王立兵,童 俊

(解放軍63961部隊(duì), 北京 100012)

0 引 言

極化作為電磁波的本質(zhì)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(chǎng)矢端在傳播截面上隨時(shí)間變化的軌跡特性。隨著目標(biāo)極化特性越發(fā)受到人們重視,多極化乃至全極化雷達(dá)除了在氣象探測(cè)、精確測(cè)控等領(lǐng)域外,逐步在各類(lèi)雷達(dá)上得到應(yīng)用[1-3]。多極化雷達(dá)通過(guò)對(duì)兩路正交極化信號(hào)進(jìn)行同步接收,依據(jù)使用需要分別經(jīng)過(guò)數(shù)字采樣后合成不同極化的探測(cè)結(jié)果,可有效增強(qiáng)對(duì)目標(biāo)的檢測(cè)性能、抗干擾能力和識(shí)別效果。

在提高雷達(dá)檢測(cè)性能方面,對(duì)隱身目標(biāo)或極化敏感目標(biāo),多極化探測(cè)可以有效解決目標(biāo)閃爍問(wèn)題。全極化的低頻段雷達(dá)綜合利用低頻段諧振效應(yīng)和多極化信息處理方法,利用多個(gè)極化通道并行聯(lián)合檢測(cè),提高探測(cè)隱身目標(biāo)的能力[4]。此外,利用極化信息改善低頻段雷達(dá)角度測(cè)量精度和提高識(shí)別性能也被列為值得探討的問(wèn)題[5]。

在提高雷達(dá)抗干擾性能方面,極化域是除時(shí)域、頻域、空域、能量域以外的第五個(gè)維度空間,可以加以利用,實(shí)現(xiàn)目標(biāo)回波信號(hào)和干擾信號(hào)的分離。通過(guò)對(duì)發(fā)射極化和接收極化進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化,并采用自適應(yīng)極化對(duì)消器進(jìn)行處理,可以改善雷達(dá)天線主瓣噪聲壓制式干擾下的目標(biāo)信干比[6]。交叉極化抗干擾數(shù)字陣列是一種能夠采集陣列口徑上不同波達(dá)方向極化信息的天線,聯(lián)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(shù)相結(jié)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(dǎo)引頭分辨率這一關(guān)鍵指標(biāo)得到有效提升[8]。

在提高雷達(dá)識(shí)別性能方面,極化信息里蘊(yùn)含了豐富的目標(biāo)形狀和結(jié)構(gòu)屬性信息,可以加以利用提取目標(biāo)特征,實(shí)現(xiàn)目標(biāo)識(shí)別功能。美國(guó)遠(yuǎn)程識(shí)別雷達(dá)在反導(dǎo)領(lǐng)域使用極化分集實(shí)現(xiàn)了罕見(jiàn)的S波段真假?gòu)楊^識(shí)別能力[9]。研究表明,極化不變量特征反映目標(biāo)幾何結(jié)構(gòu)上的差異,可用于識(shí)別形狀差異較大的目標(biāo)。由于姿態(tài)控制,彈頭存在自旋、進(jìn)動(dòng)等微運(yùn)動(dòng)特征,引起相對(duì)于雷達(dá)視線姿態(tài)角的周期性變化,導(dǎo)致極化不變量特征并非固定值,而是呈現(xiàn)平穩(wěn)時(shí)變特性;而碎片、球形誘餌等假目標(biāo)受控程度較差,加之大氣擾動(dòng)等因素影響,呈現(xiàn)快速翻滾運(yùn)動(dòng),導(dǎo)致極化特征呈現(xiàn)快速時(shí)變特性[10]。

為了獲取不同極化信息的得益,相控陣?yán)走_(dá)通常需要設(shè)置一對(duì)正交極化特性的天線進(jìn)行信號(hào)接收。相比于傳統(tǒng)單極化雷達(dá),多極化/全極化雷達(dá)一般采用單一極化發(fā)射、正交雙極化同時(shí)接收的方式,從而利用單幀波位的駐留時(shí)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(wú)損傳輸,極化雷達(dá)在單極化雷達(dá)的組成基礎(chǔ)上,需要增加一倍的接收通道數(shù),以采集相互正交的兩種極化分量,使得雷達(dá)陣面的體積過(guò)大、重量過(guò)重、成本過(guò)高,難以在各種領(lǐng)域普遍推廣應(yīng)用。因此,如何縮減極化雷達(dá)的接收通道數(shù)量,使其制造成本相較于常規(guī)單極化雷達(dá)不明顯增加,成為極化雷達(dá)廣泛工程應(yīng)用的關(guān)鍵。

本文提出了一種極化通道編碼(Pol-CC)數(shù)字陣列雷達(dá)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法,該方法突破了傳統(tǒng)極化雷達(dá)使用不同數(shù)字接收通道對(duì)不同極化的回波進(jìn)行采樣的設(shè)計(jì)思路,運(yùn)用通道編碼技術(shù)將不同極化信號(hào)進(jìn)行正交編碼調(diào)制混合后,通過(guò)一個(gè)數(shù)字通道進(jìn)行接收采樣,進(jìn)而在數(shù)字域再對(duì)每個(gè)信號(hào)進(jìn)行高保真恢復(fù)。該方法解決了極化雷達(dá)數(shù)字接收通道數(shù)量多、設(shè)計(jì)制造成本高的問(wèn)題,具有較高的工程應(yīng)用前景。

1 Pol-CC數(shù)字陣列雷達(dá)系統(tǒng)

1.1 通道編碼技術(shù)

通道編碼技術(shù)是在每個(gè)接收天線單元上對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行射頻調(diào)制,各單元間采用正交碼分復(fù)用和檢測(cè),然后對(duì)模擬合成的單通道信號(hào)進(jìn)行下變頻和采樣處理,利用各通道之間的正交性恢復(fù)各單元級(jí)接收信號(hào)而不產(chǎn)生相互干擾,其原理如圖1所示。

圖1 通道編碼數(shù)字陣列編解碼原理圖

其編碼/解碼過(guò)程如下:

1) 預(yù)先存儲(chǔ)、加載射頻通道1和射頻通道2對(duì)應(yīng)編碼器中的編碼。分別用c1(k)和c2(k)表示兩個(gè)射頻通道對(duì)應(yīng)的編碼序列,由于通道間的編碼應(yīng)是正交的,應(yīng)滿(mǎn)足

(1)

2) 對(duì)射頻通道接收信號(hào)進(jìn)行編碼。假設(shè)射頻通道1和射頻通道2的接收信號(hào)分別為s1(t)和s2(t),那么第i個(gè)射頻通道的接收信號(hào)經(jīng)過(guò)通道編碼后可表示為

(2)

式中:?為Kronecker積。

3) 通過(guò)合成網(wǎng)絡(luò)直接將不同射頻通道編碼后的信號(hào)混合。忽略接收機(jī)中下變頻、濾波等過(guò)程情況,接收機(jī)輸出信號(hào)uout即為各通道信號(hào)經(jīng)功分/合成器后的信號(hào),可表示為

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

(3)

4) 對(duì)混合信號(hào)進(jìn)行解碼。送至后端解碼模塊后,解碼器按照固定的時(shí)序,使用編碼時(shí)的通道編碼序列對(duì)混合信號(hào)進(jìn)行解碼。對(duì)于第i個(gè)數(shù)字通道,解碼時(shí)使用的解碼序列即為編碼序列ci(k),但不再計(jì)算Kronecker積,而是計(jì)算混合信號(hào)uout和編碼序列ci(k)的互相關(guān)函數(shù)。第i個(gè)數(shù)字通道解碼恢復(fù)可表示為

(4)

由式(4)可知,第i個(gè)數(shù)字通道解碼恢復(fù)信號(hào)ui等于第i個(gè)射頻通道接收信號(hào)si(t)的常數(shù)倍,且該常數(shù)K已知,因此可以完全恢復(fù)出原始信號(hào)的幅度和相位信息。

從上述的過(guò)程可以看出,通道編碼技術(shù)可通過(guò)對(duì)不同天線單元接收的信號(hào)進(jìn)行編碼,利用編碼信號(hào)的正交性在后端再次不失真地恢復(fù)出各天線單元通道信號(hào)。使用不同極化信號(hào)作為原始信號(hào),即可實(shí)現(xiàn)對(duì)不同極化信息的統(tǒng)一采樣傳輸,并在解碼恢復(fù)后重新分為不同極化信息,進(jìn)行極化合成與處理。

1.2 雷達(dá)系統(tǒng)架構(gòu)

Pol-CC數(shù)字陣列雷達(dá)系統(tǒng)主要由正交雙極化天線陣面、發(fā)射/接收(T/R)組件(含正交編碼模塊)、功分網(wǎng)絡(luò)、接收機(jī)(含正交解碼模塊)和后端處理設(shè)備組成。為了實(shí)現(xiàn)正交雙極化接收,T/R組件中選擇一種極化作為發(fā)射/接收切換通道,另一種極化僅進(jìn)行接收,但在各自的模擬通道中,均使用正交編碼模塊對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)制,以確保相互之間的正交性,系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。

圖2 極化通道編碼數(shù)字陣列雷達(dá)系統(tǒng)架構(gòu)圖

與傳統(tǒng)極化雷達(dá)相比,Pol-CC數(shù)字陣列雷達(dá)系統(tǒng)在天線陣面T/R組件內(nèi)的每個(gè)射頻通道上均增加了一個(gè)編碼模塊,并且在模/數(shù)(A/D)采樣后,需要使用解碼模塊進(jìn)行信號(hào)恢復(fù)。但由于解碼過(guò)程是在數(shù)字域完成的,因此僅消耗計(jì)算資源而不額外增加處理硬件。與此同時(shí),Pol-CC數(shù)字陣列雷達(dá)系統(tǒng)可以?xún)H使用1個(gè)A/D采樣器完成所有通道信號(hào)的數(shù)字采樣工作?？紤]到編碼器可以使用高速開(kāi)關(guān)器件予以實(shí)現(xiàn),而數(shù)字器件的價(jià)格明顯高于編碼器的價(jià)格,由此可看出該系統(tǒng)架構(gòu)在經(jīng)濟(jì)性上的優(yōu)勢(shì)。

2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了充分驗(yàn)證本文所提的Pol-CC數(shù)字陣列雷達(dá)系統(tǒng)在使用極化信息進(jìn)行探測(cè)時(shí)獲得的增益,使用某雷達(dá)在暗室環(huán)境下對(duì)某型彈藥進(jìn)行雷達(dá)散射截面(RCS)測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真驗(yàn)證。測(cè)量所使用的雷達(dá)工作于S頻段,包含有水平極化和垂直極化一對(duì)正交極化天線。在2.6 GHz～3.9 GHz頻率范圍內(nèi),分別測(cè)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(gè)頻點(diǎn)的雙極化測(cè)量回波數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn),水平極化(H極化)和垂直極化(V極化)情況下的回波數(shù)據(jù)幅度分別如圖3和圖4所示。

圖3 H極化接收通道信號(hào)幅度與相位圖

圖4 V極化接收通道信號(hào)幅度與相位圖

使用模擬退火算法生成碼長(zhǎng)為40的正交四相編碼序列,用于在模擬通道部分對(duì)上述的回波數(shù)據(jù)分別進(jìn)行調(diào)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(guān)函數(shù)和二者的互相關(guān)函數(shù)。從圖中可以看出,兩個(gè)序列之間正交性良好,互相關(guān)峰值約為-10 dB。

圖5 所選正交相位編碼序列的自相關(guān)和互相關(guān)函數(shù)

調(diào)制時(shí),每一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)均與其中一條正交編碼序列相乘,經(jīng)過(guò)調(diào)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(jīng)過(guò)調(diào)制后的混合信號(hào)。

圖6 調(diào)制后不同極化接收通道信號(hào)及混合信號(hào)幅度

接著使用調(diào)制時(shí)的正交編碼序列對(duì)疊加后的回波進(jìn)行互相關(guān)解調(diào)恢復(fù),解調(diào)后的信號(hào)幅度和相位如圖7所示。

圖7 解調(diào)后的不同極化信號(hào)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(fù)數(shù)的相位角;sX表示H極化或V極化的其中一種。

根據(jù)式(5)和式(6),統(tǒng)計(jì)其幅度和相位變化量的均值,如表2所示。

表2 通道編碼調(diào)制前后信號(hào)幅度和相位平均變化量

可以看出,經(jīng)過(guò)調(diào)制和解調(diào)后的信號(hào)回波基本沒(méi)有發(fā)生變化,說(shuō)明本文所提出的Pol-CC數(shù)字陣列雷達(dá)系統(tǒng)可以在將不同極化的信號(hào)經(jīng)過(guò)編碼調(diào)制后合并,通過(guò)一個(gè)A/D進(jìn)行采樣傳輸,并通過(guò)解碼將其各自的幅度和相位恢復(fù)。

分別將2.6 GHz～3.9 GHz、0°～180°的H極化和V極化測(cè)量回波數(shù)據(jù)逐一經(jīng)過(guò)上述調(diào)制-解調(diào)-脈沖壓縮后,得到RCS測(cè)量結(jié)果,分別如圖8a)和圖8b)所示。

圖8 某型號(hào)彈藥RCS測(cè)量結(jié)果

可以看出,當(dāng)觀測(cè)角小于60°時(shí),S頻段對(duì)該型號(hào)彈藥的RCS測(cè)量結(jié)果存在較明顯幅度差異。為了更好地展現(xiàn)這種差異性,以-27 dB為門(mén)限,標(biāo)記出上述測(cè)量結(jié)果大于-27 dB的區(qū)域,如圖9a)和圖9b)所示。

圖9 測(cè)量結(jié)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(duì)垂直分量,因此可按照式(7)將恢復(fù)得到的兩個(gè)極化分量進(jìn)行合成。

(7)

式中:|sS|代表極化合成后的信號(hào)幅度。

根據(jù)式(7),合成后的該型號(hào)彈藥RCS測(cè)量結(jié)果如圖10所示。同樣,以-27 dB為門(mén)限標(biāo)記出的結(jié)果如圖11所示。

圖11 合成極化結(jié)果中RCS>-27 dB情況分布圖

分別統(tǒng)計(jì)H極化、V極化和合成極化下RCS>-27 dB的測(cè)量結(jié)果,結(jié)果如表3所示。三種極化方式下,H極化探測(cè)時(shí)目標(biāo)RCS最小。合成極化方式相比于H極化測(cè)量結(jié)果,RCS>-27 dB的占比數(shù)提升了9.1%;相比于V極化測(cè)量結(jié)果,則提升了6.5%。

表3 不同極化測(cè)量結(jié)果中RCS>-27 dB的統(tǒng)計(jì)情況

合成極化測(cè)量結(jié)果比垂直極化測(cè)量結(jié)果提升的情況如圖12所示。圖中深藍(lán)色區(qū)域?yàn)闊o(wú)變化區(qū)域,淺藍(lán)色區(qū)域?qū)CS測(cè)量的提升效果在5 dB以下,綠色區(qū)域則提升了5 dB～10 dB,黃色區(qū)域提升10 dB以上。經(jīng)統(tǒng)計(jì),在20°～40°觀測(cè)角范圍內(nèi)有7.4%的區(qū)域RCS提升效果大于5 dB。

圖12 合成極化相對(duì)于V極化的提升效果

上述實(shí)驗(yàn)表明,使用本文所提出的Pol-CC數(shù)字陣列雷達(dá)系統(tǒng),可在一對(duì)正交極化通道僅使用一個(gè)數(shù)字采樣的情況下,獲得明顯的雷達(dá)探測(cè)增益,有效提升雷達(dá)效費(fèi)比。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文所提出的Pol-CC數(shù)字陣列雷達(dá)系統(tǒng)可有效降低全極化雷達(dá)的制造成本,生成的全極化信息提升了雷達(dá)對(duì)于目標(biāo)極化特性的利用能力,可較大程度提升雷達(dá)對(duì)目標(biāo)的探測(cè)性能和抗干擾性能。該方法突破了傳統(tǒng)極化雷達(dá)需通過(guò)各自對(duì)應(yīng)的數(shù)字接收通道進(jìn)行模/數(shù)變換的設(shè)計(jì)思路,解決了多極化雷達(dá)數(shù)字接收通道數(shù)量多、設(shè)計(jì)制造成本高的問(wèn)題,促進(jìn)了極化信息在雷達(dá)中的普遍應(yīng)用,在幾乎不增加成本的情況下,提升了雷達(dá)在極化域的靈活性,具有較大的工程應(yīng)用前景。