極化通道編碼數字陣列雷達系統設計

王立兵,童 俊

(解放軍63961部隊, 北京 100012)

0 引 言

極化作為電磁波的本質屬性,是幅度、頻率、相位以外的重要基本參量,描述了電磁波的矢量特征,即電場矢端在傳播截面上隨時間變化的軌跡特性。隨著目標極化特性越發受到人們重視,多極化乃至全極化雷達除了在氣象探測、精確測控等領域外,逐步在各類雷達上得到應用[1-3]。多極化雷達通過對兩路正交極化信號進行同步接收,依據使用需要分別經過數字采樣后合成不同極化的探測結果,可有效增強對目標的檢測性能、抗干擾能力和識別效果。

在提高雷達檢測性能方面,對隱身目標或極化敏感目標,多極化探測可以有效解決目標閃爍問題。全極化的低頻段雷達綜合利用低頻段諧振效應和多極化信息處理方法,利用多個極化通道并行聯合檢測,提高探測隱身目標的能力[4]。此外,利用極化信息改善低頻段雷達角度測量精度和提高識別性能也被列為值得探討的問題[5]。

在提高雷達抗干擾性能方面,極化域是除時域、頻域、空域、能量域以外的第五個維度空間,可以加以利用,實現目標回波信號和干擾信號的分離。通過對發射極化和接收極化進行聯合優化,并采用自適應極化對消器進行處理,可以改善雷達天線主瓣噪聲壓制式干擾下的目標信干比[6]。交叉極化抗干擾數字陣列是一種能夠采集陣列口徑上不同波達方向極化信息的天線,聯合空域和極化域處理,具有良好的抗干擾性能[7]。此外,極化和相控陣技術相結合,還能改善相控陣天線的波束性能,從而使全極化相控陣導引頭分辨率這一關鍵指標得到有效提升[8]。

在提高雷達識別性能方面,極化信息里蘊含了豐富的目標形狀和結構屬性信息,可以加以利用提取目標特征,實現目標識別功能。美國遠程識別雷達在反導領域使用極化分集實現了罕見的S波段真假彈頭識別能力[9]。研究表明,極化不變量特征反映目標幾何結構上的差異,可用于識別形狀差異較大的目標。由于姿態控制,彈頭存在自旋、進動等微運動特征,引起相對于雷達視線姿態角的周期性變化,導致極化不變量特征并非固定值,而是呈現平穩時變特性;而碎片、球形誘餌等假目標受控程度較差,加之大氣擾動等因素影響,呈現快速翻滾運動,導致極化特征呈現快速時變特性[10]。

為了獲取不同極化信息的得益,相控陣雷達通常需要設置一對正交極化特性的天線進行信號接收。相比于傳統單極化雷達,多極化/全極化雷達一般采用單一極化發射、正交雙極化同時接收的方式,從而利用單幀波位的駐留時間獲得極化散射矩陣的某一列元素。為了能夠有效保留正交極化信息的無損傳輸,極化雷達在單極化雷達的組成基礎上,需要增加一倍的接收通道數,以采集相互正交的兩種極化分量,使得雷達陣面的體積過大、重量過重、成本過高,難以在各種領域普遍推廣應用。因此,如何縮減極化雷達的接收通道數量,使其制造成本相較于常規單極化雷達不明顯增加,成為極化雷達廣泛工程應用的關鍵。

本文提出了一種極化通道編碼(Pol-CC)數字陣列雷達系統的設計方法,該方法突破了傳統極化雷達使用不同數字接收通道對不同極化的回波進行采樣的設計思路,運用通道編碼技術將不同極化信號進行正交編碼調制混合后,通過一個數字通道進行接收采樣,進而在數字域再對每個信號進行高保真恢復。該方法解決了極化雷達數字接收通道數量多、設計制造成本高的問題,具有較高的工程應用前景。

1 Pol-CC數字陣列雷達系統

1.1 通道編碼技術

通道編碼技術是在每個接收天線單元上對回波信號進行射頻調制,各單元間采用正交碼分復用和檢測,然后對模擬合成的單通道信號進行下變頻和采樣處理,利用各通道之間的正交性恢復各單元級接收信號而不產生相互干擾,其原理如圖1所示。

圖1 通道編碼數字陣列編解碼原理圖

其編碼/解碼過程如下:

1) 預先存儲、加載射頻通道1和射頻通道2對應編碼器中的編碼。分別用c1(k)和c2(k)表示兩個射頻通道對應的編碼序列,由于通道間的編碼應是正交的,應滿足

(1)

2) 對射頻通道接收信號進行編碼。假設射頻通道1和射頻通道2的接收信號分別為s1(t)和s2(t),那么第i個射頻通道的接收信號經過通道編碼后可表示為

(2)

式中:?為Kronecker積。

3) 通過合成網絡直接將不同射頻通道編碼后的信號混合。忽略接收機中下變頻、濾波等過程情況,接收機輸出信號uout即為各通道信號經功分/合成器后的信號,可表示為

uout=s1(t)?c1(k)+s2(t)?c2(k)

(3)

4) 對混合信號進行解碼。送至后端解碼模塊后,解碼器按照固定的時序,使用編碼時的通道編碼序列對混合信號進行解碼。對于第i個數字通道,解碼時使用的解碼序列即為編碼序列ci(k),但不再計算Kronecker積,而是計算混合信號uout和編碼序列ci(k)的互相關函數。第i個數字通道解碼恢復可表示為

(4)

由式(4)可知,第i個數字通道解碼恢復信號ui等于第i個射頻通道接收信號si(t)的常數倍,且該常數K已知,因此可以完全恢復出原始信號的幅度和相位信息。

從上述的過程可以看出,通道編碼技術可通過對不同天線單元接收的信號進行編碼,利用編碼信號的正交性在后端再次不失真地恢復出各天線單元通道信號。使用不同極化信號作為原始信號,即可實現對不同極化信息的統一采樣傳輸,并在解碼恢復后重新分為不同極化信息,進行極化合成與處理。

1.2 雷達系統架構

Pol-CC數字陣列雷達系統主要由正交雙極化天線陣面、發射/接收(T/R)組件(含正交編碼模塊)、功分網絡、接收機(含正交解碼模塊)和后端處理設備組成。為了實現正交雙極化接收,T/R組件中選擇一種極化作為發射/接收切換通道,另一種極化僅進行接收,但在各自的模擬通道中,均使用正交編碼模塊對信號進行調制,以確保相互之間的正交性,系統架構如圖2所示。

圖2 極化通道編碼數字陣列雷達系統架構圖

與傳統極化雷達相比,Pol-CC數字陣列雷達系統在天線陣面T/R組件內的每個射頻通道上均增加了一個編碼模塊,并且在模/數(A/D)采樣后,需要使用解碼模塊進行信號恢復。但由于解碼過程是在數字域完成的,因此僅消耗計算資源而不額外增加處理硬件。與此同時,Pol-CC數字陣列雷達系統可以僅使用1個A/D采樣器完成所有通道信號的數字采樣工作。考慮到編碼器可以使用高速開關器件予以實現,而數字器件的價格明顯高于編碼器的價格,由此可看出該系統架構在經濟性上的優勢。

2 實驗驗證

為了充分驗證本文所提的Pol-CC數字陣列雷達系統在使用極化信息進行探測時獲得的增益,使用某雷達在暗室環境下對某型彈藥進行雷達散射截面(RCS)測量的數據進行仿真驗證。測量所使用的雷達工作于S頻段,包含有水平極化和垂直極化一對正交極化天線。在2.6 GHz～3.9 GHz頻率范圍內,分別測量了某型彈藥0°～180°的RCS幅度和相位。

選擇某一角度下、某一個頻點的雙極化測量回波數據進行仿真實驗,水平極化(H極化)和垂直極化(V極化)情況下的回波數據幅度分別如圖3和圖4所示。

圖3 H極化接收通道信號幅度與相位圖

圖4 V極化接收通道信號幅度與相位圖

使用模擬退火算法生成碼長為40的正交四相編碼序列,用于在模擬通道部分對上述的回波數據分別進行調制。用0～3分別代表0、π/2、π、3π/2的相位,則所選用的兩條正交編碼序列相位如表1所示。

表1 正交四相編碼序列相位

圖5a)～圖5c)分別顯示了所選正交四相編碼序列的自相關函數和二者的互相關函數。從圖中可以看出,兩個序列之間正交性良好,互相關峰值約為-10 dB。

圖5 所選正交相位編碼序列的自相關和互相關函數

調制時,每一個數據點均與其中一條正交編碼序列相乘,經過調制后的H極化回波和V極化回波幅度如圖6a)和圖6b)所示,二者矢量疊加求和后的幅度如圖6c)所示,代表了不同通道經過調制后的混合信號。

圖6 調制后不同極化接收通道信號及混合信號幅度

接著使用調制時的正交編碼序列對疊加后的回波進行互相關解調恢復,解調后的信號幅度和相位如圖7所示。

圖7 解調后的不同極化信號幅度和相位

(5)

平均相位變化量eφ可以表示為

(6)

式中:angle(·)代表求復數的相位角;sX表示H極化或V極化的其中一種。

根據式(5)和式(6),統計其幅度和相位變化量的均值,如表2所示。

表2 通道編碼調制前后信號幅度和相位平均變化量

可以看出,經過調制和解調后的信號回波基本沒有發生變化,說明本文所提出的Pol-CC數字陣列雷達系統可以在將不同極化的信號經過編碼調制后合并,通過一個A/D進行采樣傳輸,并通過解碼將其各自的幅度和相位恢復。

分別將2.6 GHz～3.9 GHz、0°～180°的H極化和V極化測量回波數據逐一經過上述調制-解調-脈沖壓縮后,得到RCS測量結果,分別如圖8a)和圖8b)所示。

圖8 某型號彈藥RCS測量結果

可以看出,當觀測角小于60°時,S頻段對該型號彈藥的RCS測量結果存在較明顯幅度差異。為了更好地展現這種差異性,以-27 dB為門限,標記出上述測量結果大于-27 dB的區域,如圖9a)和圖9b)所示。

圖9 測量結果中RCS>-27 dB情況分布圖

由于H極化分量和V極化分量為一對垂直分量,因此可按照式(7)將恢復得到的兩個極化分量進行合成。

(7)

式中:|sS|代表極化合成后的信號幅度。

根據式(7),合成后的該型號彈藥RCS測量結果如圖10所示。同樣,以-27 dB為門限標記出的結果如圖11所示。

圖11 合成極化結果中RCS>-27 dB情況分布圖

分別統計H極化、V極化和合成極化下RCS>-27 dB的測量結果,結果如表3所示。三種極化方式下,H極化探測時目標RCS最小。合成極化方式相比于H極化測量結果,RCS>-27 dB的占比數提升了9.1%;相比于V極化測量結果,則提升了6.5%。

表3 不同極化測量結果中RCS>-27 dB的統計情況

合成極化測量結果比垂直極化測量結果提升的情況如圖12所示。圖中深藍色區域為無變化區域,淺藍色區域對RCS測量的提升效果在5 dB以下,綠色區域則提升了5 dB～10 dB,黃色區域提升10 dB以上。經統計,在20°～40°觀測角范圍內有7.4%的區域RCS提升效果大于5 dB。

圖12 合成極化相對于V極化的提升效果

上述實驗表明,使用本文所提出的Pol-CC數字陣列雷達系統,可在一對正交極化通道僅使用一個數字采樣的情況下,獲得明顯的雷達探測增益,有效提升雷達效費比。

3 結束語

本文所提出的Pol-CC數字陣列雷達系統可有效降低全極化雷達的制造成本,生成的全極化信息提升了雷達對于目標極化特性的利用能力,可較大程度提升雷達對目標的探測性能和抗干擾性能。該方法突破了傳統極化雷達需通過各自對應的數字接收通道進行模/數變換的設計思路,解決了多極化雷達數字接收通道數量多、設計制造成本高的問題,促進了極化信息在雷達中的普遍應用,在幾乎不增加成本的情況下,提升了雷達在極化域的靈活性,具有較大的工程應用前景。