(中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所,安徽合肥230088)

0 引言

米波雷達(dá)由于反隱身能力強(qiáng),近年來發(fā)展迅速[1-3]。數(shù)字陣列技術(shù)的應(yīng)用使得新一代米波雷達(dá)向智能化、軟件化、多功能的方向發(fā)展。特別地,米波數(shù)字陣列雷達(dá)采用MIMO方式工作時,不僅克服了微波頻段MIMO雷達(dá)運(yùn)算量巨大不便于工程實現(xiàn)的障礙[4],而且較常規(guī)雷達(dá)在抗欺騙干擾、反隱身、探測低慢小目標(biāo)探測等方面具有綜合優(yōu)勢。本文將結(jié)合試驗數(shù)據(jù),對米波MIMO雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵問題進(jìn)行分析。

1 功率孔徑資源設(shè)計

功率孔徑資源是雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計需要考慮的首要問題。Brookner認(rèn)為,MIMO雷達(dá)功率孔徑利用沒有常規(guī)相控陣?yán)寐矢遊5]。這一觀點(diǎn)不全面,主要是忽略考慮了跟蹤資源的影響。

相對于微波頻段,隱身目標(biāo)在米波頻段的RCS得益約為15 dB。依據(jù)搜索雷達(dá)方程,在雷達(dá)工作頻率、接收機(jī)靈敏度及目標(biāo)RCS確定情況下,雷達(dá)的作用距離主要由發(fā)射功率、發(fā)射和接收增益、數(shù)據(jù)率決定。設(shè)常規(guī)雷達(dá)的發(fā)射增益為Gt。MIMO雷達(dá)采用正交波形發(fā)射,發(fā)射無陣列增益(發(fā)射正交信號,陣列間為功率疊加,總功率和常規(guī)方式相同,暫不考慮陣元增益),但其發(fā)射波束寬度比常規(guī)體制寬N倍(10lgN=Gt),故積累時間相對于常規(guī)雷達(dá)增加(10lgN=Gt)倍。故在積累時間相同的情況下,MIMO體制和常規(guī)雷達(dá)的系統(tǒng)得益大致相同。需要考慮的是,常規(guī)雷達(dá)數(shù)據(jù)率一般為6～10 s,假定按Ts秒計算。MIMO雷達(dá)考慮目標(biāo)距離、多普勒跨越補(bǔ)償?shù)膶崿F(xiàn)的可行性,相干積累時間一般為1 s,Ts次處理間進(jìn)行非相干積累。在數(shù)據(jù)率同樣為Ts的情況下,所以MIMO雷達(dá)相對于常規(guī)雷達(dá)的功率孔徑損失為

上述分析是在僅僅考慮搜索情況下的系統(tǒng)資源分析。實際上,MIMO雷達(dá)是一種真正實現(xiàn)TAS(Track and Search)體制的雷達(dá),由于發(fā)射寬波束輻射,搜索同時覆蓋全空域,跟蹤不占用搜索資源,對于需要跟蹤的目標(biāo),已有波束資源覆蓋,所以僅通過后端計算就可實現(xiàn)對目標(biāo)跟蹤波束指向的調(diào)整。而常規(guī)雷達(dá)是通過分時方式實現(xiàn)搜索和跟蹤資源的分配。因此,跟蹤目標(biāo)數(shù)量越多,特別是在飽和跟蹤的情況下,MIMO體制雷達(dá)的資源優(yōu)勢將更加明顯。

假定跟蹤數(shù)據(jù)率為Tt,跟蹤目標(biāo)數(shù)為Nt。假定相控陣搜索相對功率孔徑資源為RS,則相對跟蹤資源為RS/N×(Ts/Tt)×Nt,總功率孔徑資源消耗為RS×(1+1/N×(Ts/Tt)×Nt)。同樣探測能力情況下,MIMO雷達(dá)相對功率孔徑資源為可見,MIMO雷達(dá)在多目標(biāo)跟蹤情況下,系統(tǒng)功率孔徑資源具有優(yōu)勢。

下面給出典型工作參數(shù)下,兩種工作方式相對功率孔徑積需求的仿真。仿真條件:天線陣元64個,搜索數(shù)據(jù)率10 s,跟蹤數(shù)據(jù)率1 s,系統(tǒng)相對功率孔徑積需求的對比如圖1所示。由圖可見,跟蹤目標(biāo)數(shù)量小于16個時,常規(guī)相控陣工作模式下功率孔徑資源需求少,隨著跟蹤目標(biāo)數(shù)目的增多,MIMO工作方式需要的系統(tǒng)資源并不增加。由此可見,相對于常規(guī)相控陣?yán)走_(dá),實現(xiàn)搜索兼多目標(biāo)跟蹤時,MIMO雷達(dá)將節(jié)省更多的功率孔徑資源。

圖1 MIMO和相控陣?yán)走_(dá)相對功率孔徑資源需求對比

2 低空探測性能分析

低空探測性能是衡量地基米波雷達(dá)的一項關(guān)鍵指標(biāo)。特別是對直升機(jī)、巡航導(dǎo)彈、無人機(jī)等低空、慢速、小RCS(簡稱“低慢小”)目標(biāo),常規(guī)米波雷達(dá)由于受到地球曲率、多徑效應(yīng)和地雜波等因素的影響,探測性能大打折扣,但米波MIMO雷達(dá)在探測“低慢小”目標(biāo)方面具有潛在優(yōu)勢。

多徑效應(yīng)對米波雷達(dá)低空探測性能的影響不能一概而論。首先,米波雷達(dá)一般設(shè)計為長重復(fù)周期脈沖工作方式,確保距離上目標(biāo)不模糊,同時采用短重復(fù)周期脈沖對長重復(fù)周期脈沖進(jìn)行補(bǔ)盲,補(bǔ)盲探測范圍一般在幾十千米?？梢?對于較近距離的低空目標(biāo),雷達(dá)探測經(jīng)常使用能量較小的短重復(fù)周期脈沖進(jìn)行探測。所以針對近程低空目標(biāo)探測,雷達(dá)可通過優(yōu)化資源,增加近距離目標(biāo)探測的能量,靠能量積累來彌補(bǔ)仰角波束上翹的能量損失[6]。由于補(bǔ)盲脈沖探測距離很近,一般僅占用系統(tǒng)資源的百分之幾,即使成倍增加資源,也對系統(tǒng)整體的資源需求影響不大。所以,米波雷達(dá)近距離低空探測波束上翹問題并不可怕,可通過補(bǔ)盲脈沖能量的適當(dāng)分配,提高對“低慢小”目標(biāo)的探測性能。

近區(qū)“低慢小”目標(biāo)檢測易受地雜波、仙波等影響,增加相干處理時間,提高多普勒分辨能力是提高雜波中檢測能力的有效手段之一。采用MIMO工作方式,發(fā)射寬波束,接收多波束同時處理,相干積累處理時間處理長,具有雜波中檢測慢速目標(biāo)能力強(qiáng)的潛在優(yōu)勢。

復(fù)雜氣象引起的仙波是雷達(dá)探測中的常見現(xiàn)象,其回波特征從脈壓波形上看和常規(guī)目標(biāo)沒有區(qū)別,運(yùn)動速度一般小于200 km/s且非常穩(wěn)定。圖2為實際探測的典型仙波多普勒特征分布圖,可見仙波速度非常穩(wěn)定,最多不跨越兩個多普勒通道,以92%的概率穩(wěn)定在一個通道內(nèi)。另外,仙波一般顯示為多批目標(biāo)同一方向運(yùn)動。MIMO雷達(dá)速度分辨率高,可利用上述特征有效濾除仙波。圖3給出了仙波環(huán)境下探測效果,可見真實民航目標(biāo)航跡可從仙波航跡中分辨出來(圖中圓圈標(biāo)記的航跡為仙波群)。

圖2 仙波多普勒特征分布圖

圖3 仙波群觀測畫面

3 抗干擾能力分析

米波雷達(dá)遭受的有源干擾主要是壓制式干擾、欺騙式干擾及混合干擾。米波MIMO雷達(dá)對欺騙式干擾和壓制式干擾的處理有著自身的特點(diǎn)。

現(xiàn)代雷達(dá)系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計主要從反偵察和抗干擾兩個方面進(jìn)行。從反偵察的角度來說,MIMO雷達(dá)由于各天線陣元發(fā)射正交波形,在空間各向疊加結(jié)果不同,干擾機(jī)從不同方位接收到的雷達(dá)波形各異,且形狀復(fù)雜(如圖4所示),非常規(guī)脈沖雷達(dá)矩形脈沖信號導(dǎo)致干擾機(jī)的偵察設(shè)備無法準(zhǔn)確偵察脈沖前沿信號,即使干擾機(jī)能截獲轉(zhuǎn)發(fā)某一方位的信號,由于MIMO雷達(dá)處理在空間各方向的空間匹配濾波函數(shù)均不相同且正交,干擾機(jī)難以對MIMO雷達(dá)形成良好的欺騙效果。

圖4 MIMO雷達(dá)波形圖

對于壓制式干擾,MIMO雷達(dá)采取的措施和常規(guī)雷達(dá)措施相似,主要手段是副瓣對消(SLC)和低副瓣設(shè)計[7]。其中,副瓣電平基本是由天線的物理形式?jīng)Q定。副瓣對消處理的核心是利用輔助通道接收到的干擾信號來估計主通道的干擾信號。對于平穩(wěn)的干擾信號在休止期采集干擾信號是可行的,但現(xiàn)代干擾越來越靈巧,休止期可能采集不到合適的干擾,或不能準(zhǔn)確反映干擾情況。因此,工程上也可在非休止期進(jìn)行干擾對消,但這會帶來目標(biāo)信號損失。為減少目標(biāo)信號損失,常采用自適應(yīng)對消處理方法(A-A)改善副瓣對消性能。MIMO雷達(dá)形成多波束同時覆蓋觀測方向,在觀測某一方向時,可以利用其他方向干擾的主波束作為輔助波束,進(jìn)行A-A對消處理,而不需要額外增加輔助波束。Brookner認(rèn)為由于主通道和輔助通道的指向不同,故空間匹配濾波系數(shù)不同。因此,MIMO雷達(dá)的輔助波數(shù)通道的采集的干擾經(jīng)過匹配濾波后,和主通道干擾相關(guān)性差,不能實施干擾對消。實際上,MIMO雷達(dá)也可用A-A處理,只須在匹配濾波前即在數(shù)字波束形成時進(jìn)行干擾對消處理即可。

Brookner還提到,MIMO雷達(dá)對常規(guī)壓制式干擾,并無特別優(yōu)勢。但是,MIMO雷達(dá)由于采用復(fù)雜波形,對抗含有欺騙式干擾“基因片段”的靈巧式干擾效果突出。如圖5仿真所示,35°方向欺騙干擾經(jīng)過MIMO雷達(dá)在30°方向處理后,無法獲得脈沖壓縮增益。可知欺騙式副瓣干擾對雷達(dá)無法達(dá)到理想效果。圖6給出了相同工作頻段的米波雷達(dá)和米波MIMO雷達(dá)在欺騙式副瓣干擾條件處理實際時域脈沖壓縮后處理的結(jié)果,欺騙式干擾被MIMO雷達(dá)處理后已被噪聲化,無法形成有效干擾。

表1給出了米波MIMO雷達(dá)在密集假干擾下的探測航跡統(tǒng)計(不采用副瓣對消抗干擾措施,以二次雷達(dá)目標(biāo)為真值),可見,密集假干擾對米波MIMO雷達(dá)欺騙干擾效果有限,虛假目標(biāo)出現(xiàn)較少,當(dāng)干擾超過25 d B時雷達(dá)探測目標(biāo)數(shù)減少了一半以上,并沒有出現(xiàn)虛假目標(biāo)。這是因為隨著干擾功率的加大,密集假目標(biāo)產(chǎn)生的干擾效果與壓制式干擾效果類似,MIMO雷達(dá)可以利用典型的對消(SLC)處理進(jìn)行抑制。

圖5 30°波位對不同方向轉(zhuǎn)發(fā)式干擾處理對比

圖6 密集假時域處理對比圖

表1 密集假目標(biāo)干擾處理結(jié)果

4 測高精度分析

測高精度是三坐標(biāo)雷達(dá)的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)。Li Jian認(rèn)為,MIMO雷達(dá)由于增加了發(fā)射自由度,其測高精度將比常規(guī)相控陣?yán)走_(dá)提高M(jìn)(發(fā)射陣元數(shù))倍。Brookner對此進(jìn)行分析[8]后認(rèn)為,相同孔徑的MIMO雷達(dá)的角度分辨率較相控陣?yán)走_(dá)提高倍。Brookner論述的觀點(diǎn)是對的。下面重點(diǎn)分析MIMO雷達(dá)測高精度能提高的本質(zhì)原因。

眾所周知,常規(guī)米波雷達(dá)受地面多徑效應(yīng)影響,測高精度差。當(dāng)前,米波雷達(dá)低仰角測高主要通過超分辨、最大似然算法[9]等進(jìn)行。

考慮多徑效應(yīng),接收信號為

式中,S為信號的波形,N為接收機(jī)內(nèi)部噪聲矢量。

設(shè)方向矢量Ar為

式中,R i為多徑回波距離,Rd為直達(dá)波回波距離。

得到仰角估計為

但這些算法受幅相校正誤差,特別是米波雷達(dá)復(fù)雜多徑環(huán)境的影響,實測數(shù)據(jù)的測高精度穩(wěn)健程度很差。故在工程實現(xiàn)時,對其基本算法進(jìn)行算法改良,如果對Ar(θ)作個變換:

式中,Ar(θ)為N×1的列向量。這個公式本質(zhì)上是把雷達(dá)陣面作個變換,相當(dāng)于以地面為鏡像,多徑信號受地面反射后進(jìn)入等效鏡面陣面。合成波束如圖7所示。此算法較最大似然算法穩(wěn)健,但帶來兩個問題:1)測高模糊。由于等效陣面副瓣高,且隨著雷達(dá)中心架高,柵瓣問題逐漸增多。在地面反射環(huán)境參數(shù)估計不準(zhǔn)確的情況下,柵瓣和主瓣的幅度相近,形成測高模糊;2)超低仰角測高能力弱。隨著仰角逐漸變低,低仰角波瓣寬度迅速增大,嚴(yán)重影響測高精度。

采用MIMO雷達(dá)將減小這兩個因素帶來的影響。MIMO雷達(dá)充分利用雷達(dá)發(fā)射陣元的自由度,其等效陣列導(dǎo)向矢量[10]為

式中,AMIMO(θ)為(N×M)×1維列向量,kron為Kronecker積,式(3)表示的是MIMO雷達(dá)收發(fā)雙程波束等效合成矢量。

將合成導(dǎo)向矢量運(yùn)用到MIMO雷達(dá)測高得

由圖8可見,MIMO雷達(dá)天線方向圖在低仰角為非高斯形狀的波形,波束寬度減小大約2倍。在信噪比相當(dāng)?shù)那闆r下,測高精度可提高大約2倍。

圖7 合成矢量測高典型圖

圖8 MIMO合成矢量測高和常規(guī)波瓣測高對比

由上文分析,可以得出結(jié)論:米波MIMO雷達(dá)測高精度仍然由功率和俯仰孔徑?jīng)Q定,相同功率和孔徑下,米波MIMO雷達(dá)相對常規(guī)米波雷達(dá)測量精度可提高40%。

5 結(jié)束語

MIMO雷達(dá)是目前雷達(dá)研究熱點(diǎn)之一,但目前少有文獻(xiàn)分析其特點(diǎn),缺少解決雷達(dá)工程使用和設(shè)計的關(guān)鍵問題分析,本文結(jié)合米波雷達(dá)MIMO具體試驗進(jìn)行分析?？梢?米波MIMO雷達(dá)在保持反隱身性能的同時,對低慢小目標(biāo)探測、反欺騙干擾、低仰角測高等方面有著獨(dú)特的優(yōu)勢。這些工作對于米波MIMO雷達(dá)設(shè)計將具有一定指導(dǎo)意義。

感謝中國電科第三十八所張遠(yuǎn)研究員、郭妍利工程師及空軍裝備研究院李建勛高工、李增輝博士對本文的支持。

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