機(jī)載預(yù)警雷達(dá)技術(shù)及信號處理方法綜述

張 良 祝 歡 楊予昊 吳 濤

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機(jī)載預(yù)警雷達(dá)技術(shù)及信號處理方法綜述

張 良*祝 歡 楊予昊 吳 濤

(南京電子技術(shù)研究所 南京 210039)

機(jī)載預(yù)警雷達(dá)及其信號處理技術(shù)經(jīng)歷了巨大的發(fā)展，但也面臨著隱身目標(biāo)、非均勻雜波、復(fù)雜電磁環(huán)境、目標(biāo)的識別和多種作戰(zhàn)任務(wù)的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。該文回顧了機(jī)載預(yù)警雷達(dá)及其信號處理技術(shù)的發(fā)展歷程，分析了機(jī)載預(yù)警雷達(dá)面臨的反隱身、反干擾、反雜波和目標(biāo)識別方面的挑戰(zhàn)，在此基礎(chǔ)上提出了機(jī)載預(yù)警雷達(dá)體制正向數(shù)字化、寬帶化、協(xié)同化、智能化和多功能一體化演變的趨勢，最后分析了3D-STAP, MIMO-STAP、寬帶檢測、認(rèn)知抗干擾等關(guān)鍵技術(shù)，有望對下一代機(jī)載預(yù)警雷達(dá)的研制發(fā)揮一定的指導(dǎo)意義。

機(jī)載預(yù)警雷達(dá)；數(shù)字陣；認(rèn)知雷達(dá)；多機(jī)協(xié)同；寬帶；空時(shí)自適應(yīng)處理

1 引言

預(yù)警機(jī)是空基預(yù)警探測體系的信息樞紐和指揮中心，它集預(yù)警探測、情報(bào)融合、情報(bào)分發(fā)和指揮控制等多種功能于一體，負(fù)責(zé)對空中、海上及地面目標(biāo)進(jìn)行大范圍搜索、跟蹤與識別，并指揮和引導(dǎo)己方飛機(jī)、艦船以及岸基火控系統(tǒng)進(jìn)行作戰(zhàn)。在歷次局部戰(zhàn)爭，特別是海灣戰(zhàn)爭、科索沃戰(zhàn)爭以及利比亞戰(zhàn)爭中預(yù)警機(jī)均發(fā)揮了重要作用，已成為現(xiàn)代戰(zhàn)爭不可缺少的重要裝備。預(yù)警機(jī)將探測傳感器、通信網(wǎng)絡(luò)、作戰(zhàn)平臺、武器系統(tǒng)和作戰(zhàn)人員高效實(shí)時(shí)地融合于作戰(zhàn)體系，起到了戰(zhàn)場效能倍增器的作用，極大地增強(qiáng)了體系作戰(zhàn)能力[1]。

機(jī)載預(yù)警雷達(dá)因架設(shè)在高空飛行的飛機(jī)上而克服地球曲率對觀測視距的限制，擴(kuò)大低空和超低空探測距離，發(fā)現(xiàn)更遠(yuǎn)的敵機(jī)和導(dǎo)彈，為防空系統(tǒng)提供更多的預(yù)警時(shí)間。機(jī)載預(yù)警雷達(dá)在空中目標(biāo)探測與跟蹤、海面目標(biāo)探測與識別、戰(zhàn)場偵察與監(jiān)視、武器精確制導(dǎo)與控制等方面正發(fā)揮著不可替代的作用[2]。

從體制和能力上劃分，預(yù)警機(jī)及機(jī)載預(yù)警雷達(dá)的發(fā)展經(jīng)歷了3個(gè)階段[1]：

第1階段：雷達(dá)+飛機(jī)，實(shí)現(xiàn)空中雷達(dá)站。以E-2A/B/C系列預(yù)警機(jī)為代表，其最新型號為APS-145雷達(dá)，采用動(dòng)目標(biāo)顯示(MTD)技術(shù)使其具有一定的陸地上空探測能力，目前為止E-2C仍是世界上裝備數(shù)量最多的預(yù)警機(jī)。

第2階段：雷達(dá)+通信+指控+飛機(jī)，實(shí)現(xiàn)空中指揮所。以E-3A AWACS(機(jī)載預(yù)警與控制系統(tǒng))為代表。雷達(dá)方位上機(jī)械掃描，采用脈沖多普勒體制(PD)，強(qiáng)雜波背景下的下視能力得到極大提高。

第3階段：雷達(dá)+通信+網(wǎng)絡(luò)+指控+戰(zhàn)場管理+飛機(jī)，實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)場全要素管控，預(yù)警機(jī)成為信息化作戰(zhàn)體系中的核心樞紐。美國海軍航母編隊(duì)先進(jìn)鷹眼(E-2D)艦載固定翼預(yù)警機(jī)是典型代表，其雷達(dá)采用機(jī)相掃相結(jié)合的有源相控陣體制和空時(shí)自適應(yīng)處理技術(shù)(STAP)，對雜波和干擾的抑制能力更強(qiáng)。

一方面，針對現(xiàn)代戰(zhàn)爭日益呈現(xiàn)立體化、一體化、網(wǎng)絡(luò)化的特點(diǎn)，預(yù)警機(jī)需要將廣泛分布于立體空間內(nèi)的各種作戰(zhàn)力量、各作戰(zhàn)單元、各類作戰(zhàn)要素聯(lián)結(jié)成一個(gè)有機(jī)整體，實(shí)現(xiàn)偵察情報(bào)、指揮控制、火力打擊、信息對抗和綜合保障協(xié)調(diào)一致，而預(yù)警機(jī)在整個(gè)作戰(zhàn)體系中處于核心地位。另一方面，隱身飛機(jī)已成現(xiàn)實(shí)威脅、電磁對抗環(huán)境愈益復(fù)雜、巡航導(dǎo)彈的廣泛使用，預(yù)警機(jī)雷達(dá)正面臨著前所未有的挑戰(zhàn)，必須不斷擴(kuò)展預(yù)警雷達(dá)的功能，大幅提升其反隱身、反干擾、反雜波、和目標(biāo)識別能力，提升預(yù)警機(jī)與體系協(xié)同作戰(zhàn)的能力。在此背景下，本文對機(jī)載預(yù)警雷達(dá)及其信號處理技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)，同時(shí)深入研究機(jī)載預(yù)警雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展趨勢及關(guān)鍵技術(shù)。

本文的組織結(jié)構(gòu)如下：第2節(jié)分析了機(jī)載預(yù)警雷達(dá)面臨的挑戰(zhàn)；第3節(jié)對機(jī)載預(yù)警雷達(dá)體制的演變趨勢進(jìn)行了分析；第4節(jié)分析了機(jī)載預(yù)警雷達(dá)信號處理的關(guān)鍵技術(shù)；最后的第5節(jié)，對全文進(jìn)行了總結(jié)。

2 機(jī)載預(yù)警雷達(dá)面臨的挑戰(zhàn)

從作戰(zhàn)對象上看，機(jī)載預(yù)警雷達(dá)需要面對的探測目標(biāo)正往“高空、高速、高機(jī)動(dòng)”和“低空、低速、低散射”方面發(fā)展。從作戰(zhàn)場景上看，機(jī)載預(yù)警雷達(dá)需要面臨有意和無意的復(fù)雜電磁干擾環(huán)境以及非均勻雜波環(huán)境。

2.1 隱身目標(biāo)已成現(xiàn)實(shí)威脅

隱身技術(shù)已成為各國軍隊(duì)競相用于高科技武器裝備的重要技術(shù)。美國、俄羅斯、德國、法國、英國、加拿大、日本等國都在積極發(fā)展隱身技術(shù), 并在新一代作戰(zhàn)飛機(jī)、巡航導(dǎo)彈和艦艇上廣泛采用隱身技術(shù)。隱身目標(biāo)在低頻段的隱身效果變差，在VHF頻段其RCS甚至與常規(guī)目標(biāo)相當(dāng)(1~2)?，F(xiàn)役預(yù)警雷達(dá)工作波段以L或S波段為主，頻段下移至UHF或VHF頻段更有利于隱身目標(biāo)探測，有關(guān)低頻段雷達(dá)反隱身的效能已經(jīng)在國內(nèi)外多次得到印證[3]。但是低頻段頻率資源極其擁擠，因此低頻段雷達(dá)受到較多無意信號的干擾。

2.2 電磁干擾環(huán)境日益嚴(yán)峻

預(yù)警機(jī)升空工作，視距內(nèi)大量分布的地面、艦載以及機(jī)載無意輻射信號無疑對預(yù)警機(jī)雷達(dá)造成干擾。此外干擾飛機(jī)的技術(shù)水平和干擾能力日益增強(qiáng)，以EA-18G為例，其可以掛載低頻段的干擾吊艙，AN/ALQ-99吊艙已經(jīng)覆蓋0.064~18 GHz范圍，從而實(shí)現(xiàn)對機(jī)載預(yù)警雷達(dá)的全頻段覆蓋。先進(jìn)的電子干擾設(shè)備為了有效對抗雷達(dá)，大多采用數(shù)字射頻存儲(DRFM)轉(zhuǎn)發(fā)式干擾，DRFM技術(shù)大大提升了干擾的靈活性和準(zhǔn)確性。由于干擾的樣式越來越多，干擾的強(qiáng)度越來越大，勢必造成雷達(dá)威力和精度下降，甚至丟失目標(biāo)的情況。

2.3 復(fù)雜地形適應(yīng)性

機(jī)載預(yù)警雷達(dá)面臨的最嚴(yán)重的問題是下視時(shí)的地雜波問題愈顯突出。現(xiàn)代戰(zhàn)爭中預(yù)警機(jī)有可能在城市、山區(qū)、平原、海洋以及海陸交界等多種地形上空執(zhí)行任務(wù)，要求雷達(dá)能適應(yīng)各種地形地貌雜波。近年來，STAP技術(shù)已普遍應(yīng)用在了機(jī)載預(yù)警雷達(dá)中[4]，大幅提升了反雜波和反干擾的能力。然而在實(shí)際工程應(yīng)用中，STAP能力發(fā)揮也遇到了瓶頸：一是協(xié)方差矩陣求逆計(jì)算量大；二是需要大量的均勻樣本。根據(jù)RMB準(zhǔn)則，信干噪比損失小于3 dB需要的均勻樣本數(shù)為濾波器系統(tǒng)自由度的2倍。降維STAP[5]可以解決上述問題，在滿足樣本需求量和計(jì)算能力的前提下，使得損失的SINR盡可能小。因?yàn)檎鎸?shí)的環(huán)境復(fù)雜多樣，地形及地表覆蓋的變化引起雜波的非均勻分布，人造建筑等形成強(qiáng)離散雜波，密集的干擾目標(biāo)污染訓(xùn)練樣本，非正側(cè)陣或雙多基地以及共形陣等陣列流形的變化導(dǎo)致雜波譜隨距離空變等因素使得STAP性能急劇下降。經(jīng)過了非均勻檢測器挑選樣本之后，均勻樣本所剩無幾，縱然降維之后，訓(xùn)練樣本數(shù)量仍嚴(yán)重不足。從而導(dǎo)致雜波抑制性能嚴(yán)重下降，雜波剩余過多目標(biāo)無法檢出[6]。因此需要探索新的雜波抑制方法。

2.4 目標(biāo)識別需求愈發(fā)迫切

現(xiàn)代戰(zhàn)爭是以高技術(shù)信息戰(zhàn)、電子戰(zhàn)為中心的戰(zhàn)爭，對戰(zhàn)場動(dòng)態(tài)信息的實(shí)時(shí)監(jiān)測和處理成為了關(guān)系到戰(zhàn)爭勝敗的重要因素，因此，僅能提供目標(biāo)位置信息的常規(guī)雷達(dá)已逐漸不能滿足現(xiàn)代戰(zhàn)爭的需要，人們希望進(jìn)一步獲取目標(biāo)的詳細(xì)信息。

目前預(yù)警機(jī)主要是窄帶PD體制，基于檢測分類一體化設(shè)計(jì)思路可以給出海面目標(biāo)的大/中/小屬性。基于窄帶信號的分類方法對雷達(dá)資源要求小，方法簡單，計(jì)算量小，可以用于篩選重點(diǎn)威脅目標(biāo)，輔助操作人員判決目標(biāo)大中小屬性。但是僅靠窄帶特征識別所獲取的目標(biāo)信息畢竟有限，軍民船分類(區(qū)分軍艦與貨輪、油輪等民用船只)和型號識別(區(qū)分驅(qū)逐艦、護(hù)衛(wèi)艦、航母等)仍亟需解決。寬帶能夠提供較高的距離分辨力，獲取目標(biāo)的結(jié)構(gòu)信息是類型識別的基礎(chǔ)[7]。艦船型號識別主要依靠高分辨1維距離像和逆合成孔徑(ISAR)像，但艦船的1維距離像受到目標(biāo)類型、航行方向與雷達(dá)觀測視角、目標(biāo)距離、海情等多方面因素的影響，其主要問題在于穩(wěn)健的特征提取技術(shù)和模板庫的建立方法。

3 機(jī)載預(yù)警雷達(dá)體制演變趨勢分析

3.1 由模擬陣向數(shù)字陣演變

經(jīng)典的模擬有源相控陣?yán)走_(dá)架構(gòu)如圖1所示，架構(gòu)包含有源收/發(fā)組件(T/RM)、模擬波束形成與分配器(ABF&D)、接收機(jī)與A/D采樣、波形產(chǎn)生器、信號處理器與控制器[8]。ABF&D發(fā)射時(shí)將發(fā)射激勵(lì)信號分配驅(qū)動(dòng)各T/R，接收時(shí)形成全陣檢測波束。

圖1 模擬有源相控陣

隨著前端電路封裝與集成技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代數(shù)字相控陣功能和性能大幅提升，逐漸發(fā)展成為子陣級數(shù)字陣如圖2所示。各T/RM發(fā)射激勵(lì)信號由相應(yīng)的ABF&D提供，接收時(shí)通過ABF&D形成若干個(gè)子陣，每個(gè)子陣連接一路數(shù)字接收機(jī)，多個(gè)數(shù)字化通道為自適應(yīng)波束形成(ADBF)和STAP技術(shù)奠定了硬件基礎(chǔ)，子陣級數(shù)字陣為大型有源相控陣?yán)走_(dá)普遍采用。

全數(shù)字陣列如圖3所示，就是在每個(gè)陣元上實(shí)現(xiàn)發(fā)射和接收信號的數(shù)字化和控制。因?yàn)殛囋壢珨?shù)字波束形成和處理，對于不同的應(yīng)用可以更加靈活地實(shí)現(xiàn)重構(gòu)和最優(yōu)化。全數(shù)字陣列包括天線陣元以及與各陣元對應(yīng)的數(shù)字化接收通道和基于直接數(shù)字頻率合成器(DDS)的發(fā)射波形產(chǎn)生器組成。它有如下優(yōu)勢：(1)同時(shí)發(fā)射接收多波束；(2)自適應(yīng)波束形成的自由度擴(kuò)到陣元級；(3)增強(qiáng)了收發(fā)支路校正和均衡能力；(4)可實(shí)現(xiàn)多輸入多輸出(MIMO)模式；(5)易于實(shí)現(xiàn)收發(fā)陣列重構(gòu)和動(dòng)態(tài)子陣合成。

圖2 子陣級數(shù)字化相控陣

圖3 全數(shù)字陣列

3.2 由窄帶數(shù)字陣向?qū)拵?shù)字陣演變

未來預(yù)警機(jī)除了必須具備較強(qiáng)的目標(biāo)探測能力外，還應(yīng)具有較強(qiáng)的空海目標(biāo)識別能力、地面運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測能力和偵察成像能力，以適應(yīng)發(fā)現(xiàn)、定位、打擊以及打擊效果評估這一完整的打擊鏈，真正做到“一機(jī)多能”。根據(jù)雷達(dá)圖像解譯度的分級標(biāo)準(zhǔn)[9]，若雷達(dá)圖像的分辨率達(dá)到3 m，大多數(shù)地面、海上軍事目標(biāo)都能大致識別，少數(shù)目標(biāo)可以確切識別；若分辨力達(dá)到1 m，大多數(shù)目標(biāo)可以確切識別，少數(shù)目標(biāo)能進(jìn)行描述；若分辨力達(dá)到0.3 m，就能實(shí)現(xiàn)對大多數(shù)目標(biāo)的確切識別。高分辨目標(biāo)識別和成像要求雷達(dá)大瞬時(shí)帶寬，因此頻段還要往高端擴(kuò)展(如擴(kuò)展到X頻段)。另外，寬帶數(shù)字陣也為綜合電子戰(zhàn)、高數(shù)據(jù)率數(shù)據(jù)通信等功能提供了硬件基礎(chǔ)。

總體來說，寬帶數(shù)字陣有以下優(yōu)點(diǎn)[10]：

(1)提高距離分辨率和雜波抑制能力。寬帶信號雜波分辨單元和距離門內(nèi)雜波功率同比縮小。

(2)提高雷達(dá)抗截獲與抗干擾能力。采用寬帶雷達(dá)信號，包括具有復(fù)雜調(diào)制的寬帶雷達(dá)信號，增加敵方雷達(dá)偵收設(shè)備偵察復(fù)雜雷達(dá)信號的困難，是實(shí)現(xiàn)低截獲概率(LPI)雷達(dá)的一個(gè)重要內(nèi)容，也是抗敵方反輻射導(dǎo)彈(ARM)攻擊的一個(gè)重要措施，因此，有利于提高雷達(dá)的生存能力和抗干擾能力。

(3)提高多徑信號的抑制能力。采用大瞬時(shí)帶寬的寬帶信號，對抑制地面/海面反射引起的多徑信號有利，對抑制地面/海面強(qiáng)散射點(diǎn)產(chǎn)生的二次反射，即所謂“熱雜波”也是有利的，可將目標(biāo)回波與目標(biāo)經(jīng)地面/海面產(chǎn)生的多徑回波信號在距離上加以分開。

(4)滿足綜合電子系統(tǒng)的需求[11]。如果相控陣?yán)走_(dá)天線的工作頻率寬度能盡可能增大，則可實(shí)現(xiàn)雷達(dá)、電子戰(zhàn)(EW)中的電子支援措施(ESM)、電子干擾(ECM)、通信、導(dǎo)航以及無源雷達(dá)探測的一體化，這將節(jié)約整個(gè)綜合電子系統(tǒng)的成本與體積、重量。

3.3 由單機(jī)探測向協(xié)同探測演變

反隱身、抗干擾、抗反輻射武器是現(xiàn)代化戰(zhàn)爭中機(jī)載預(yù)警雷達(dá)探測必須解決的問題。機(jī)載預(yù)警平臺由于載重、供電以及天線安裝口徑的限制，單平臺探測系統(tǒng)能力有限，因此多平臺聯(lián)合探測是更好的解決措施。通過單平臺多傳感器信息融合、多平臺多傳感器信息融合、多平臺有源/無源探測相結(jié)合等手段擴(kuò)展探測空域與探測對象，提高體系反隱身能力、抗干擾能力和戰(zhàn)場生存能力，并最終實(shí)現(xiàn)平臺中心戰(zhàn)向網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)轉(zhuǎn)變，提升體系對抗能力[1]?？栈嗥脚_協(xié)同探測示意圖如圖4所示。

圖4 空基多平臺協(xié)同探測概念圖

在反隱身方面，預(yù)警機(jī)與無人機(jī)協(xié)同以及預(yù)警機(jī)之間的協(xié)同，可以提高對隱身目標(biāo)的探測能力。因?yàn)槔猛庑渭夹g(shù)隱身的飛行器主要是減少了迎頭方向的后向散射面積(RCS)，其它姿態(tài)角的RCS并未減少。在抗干擾抗截獲方面，預(yù)警機(jī)與無人機(jī)協(xié)同的好處在于，更小、生存力更強(qiáng)的無人機(jī)只收不發(fā)，靠近前沿部署，而發(fā)射功率大、容易被定位的預(yù)警機(jī)則在敵方打擊范圍之外的安全空域巡航，提高預(yù)警機(jī)的生存能力。

3.4 由開環(huán)架構(gòu)向閉環(huán)認(rèn)知架構(gòu)演變

作為一種傳感器，雷達(dá)是通過與環(huán)境、目標(biāo)相互作用來獲取信息的。在復(fù)雜的背景下，傳統(tǒng)雷達(dá)開環(huán)的架構(gòu)和單向固定的處理流程很難取得滿意的性能。在整體能量、時(shí)間、頻譜等資源有限的情況下，如何根據(jù)目標(biāo)、環(huán)境變化合理分配和有效利用這些資源是下一代雷達(dá)發(fā)展必須面對的挑戰(zhàn)。在此背景下，認(rèn)知雷達(dá)的概念由Haykin[12]首次提出。其理論經(jīng)過不斷的改進(jìn)和發(fā)展，形成了如圖5所示的認(rèn)知雷達(dá)架構(gòu)[13]。

圖5 Haykin的認(rèn)知雷達(dá)閉環(huán)架構(gòu)流程圖

基于發(fā)射的自適應(yīng)和環(huán)境的感知， Guerci[14]也提出了一種認(rèn)知雷達(dá)的架構(gòu)，與傳統(tǒng)雷達(dá)相比，實(shí)現(xiàn)了“發(fā)射機(jī)—天線發(fā)射—空間(信道)—天線接收—接收機(jī)—KA協(xié)處理—發(fā)射機(jī)”的自適應(yīng)閉環(huán)。在2014年的IEEE 國際雷達(dá)會(huì)議上，Guerci等人[15]又進(jìn)一步將認(rèn)知雷達(dá)的概念發(fā)展為認(rèn)知全自適應(yīng)雷達(dá)(COFAR)，并認(rèn)為是雷達(dá)未來發(fā)展方向。該系統(tǒng)具有全自適應(yīng)發(fā)射，全自適應(yīng)接收、實(shí)時(shí)通道估計(jì)、認(rèn)知處理和控制調(diào)度等功能，其架構(gòu)如圖6所示。

4 機(jī)載預(yù)警雷達(dá)信號處理關(guān)鍵技術(shù)分析

機(jī)載預(yù)警雷達(dá)體制的演變引發(fā)了機(jī)載雷達(dá)信號處理技術(shù)的革新，單元數(shù)字陣給信號處理帶來了更大的靈活性，使得傳統(tǒng)的2D-STAP技術(shù)向3D- STAP和MIMO-STAP技術(shù)發(fā)展；寬帶帶來很多好處的同時(shí)，信號處理方法也與窄帶大不相同；協(xié)同探測的信號處理方法也有很多新的特點(diǎn)；認(rèn)知概念的引入激發(fā)了信號處理方法革命性的變化，KA- STAP及認(rèn)知抗干擾方法等眾多新的技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。隨著寬帶體制、協(xié)同探測體制和認(rèn)知體制的出現(xiàn)，目標(biāo)識別的特征和方法也越來越豐富。

圖6 認(rèn)知全自適應(yīng)雷達(dá)架構(gòu)圖

4.1 3D-STAP技術(shù)

對于正側(cè)面陣來說，雜波分布與距離無關(guān)，它不依賴距離，雜波譜重合為一條直線，沿著“雜波脊”形成一條凹口即可有效地抑制雜波了。但是對于非正側(cè)面陣(前視陣或者斜側(cè)陣)雷達(dá)來說，雜波譜線是隨距離變化的一組橢圓，這嚴(yán)重影響了雜波回波距離平穩(wěn)性。特別是近程雜波，雜波譜隨距離空變劇烈，樣本非平穩(wěn)導(dǎo)致雜波抑制性能嚴(yán)重下降。

針對近程雜波的形成機(jī)理，文獻(xiàn)[16-18]有針對性提出了多種抑制方法，基本思路是利用天線俯仰上的自由度抑制與俯仰角相關(guān)的近程雜波，這就要求雷達(dá)采用全數(shù)字陣列。具體的流程為：第1步先在俯仰向?yàn)V波在指定距離門形成凹口，第2步進(jìn)行方位向的STAP處理，圖7為3D-STAP架構(gòu)原理。圖8通過仿真分步演示了3D-STAP流程及其效果。

圖7 3D-STAP架構(gòu)原理

圖8 3D-STAP仿真結(jié)果

4.2 MIMO-STAP技術(shù)

無論2D-STAP還是3D-STAP均是在接收端進(jìn)行處理，而發(fā)射端在反雜波和抗干擾方面所起的作用發(fā)揮得遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。雷達(dá)收發(fā)是互易的，從理論上分析，接收端STAP本質(zhì)上是對多通道一個(gè)CPI內(nèi)的接收脈沖幅相進(jìn)行自適應(yīng)加權(quán)處理，同樣的道理，如果發(fā)射端有足夠的空時(shí)自由度供調(diào)節(jié)，那么完全可以將接收端STAP理念推廣應(yīng)用到發(fā)射端，在發(fā)射端設(shè)計(jì)出與雜波譜反向匹配的空時(shí)發(fā)射方向圖預(yù)先消除部分雜波，從而與接收端STAP共同分擔(dān)雜波抑制任務(wù)。MIMO陣列每個(gè)陣元發(fā)射相互正交的波形，提供了足夠的發(fā)射自由度，為實(shí)現(xiàn)MIMO- STAP提供了可能，架構(gòu)如圖9所示[2]。

圖9 MIMO STAP通用架構(gòu)

MIMO-STAP應(yīng)按照以下3個(gè)步驟實(shí)施：

第1步 將每個(gè)陣元的接收空時(shí)數(shù)據(jù)通過匹配濾波器組進(jìn)行濾波，在接收端重構(gòu)發(fā)射陣列。

第2步 對重構(gòu)的發(fā)射陣進(jìn)行TX-STAP，方法類似于常規(guī)的接收端STAP。以mDT-SAP方法為例，先通過FFT將匹配濾波后的數(shù)據(jù)變換到頻域，再對發(fā)射陣按多普勒通道依次進(jìn)行自適應(yīng)濾波，綜合出等效的空時(shí)發(fā)射方向圖，這一過程需要針對接收通道依次進(jìn)行。

第3步 將發(fā)射空時(shí)自適應(yīng)數(shù)據(jù)按常規(guī)的接收端STAP方法繼續(xù)進(jìn)行濾波，最后形成收發(fā)雙程空時(shí)自適應(yīng)檢測通道。

4.3 KA-STAP技術(shù)

為了補(bǔ)償非均勻環(huán)境帶來的自適應(yīng)信號處理算法性能損失，STAP處理器必須改變算法設(shè)計(jì)或最大化地利用先驗(yàn)知識。隨著地理信息、數(shù)字處理、海量隨機(jī)訪問存儲器等技術(shù)的迅速發(fā)展以及雷達(dá)系統(tǒng)自身實(shí)時(shí)性能的不斷提高，雷達(dá)獲得并將較多的外界環(huán)境的先驗(yàn)知識融入到處理過程中成為可能。可用的先驗(yàn)知識不僅包括數(shù)字高程圖(DEM)、地表覆蓋和使用情況(LCLU)、SAR圖像、地圖等外部信息，而且包括平臺和雷達(dá)的系統(tǒng)參數(shù)信息、以信號處理各個(gè)階段獲取的信息、以及載機(jī)航線和雷達(dá)歷史數(shù)據(jù)信息。利用這些先驗(yàn)信息提高STAP性能的技術(shù)稱為知識輔助空時(shí)自適應(yīng)處理(KA-STAP)。

由于知識輔助自適應(yīng)處理技術(shù)可能帶來巨大的性能提升和廣闊的應(yīng)用前景，國內(nèi)外眾多機(jī)構(gòu)、學(xué)者都開展了知識輔助的信號處理研究(具體可參閱文獻(xiàn)[4,19]及其參考文獻(xiàn))。根據(jù)先驗(yàn)知識利用方式的不同，KA-STAP算法可以分為兩大類：一類是利用歷史數(shù)據(jù)的KA-STAP算法，另一類是利用基于DEM的雜波反演數(shù)據(jù)的KA-STAP算法，目的均是為了獲得更準(zhǔn)確的協(xié)方差估計(jì)，提高雜波抑制效果。KA-STAP的原理如圖10所示。

圖10 KA-STAP原理圖

4.4 認(rèn)知抗干擾技術(shù)

雷達(dá)面臨的電磁環(huán)境日漸嚴(yán)峻，干擾的形式也更加復(fù)雜。傳統(tǒng)抗干擾思路是讓干擾信號進(jìn)入系統(tǒng)，再通過信號處理硬“扛”硬“壓”，而認(rèn)知雷達(dá)能夠感知外界環(huán)境，自適應(yīng)優(yōu)選頻點(diǎn)和帶寬、調(diào)整發(fā)射波形和發(fā)射方向圖，具備比常規(guī)雷達(dá)更強(qiáng)的抗干擾能力的能力，為未來雷達(dá)的反干擾提供了新的方向[20]。

4.4.1 認(rèn)知波形優(yōu)化技術(shù) 通過環(huán)境感知，可以獲得干擾在頻譜上的分布，然后根據(jù)干擾分布，在頻域上優(yōu)化發(fā)射波形使得在某些頻點(diǎn)置零，從而降低雷達(dá)信號被偵收概率，達(dá)到提高抗干擾能力的目的，此外，該類波形可緩解頻率資源擁擠問題。仿真了一個(gè)頻譜置零的線性調(diào)頻波形，信號帶寬=8 MHz，時(shí)間。

從圖11可見，在偏離中心頻率2 MHz位置處頻譜置零，圖12為通過加海明窗匹配濾波的結(jié)果，雖然頻譜置零波形脈沖壓縮副瓣比原線性調(diào)頻波形高10 dB，但仍保持了較好的性能。

4.4.2 認(rèn)知頻譜管理技術(shù) 微波頻段受到民用無線電的影響，變得十分擁擠。特別是無意通信干擾，調(diào)制類型復(fù)雜多樣，且功率較強(qiáng)，壓縮了雷達(dá)可用頻帶資源。大部分通信信號帶寬較窄，可以通過感知通道感知干擾的頻譜分布，在頻譜上干擾較小的區(qū)域優(yōu)選頻點(diǎn)和帶寬，如圖13所示。

圖11 頻域置零波形設(shè)計(jì)示意圖　　 圖12 頻域置零線性調(diào)頻波形脈沖壓縮性能　　圖13 選擇干凈區(qū)(干擾少)示意圖

4.4.3 認(rèn)知發(fā)射方向圖置零技術(shù) 在復(fù)雜的電磁環(huán)境中，面臨的干擾源較多時(shí)，由于接收段自由度有限，常規(guī)處理性能會(huì)急劇下降。如果能將發(fā)射端的自由度加以利用，形成發(fā)射方向圖零點(diǎn)，降低被偵察概率，等效減少了干擾源個(gè)數(shù)，雷達(dá)系統(tǒng)反干擾性能會(huì)大幅提升。通過感知通道感知到干擾的強(qiáng)度和角度信息，然后采用發(fā)射方向圖置零的方法將干擾抑制。具體的流程如圖14所示。

圖14 基于感知信息的發(fā)射方向圖置零算法流程

圖15為發(fā)射置零仿真方向圖，假設(shè)發(fā)射陣列為16陣元均勻線陣，陣元間距為半波長；在，和分別形成發(fā)射方向圖零點(diǎn)。

圖15 發(fā)射方向圖空域置零

可以預(yù)見，基于電磁環(huán)境實(shí)時(shí)感知結(jié)果，綜合空域、頻域聯(lián)合置零以及認(rèn)知頻譜管理技術(shù)后，預(yù)警機(jī)雷達(dá)反干擾能力將得到極大提升。

4.5 寬帶信號處理技術(shù)

隨著雷達(dá)信號帶寬的不斷增加，窄帶假設(shè)逐漸不滿足，雷達(dá)系統(tǒng)的輻射特性、電波傳播特性、目標(biāo)反射特性、系統(tǒng)接收特性都會(huì)發(fā)生改變，導(dǎo)致信號處理方法也完全不同。

4.5.1 寬帶陣列信號處理 傳統(tǒng)相控陣?yán)走_(dá)可以通過移相器來控制波束指向，隨著信號帶寬的增大，陣列波束指向會(huì)出現(xiàn)偏移和掃描不準(zhǔn)的現(xiàn)象，無法實(shí)現(xiàn)雷達(dá)寬帶、寬角掃描。所以寬帶數(shù)字陣列的波束控制必須用時(shí)延單元來取代移相器[21]。其原理如圖16所示。

圖16 寬帶數(shù)字波束形成算法流程圖

4.5.2 寬帶檢測技術(shù) 對于窄帶雷達(dá)，目標(biāo)尺寸遠(yuǎn)小于距離分辨單元，從而可被看成是一個(gè)點(diǎn)目標(biāo)。而對于寬帶高分辨雷達(dá)，目標(biāo)會(huì)分散成多個(gè)散射中心。運(yùn)用將發(fā)射信號作為副本的常規(guī)的匹配濾波方法無法將寬帶目標(biāo)積累起來，目標(biāo)信噪比(SNR)大大減小[22]。在高斯條件下，目標(biāo)的檢測概率與SNR成正比， SNR的降低將會(huì)引起目標(biāo)檢測性能的惡化，因此寬帶目標(biāo)回波的積累是獲得寬帶檢測技術(shù)優(yōu)勢的關(guān)鍵。文獻(xiàn)[23]提出了一種分段積累相關(guān)檢測的方法，使得信噪比大大提升，解決了目標(biāo)能量分散的問題。具體的流程如圖17所示。

圖17 寬帶檢測算法流程圖

4.6 協(xié)同探測技術(shù)

多平臺協(xié)同探測系統(tǒng)指多架有人預(yù)警機(jī)之間和或一架有人預(yù)警機(jī)與多架無人預(yù)警機(jī)之間對同一空域進(jìn)行聯(lián)合探測，空基多平臺協(xié)同探測系統(tǒng)是未來機(jī)群協(xié)同作戰(zhàn)、體系作戰(zhàn)的主要模式。各發(fā)射站可以以不同的工作頻率、帶寬和波形發(fā)射，接收站則采用多通道接收，同時(shí)接收其它平臺發(fā)射信號的回波，并按照MIMO模式進(jìn)行匹配處理，最終檢測出目標(biāo)，各平臺的檢測報(bào)告送往聯(lián)合信息處理中心進(jìn)行融合，形成綜合空情。多平臺協(xié)同探測系統(tǒng)需要解決的技術(shù)問題主要有[23]：(1)多平臺時(shí)間、空間與相位同步技術(shù)；(2)機(jī)載多/雙基地雜波抑制方法研究；(3)多平臺空中布站技術(shù)研究；(4)多平臺大容量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)及信息傳輸技術(shù)；(5)多平臺數(shù)據(jù)融合處理技術(shù)。

4.7 綜合識別技術(shù)

4.7.1 寬窄帶特征融合識別 首先利用窄帶信息對目標(biāo)進(jìn)行粗分類(分層)，然后針對重點(diǎn)目標(biāo)進(jìn)行寬帶、窄帶綜合識別，做出目標(biāo)的型號級的判斷。寬窄帶特征融合識別算法流程如圖18所示。

圖18 寬窄帶特征融合識別算法流程

4.7.2 多傳感器融合識別 機(jī)載預(yù)警雷達(dá)綜合識別是以雷達(dá)寬窄帶信號為主，同時(shí)融合多傳感器的信息，結(jié)合主被動(dòng)目標(biāo)識別技術(shù)，通過多源特征融合實(shí)現(xiàn)目標(biāo)屬性的判決。機(jī)載預(yù)警雷達(dá)對海面艦船進(jìn)行識別時(shí)，綜合利用寬窄帶雷達(dá)信號、無源電子偵察(ESM)、船舶自動(dòng)識別系統(tǒng)(AIS)等數(shù)據(jù)，通過合理的識別策略實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)不同層次屬性的判別。

4.7.3 知識輔助目標(biāo)識別 目標(biāo)本身提供的識別信息非常有限，且易受環(huán)境因素影響，當(dāng)目標(biāo)與周圍環(huán)境具有較強(qiáng)的依賴關(guān)系時(shí)，需要引入有關(guān)目標(biāo)的背景知識，將其轉(zhuǎn)化為對直接測量信息的約束。這種借助領(lǐng)域知識或經(jīng)驗(yàn)的識別方式，這里稱之為知識輔助識別。實(shí)際上，目標(biāo)識別要比判斷目標(biāo)是否出現(xiàn)更為困難，識別程度和對象的范圍較廣，單一的信息來源往往不具有充分的排他性，因此更大范圍的目標(biāo)識別問題都需要借鑒知識輔助識別的思路來解決。例如，對海上艦船目標(biāo)的識別，其尾跡特征與目標(biāo)的關(guān)聯(lián)性是重要的判別依據(jù)。目標(biāo)本身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及與環(huán)境相互作用產(chǎn)生的新的暴露征候可以通過判斷規(guī)則、發(fā)生概率、關(guān)系圖等知識表示和轉(zhuǎn)化方式，實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)識別的貢獻(xiàn)。這些知識與雷達(dá)觀測得到的特征信息具有完全不同的特性，二者的有機(jī)結(jié)合是智能化識別的必由之路。

5 結(jié)束語

預(yù)警機(jī)是綜合探測系統(tǒng)的重要組成部分。預(yù)警雷達(dá)作為預(yù)警機(jī)的核心，正面臨著來自于隱身飛機(jī)、復(fù)雜電磁環(huán)境和復(fù)雜地形雜波環(huán)境的挑戰(zhàn)。

本文在對預(yù)警機(jī)雷達(dá)發(fā)展歷程、面臨問題和挑戰(zhàn)進(jìn)行分析基礎(chǔ)上，提出了機(jī)載預(yù)警雷達(dá)及信號處理關(guān)鍵技術(shù)的演變趨勢。機(jī)載預(yù)警雷達(dá)正向數(shù)字化、寬帶化、認(rèn)知化、協(xié)同化、多功能一體化[11]方向發(fā)展，相應(yīng)地要求信號處理技術(shù)持續(xù)不斷演進(jìn)，3D- STAP, MIMO-STAP, KA-STAP，認(rèn)知抗干擾，寬帶信號處理，協(xié)同探測和綜合識別技術(shù)均有可能在未來預(yù)警機(jī)雷達(dá)上得到應(yīng)用，必將使信號處理架構(gòu)發(fā)生重大變革，進(jìn)而提升未來預(yù)警機(jī)應(yīng)對復(fù)雜環(huán)境、復(fù)雜目標(biāo)和多任務(wù)的能力。

我們相信，本文對機(jī)載預(yù)警雷達(dá)及信號處理關(guān)鍵技術(shù)演變趨勢的綜述會(huì)對下一代機(jī)載預(yù)警雷達(dá)的研制起到一定的指導(dǎo)作用。

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張 良： 男，1966年生，研究員，研究方向?yàn)闄C(jī)載預(yù)警雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、雷達(dá)信號與信息處理.

祝 歡： 男，1983年生，高級工程師，研究方向?yàn)闄C(jī)載預(yù)警雷達(dá)信號處理技術(shù).

楊予昊： 男，1983年生，高級工程師，研究方向?yàn)槔走_(dá)總體技術(shù)、雷達(dá)目標(biāo)識別技術(shù).

吳 濤： 男，1975年生，研究員，研究方向?yàn)闄C(jī)載預(yù)警雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì).

Overview on Airborne Early Warning Radar Technology and Signal Processing Methods

ZHANG Liang ZHU Huan YANG Yuhao WU Tao

(,210039,)

Airborne early warning radar and its signal processing technology have experienced great development, but it is also facing great challenges on stealth target, heterogeneous clutter, complex electromagnetic environment, target classification and a variety of combat missions. In this paper, the development of airborne early warning radar and its signal processing technology is reviewed and the challenges airborne early warning radar facing such as anti-stealth, anti-jamming, anti-clutter and target recognition are analyzed. The development trends of the airborne early warning radar system towards digital, broadband, collaborative and intelligent direction are put forward on this basis. Finally, the key technologies of the signal processing such as 3D-STAP, MIMO-STAP, wideband detection, cognitive anti-jamming are analyzed, which have certain directive significance for the development of the next generation airborne early warning radar.

Airborne early warning radar; Digital array; Cognitive radar; Multi-aircraft cooperation; Wideband; Space Time Adaptive Processing (STAP)

TN959. 73

A

1009-5896(2016)12-3298-09

10.11999/JEIT161007

2016-09-30；改回日期：2016-11-11；

2016-12-14

張良 horsezl@126.com