cè)能力，并可改善對(duì)目標(biāo)參數(shù)的估計(jì)精度。由于空間分集概念的引入，MIMO雷達(dá)還可提高對(duì)多目標(biāo)的分辨能力，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的識(shí)別。由于信號(hào)間的相互獨(dú)立性，MIMO雷達(dá)具有主瓣低截獲概率特性，因而具有較強(qiáng)抗截獲和反輻射能力，能夠有效地解決目前雷達(dá)在復(fù)雜戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中的生存問題。

同時(shí)，體系對(duì)抗成為未來(lái)防空作戰(zhàn)的主要模式，將廣域分布的防空雷達(dá)設(shè)備聯(lián)結(jié)起來(lái)，構(gòu)成分布式網(wǎng)絡(luò)化的防空雷達(dá)系統(tǒng)，是目前防空反導(dǎo)體系的主要發(fā)展方向，也是信息化條件下防空作戰(zhàn)的基本要求。基于數(shù)據(jù)或信號(hào)層面的信息融合則是構(gòu)建上述體系的關(guān)鍵技術(shù)。結(jié)合MIMO雷達(dá)和雙基地雷達(dá)的優(yōu)點(diǎn)，MIMO雙基地雷達(dá)體制有效解決了復(fù)雜的空間同步問題，為信號(hào)層面的融合提供了新的途徑，為構(gòu)成多發(fā)多收分布式的防空反導(dǎo)體系奠定了基礎(chǔ)，尤其在使用正交的探測(cè)波形后，MIMO雙基地雷達(dá)的射頻隱身能力得到了很大改善，而當(dāng)多個(gè)發(fā)射陣列同時(shí)存在并且交替或同時(shí)使用時(shí)，雷達(dá)系統(tǒng)的隱身能力將進(jìn)一步提升。

2 MIMO雙基地雷達(dá)簡(jiǎn)介

多入多出(Multiple—Input Multiple—Output，MIMO)雷達(dá)最近幾年已經(jīng)成為研究的熱點(diǎn)，和傳統(tǒng)的相控陣?yán)走_(dá)希望最大化相干處理增益不同，MIMO雷達(dá)利用目標(biāo)散射分集來(lái)提高檢測(cè)性能，其關(guān)鍵點(diǎn)是雷達(dá)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)空間分集。MIMO系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在于其不同的發(fā)射機(jī)和接收機(jī)分別組成一組探測(cè)接收信道，單個(gè)信道的能量很小，而平均接收能量近似于恒定，這就解決了傳統(tǒng)雷達(dá)存在目標(biāo)RCS起伏的問題，空間分集增益超過相干處理增益，從而改善檢測(cè)性能。

MIMO雙基地雷達(dá)是指在雙基地雷達(dá)中使用MIMO技術(shù)的一種新體制雷達(dá)。與有些文獻(xiàn)中使用“雙基地MIMO雷達(dá)”一詞的含義略有不同。MIMO雙基地雷達(dá)是立足雙基地體制研究如何應(yīng)用 MIMO技術(shù)特點(diǎn)來(lái)解決自身問題，而雙基地MIMO雷達(dá)立足 MIMO體制研究如何將單基地?cái)U(kuò)展為雙基地，兩者的出發(fā)點(diǎn)略有不同。本文MIMO雙基地雷達(dá)一詞特指發(fā)射站與接收站相距較遠(yuǎn)距離，目標(biāo)散射具有雙基地特征，發(fā)射站和接收站均采用陣列天線且發(fā)射陣元間距和接收陣元間距均較近，各陣元發(fā)射正交集信號(hào)，接收站可以進(jìn)行測(cè)向的一類雷達(dá)。這種新體制雷達(dá)結(jié)合了MIMO多信號(hào)通道和雙基地雷達(dá)空間分置的特點(diǎn)，不僅具有MIMO雷達(dá)和雙基地雷達(dá)的固有優(yōu)勢(shì)，同時(shí)帶來(lái)了傳統(tǒng)雙基地雷達(dá)所沒有的一些新的特性。

圖1　MIMO雙基地雷達(dá)基本布局示意圖

MIMO雙基地雷達(dá)基本布局如圖1所示，收發(fā)陣列在空域上分開配置，以便擴(kuò)大對(duì)目標(biāo)觀察的雙基地角。各單元發(fā)射的波形之間彼此正交，因此在空間不會(huì)同相疊加形成高增益的窄波束，系統(tǒng)發(fā)射的能量均勻覆蓋幾乎所有的雷達(dá)責(zé)任空間。

圖2　典型MIMO雙基地雷達(dá)系統(tǒng)組成框圖

典型MIMO雙基地雷達(dá)系統(tǒng)的構(gòu)架如圖2所示。圖中上半部分大方框內(nèi)所包含的設(shè)備構(gòu)成 T/R模式的單基地雷達(dá)系統(tǒng)，稱為系統(tǒng)的 T/R主站；下半部分虛線框內(nèi)的設(shè)備則構(gòu)成單純的接收陣列，稱為系統(tǒng)的R副站；兩個(gè)陣列之間的控制信息、脈沖信號(hào)和頻率基準(zhǔn)信號(hào)通過光纖完成連接。

T/R主站由T/R射頻收發(fā)組件、主頻綜、信號(hào)采集設(shè)備、光電接口和路由設(shè)備組成。系統(tǒng)能夠根據(jù)主控計(jì)算機(jī)設(shè)置的參數(shù)，完成信號(hào)產(chǎn)生、放大、發(fā)射至接收變頻、信號(hào)處理及數(shù)據(jù)錄取等。

R副站由副頻綜、接收組件、信號(hào)采集設(shè)備、副站計(jì)算機(jī)以及光電接口、路由設(shè)備組成，構(gòu)成MIMO雙基地雷達(dá)的純接收陣列，并通過光纖傳輸信息保證和主站在時(shí)間、頻率、狀態(tài)方面工作的同步與協(xié)調(diào)。

3 MIMO雙基地雷達(dá)優(yōu)勢(shì)

MIMO雙基地雷達(dá)是分布式網(wǎng)絡(luò)化防空體系基本的構(gòu)成單元。它以數(shù)字陣列以及高速數(shù)字處理平臺(tái)為基礎(chǔ)；發(fā)射陣列中的各個(gè)子陣發(fā)射彼此正交的信號(hào)，電磁能量覆蓋幾乎所有的責(zé)任空間，回避了雙基地雷達(dá)在空間搜索、時(shí)空同步等方面的難題；高占空比信號(hào)結(jié)合長(zhǎng)時(shí)間積累技術(shù)避免發(fā)射波束展寬導(dǎo)致的威力下降；MIMO技術(shù)的特殊潛力與雙基地雷達(dá)的基本優(yōu)勢(shì)有機(jī)結(jié)合，使這一新體制的雙基地MIMO雷達(dá)表現(xiàn)出若干特殊的優(yōu)點(diǎn)，如良好的目標(biāo)定位精度、較強(qiáng)的抗干擾能力和獨(dú)特的射頻隱身能力等等。

3.1抗飽和攻擊能力

現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)的演變非常迅速，巡航導(dǎo)彈、戰(zhàn)術(shù)地地導(dǎo)彈、低成本無(wú)人飛機(jī)等的出現(xiàn)和大量使用使飽和攻擊成為新型防空體系必須面對(duì)的挑戰(zhàn)。MIMO雙基地雷達(dá)發(fā)射機(jī)、接收機(jī)空間分集，通過虛擬陣增加了發(fā)射——接收通道數(shù)，從而提高了雷達(dá)的飽和跟蹤能力，而由于占空比沒有限制以及接收站大幅度前置，維持雷達(dá)威力所需要的CPI時(shí)間大幅下降，可根據(jù)目標(biāo)所處位置的不同靈活地選擇不同的跟蹤數(shù)據(jù)率，這也成為MIMO雙基地雷達(dá)系統(tǒng)的特色之一。

3.2抗距離欺騙能力

目標(biāo)反射信號(hào)隨目標(biāo)運(yùn)動(dòng)存在很大的起伏，難以判別出現(xiàn)在波門前沿的究竟是目標(biāo)信號(hào)還是一般的噪聲或壓縮信號(hào)的旁瓣。MIMO雙基地雷達(dá)能同時(shí)獲取目標(biāo)相對(duì)于收發(fā)陣列的角度信息，具備信息盈余的特點(diǎn)。因此，除了像常規(guī)雙基地雷達(dá)一樣能獲得收發(fā)陣列至目標(biāo)的距離和之外，還可利用獲取的兩個(gè)角度計(jì)算收發(fā)陣列至目標(biāo)的距離和，避免距離欺騙。

3.3低截獲抗偵察能力

MIMO雙基地雷達(dá)使用超大時(shí)寬發(fā)射信號(hào)工作，占空比甚至可接近100%，對(duì)降低雷達(dá)的峰值功率，提高雷達(dá)抗信號(hào)截獲能力很有幫助；且多個(gè)獨(dú)立的信號(hào)均分發(fā)射功率，被截獲的距離進(jìn)一步降低。偵察接收機(jī)只有接收到足夠多規(guī)律性的信號(hào)后才能完成確認(rèn)、區(qū)分以及最后的辨識(shí)。因此，除非對(duì)所有單個(gè)發(fā)射信道的信號(hào)均完成檢測(cè)和識(shí)別，否則很難簡(jiǎn)單地完成MIMO雷達(dá)信號(hào)的識(shí)別。

3.4射頻偽裝能力

以正交波形和雙基地配置作為基礎(chǔ)，MIMO雙基地雷達(dá)可以具備獨(dú)特的射頻偽裝能力。MIMO雙基地雷達(dá)各發(fā)射通道交替使用相位編碼或者大時(shí)寬的線性調(diào)頻信號(hào)，各通道信號(hào)在空間合成的信號(hào)類似噪聲，具備天然的偽裝效果。雖然偵察接收機(jī)可以監(jiān)視到接收功率的變化，但難以判定究竟是環(huán)境噪聲變化還是出現(xiàn)了低截獲雷達(dá)的噪聲類信號(hào)。

4 MIMO雙基地雷達(dá)應(yīng)用展望

MIMO雙基地雷達(dá)在體制上的優(yōu)勢(shì)決定了其具有廣闊的應(yīng)用前景。以MIMO雙基地雷達(dá)為基礎(chǔ)，可以構(gòu)成地空聯(lián)合的信息獲取系統(tǒng)，用于戰(zhàn)區(qū)內(nèi)作戰(zhàn)飛機(jī)的導(dǎo)航或指揮，并降低防空導(dǎo)彈的使用成本。使用正交的波形后，照射到空間合成的信號(hào)包含有相對(duì)于發(fā)射陣列的角度信息，如果空中的飛機(jī)或?qū)椛吓渲糜懈呔榷〞r(shí)設(shè)備和低成本的純接收處理設(shè)備，就可以實(shí)時(shí)地提取這一角度信息并完成自定位功能。MIMO雙基地雷達(dá)的發(fā)射陣列也可安裝到浮空的氣球或者飛機(jī)上，以改善對(duì)低空目標(biāo)的探測(cè)跟蹤性能，獲得更好的制導(dǎo)效果。此外，MIMO雷達(dá)技術(shù)還可以應(yīng)用于機(jī)載／星載進(jìn)行動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)，能夠獲得更小的最小可檢測(cè)目標(biāo)速度。

MIMO雙基地雷達(dá)優(yōu)良的目標(biāo)檢測(cè)能力及其反隱身、抗摧毀特性可用于構(gòu)建岸基預(yù)警雷達(dá)系統(tǒng)，檢測(cè)遠(yuǎn)距離弱小目標(biāo)并應(yīng)付日益發(fā)展的隱身技術(shù)，下文將以此為例展開論述。

圖3　海岸防空預(yù)警體系

以MIMO雙基地雷達(dá)技術(shù)為基礎(chǔ)，在未來(lái)可建立如圖3所示的海岸防空預(yù)警體系。體系內(nèi)將包括使用不同編碼、不同頻率的雷達(dá)，也包括一個(gè)或多個(gè)集中式的MIMO雷達(dá)，各雷達(dá)可單獨(dú)工作，也可以構(gòu)成一個(gè)廣泛的分布式MIMO雷達(dá)系統(tǒng)，其中任意一個(gè)接收設(shè)備均可以接收不止一個(gè)雷達(dá)的發(fā)射并經(jīng)目標(biāo)反射回來(lái)的電磁波信號(hào)，從而構(gòu)成很多虛擬的雙基地雷達(dá)系統(tǒng)。

在這樣一個(gè)體系架構(gòu)中，地波超視距雷達(dá)的遠(yuǎn)程預(yù)警潛力，與C、S、X波段MIMO雷達(dá)的高精度定位特性有效地結(jié)合起來(lái)，使新一代分布式組網(wǎng)MIMO雷達(dá)體系對(duì)海面或低空目標(biāo)具有很強(qiáng)的探測(cè)能力，對(duì)己方軍民用海面設(shè)備具有很強(qiáng)的信息支援能力，并承擔(dān)航海、航空管理、監(jiān)視、控制等關(guān)鍵的任務(wù)。特別是作為常備的電磁照射力量，地面設(shè)備可以起到掩護(hù)并指揮己方護(hù)衛(wèi)艦艇的作用，使其可以在電磁靜默的狀態(tài)下完成值班甚至防衛(wèi)導(dǎo)彈發(fā)射、跟蹤任務(wù)。

5 結(jié)論

MIMO雙基地雷達(dá)具有飽和跟蹤能力強(qiáng)、抗截獲能力高、檢測(cè)弱目標(biāo)能力強(qiáng)、便于對(duì)多批目標(biāo)進(jìn)行分選等強(qiáng)大優(yōu)勢(shì)，能突破很多常規(guī)雷達(dá)難以回避的技術(shù)瓶頸，具有非常廣闊的應(yīng)用前景，包括本文提及的構(gòu)建海岸預(yù)警體系等。但是，作為一個(gè)新生的雷達(dá)概念體系，MIMO雙基地雷達(dá)仍有許多關(guān)鍵技術(shù)有待進(jìn)一步深入研究，例如MIMO雙基地雷達(dá)的資源管理技術(shù)、陣列誤差校正技術(shù)、目標(biāo)定位和跟蹤技術(shù)等。總之，MIMO雙基地雷達(dá)及由其構(gòu)成的分布式防空反導(dǎo)體系的潛能和技術(shù)特點(diǎn)仍需要不斷地研究和挖掘。隨著研究的不斷深入，一個(gè)全新的具有高戰(zhàn)術(shù)技術(shù)性能的防空雷達(dá)系統(tǒng)將很快展現(xiàn)在我們面前。

[1] 陳永光,李修和.組網(wǎng)雷達(dá)作戰(zhàn)能力分析與評(píng)估[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2006.

MIMO Bistatic Radar and Its Application Expectation

MIMO bistatic radar is a new conception in recent years，and the research for its theory and technique has become one of hot problem in the domain of radar. Since it has both character of MIMO technique and the bistatic radar, the MIMO bistatic radar is provided with the potential ability of the anti-reconnaissance，anti-jamming，anti-stealth and anti-radiation attack, and can be widely found application in the future. This paper introduces the principle and advantages of MIMO bistatic radar, and expects its application in the future with military requirement and the character of radar self.

MIMO radar; bistatic radar; application expectation

TN95

A

1008-1151(2015)04-0064-03

2015-03-15

高節(jié)（1983-），女，中國(guó)兵器裝備集團(tuán)成都火控技術(shù)中心總體室副主任，從事雷達(dá)系統(tǒng)總體工作。