一種雷達集群單次快拍協同成像方法*

楊誠修，王謙喆，雷文太，李淑婧

（1.空軍工程大學空管領航學院，西安 710051；2.中南大學信息科學與工程學院，長沙 410083）

0 引言

集群作戰是通過模擬群聚生物的協作行為與信息交互方式，以自主化和智能化的整體協同完成作戰任務，是近年來出現的一種新型作戰模式。空戰環境下，機載雷達擔負著早期發現和預警的重要任務，單部雷達以搜索模式對敏感區域進行搜索探測。一旦有目標進入該空域，雷達轉為跟蹤模式，并輸出目標的位置、速度等信息。集群空戰模式下，有人/無人機載平臺可以基于集群內部通信鏈路實現戰場感知信息的共享。這種場景下，各平臺上的雷達終端構成一個雷達集群，該雷達集群具備協同探測的能力。雷達集群的協同，一方面可以避免各部雷達獨立工作造成的相互電磁干擾，另一方面，可以提高雷達集群整體的探測能力。

國內外開展了大量雷達集群技術方面的研究工作：國外研究人員分析了雷達系統的分布式、智能化、多站、頻譜利用率等關鍵問題，闡述了智能化雷達組網的概念，內容涉及輻射源管理、節點間通信、節點間的空域定位與時域同步等［1］；文獻［2］分析了單站雷達組網和雙站雷達組網的探測性能，采用凸集優化理論，解決了雙站雷達組網中的有限發射節點和最少接收節點的尋優問題；文獻［3-4］研究了多站雷達的空域和時域對準方法，分析了多站雷達組網在空時域的高分辨能力，并建立了組網雷達用于目標跟蹤時的性能評估模型。國內學者建立了航空集群雷達回波反隱身探測模型，采用空域分割法對布設在不同距離、不同方位的接收雷達形成的探測空域進行了仿真計算［5］；文獻［6］基于集群平臺生成了一種軟件化雷達體系結構，有效提高了軟件化雷達的開發效率和軟件質量。

目前關于雷達集群方面的研究集中在分布式雷達組網模式［7］、輻射控制模式［8］、雷達組網設計［9］、組網信息融合［10］等方面，沒有涉及到集群雷達成像。因此，本文給出了一種雷達集群單次快拍協同成像方法。

1 發射節點的選擇

由雷達集群的中控節點根據探測場景選定發射節點，發射節點向探測區域發射寬帶電磁波，并同時向集群其他各節點發送同步時間戳和發射節點的空間位置。

中控節點的選取，有如下方法：

1）預設集群中存儲和計算能力最優的節點為中控節點；

2）由上一級作戰指令指定；

3）集群內自主隨機確定。

發射節點的選取，應該綜合考慮集群的構型。因為最終的成像效果與發射信號、集群的空間分布跨度有關。首先，集群內部接收節點應該更靠近成像區域，使得回波信號衰減更小，因此，發射節點可以選擇集群內距離成像區域中心較遠的節點；其次，在有限區域內，發射機、接收機與成像區域的夾角通常變化比較大，這樣便于接收機從不同角度接收回波信號；最后應該設法使發射節點所發射的電磁波帶寬被更多地接收，從而減少信號的遺漏。綜上所述，發射節點通過求解以下優化問題確定：

2 雷達回波數據接收

集群其他各節點收到同步時間戳后，所在節點的雷達系統轉為接收模式，接收被測區域的散射回波并進行回波處理；集群中除中控節點之外的各接收節點通過集群通信鏈路向中控節點傳輸數據，所傳的數據包括各接收節點的空間位置和各接收節點雷達的回波。

雷達回波處理僅包括接收機硬件對射頻回波的模擬信號處理，不包括后續的數字信號處理。也就是說，雷達回波處理表示時域射頻回波經過接收機硬件的過程。時域射頻信號經過接收機硬件后仍為一時域信號，經過模數轉換后生成數字信號存儲在接收機緩存中。該時間信號的時長按照下式計算確定：

3 中控節點成像處理

由中控節點進行成像處理，獲得雷達集群單次快拍下的協同成像結果。

由中控節點進行成像處理，包括以下步驟：

1）數據解包與格式化

綜上所述，雷達集群單次快拍協同成像方法的總體框圖如圖1 所示。

4 仿真計算

圖1 雷達集群單次快拍成像方法流程圖

圖2 探測場景示意圖

表1 單簇集群實孔徑成像的仿真參數表

按照預定的雷達集群工作方案，根據預設值，設置3 號節點為中控節點。設置中控節點后，通過求解式（1）確定發射節點：

圖3 目標函數隨發射節點的變化曲線

從圖中可見，當發射節點取為3 號節點時，目標函數獲得最大值。因此，本例中取發射節點為3號節點。

本例中，中控節點和發射節點都是3 號節點。在中控節點的控制下，發射節點向外輻射電磁波，同時將同步時間戳向外發送。各接收節點（1，2，4，5，6）接收到同步時間戳后，轉為接收模式，時域射頻信號經過接收機硬件后仍為一時域信號，經過模數轉換后生成數字信號存儲在接收機緩存中。各接收節點的接收時長按照式（2）計算確定。

各接收節點按照式（3）的格式進行數據封裝：

第m 個接收節點分別生成數據流（m=1，2，4，5，6），然后利用集群內數據鏈路傳遞給中控節點（3 號節點）。

圖4 二維成像結果

5 結論

由于采用了集群陣列的空間采樣，可以獲得目標在多個空間角度的回波，克服了原來單機需要穩定跟蹤才能進行的時間積累過程。基于上述思想，本文提出了一種雷達集群單次快拍協同探測成像方法。設計了協同探測成像的處理流程，并給出了中控節點和發射節點的選取方法，設計出發射節點和接收節點的工作流程，得到接收回波的處理過程和數據封裝、傳輸方法。最后給出中控節點的數據解包、格式化和頻域填充成像方法，實現了單次快拍下的雷達集群協同成像，具有很強的實用性和通用性。