机载UWB数字阵列SAR系统技术研究

摘要:合成孔径雷达作为一种无线电装备,也必然遵循从模拟到数字再到软件化的发展道路。数字阵列SAR/MTI雷达可以克服常规SAR/MTI雷达的瓶颈问题,具有许多常规SAR/MTI系统所不具备的优势。首先介绍了常规数字阵列雷达的优势;然后从工作体制的选择、系统的组成和关键技术等方面对机载UWB数字阵列的系统设计进行了详细的阐述;最后给出了飞行试验和地面试验验证的结果。

关键词:数字阵列雷达;多输入多输出(MIMO);合成孔径雷达;数字波束形成

0 引言

数字阵列雷达是一种收、发均采用数字波束形成技术的全数字化相控阵雷达,它在数字域实现幅相加权,即数字波束形成(DBF)。数字阵列雷达将接收机前移,上行通过数字频率直接合成器(DDS)移相产生不同相移的信号,上变频到射频天线单元从而进行波束合成;下行靠接收机将信号放大滤波,A/D采样后,在数字域形成所需接收波束。数字阵列雷达每个通道发射及接收波形所需要的幅相数据等参数均单独可控,因而波束形成灵活、准确。数字阵列雷达是相控阵雷达发展到数字化阶段的必然产物,是数字技术和阵列天线技术的完美结合[1-6]。国际著名雷达专家Eli Brookner曾指出:“摩尔定律的进步使得数字波束形成(DBF)及其众多的先进能力变得切实可行。现在可以在2 500个单元阵列上实现单元级的DBF,这是一项重大突破!”

相对于DBF技术在地基和空基目标探测雷达系统中的应用,DBF技术运用于SAR系统研究稍晚一些。1989年,日本三菱电气公司的Takahiko Fujisaka等就提出了将DBF天线用于侧视SAR的设想;1999年,德国卡尔斯鲁厄大学的M.Younis和W.Wiesbeck提出了机载接收DBF SAR概念;2000年,他们又提出将接收DBF技术用于前视SAR;2001年,W.Wiesbeck提出了软件化雷达传感器(SDRS)的概念;2003年,德国DLR的G.Krieger等探讨了DBF技术在双/多基地SAR方面的应用潜力;2006年,G.Krieger等结合现有的T/R组件技术,将多维波形编码技术和DBF技术相结合,提出了收发DBF SAR概念;2007年,M.Younis等提出了DBF MIMO SAR的概念;2008年,德国FGAN-FHR的J.Klare将DBF MIMO SAR技术应用于UAV ARTINO进行真三维下视成像;2012年,G.Krieger对DBF MIMO SAR技术的新概念进行了探讨,给出了DBF MIMO SAR实现宽观测带成像的工作原理。

DBF SAR/MTI雷达系统作为一种新型的多功能雷达系统,主要面向战场侦察需求,力求快速、高效完成广域监视、热点高精度侦察、动目标指示等任务,采用DBF技术后,雷达系统工作能力将显著提升,除了提升传统的SAR/MTI工作模式的性能之外,还可实现同时多模式、同时多任务[3-6]。本文首先介绍了常规数字阵列雷达的优势,然后重点阐述了UWB数字阵列SAR雷达的设计要素,最后给出试验验证的结果。

1 数字阵列SAR的优势

合成孔径雷达的发展主要经历了无源阵列、有源相控阵以至数字相控阵,图1给出了雷达体制发展的趋势。无源阵列雷达需借助于机械方式进行波束指向控制,不仅扫描精度低,波束指向不灵活,而且需伺服机构进行驱动。有源相控阵雷达发射波形由模拟波束形成网络和T/R组件进行收发,极大地提高了波束扫描捷变能力,但由于存在工作模式单一,高分辨率与宽观测带之间矛盾突出。数字阵列SAR是一种依靠数字方式实现波束形成的技术,利用数字加权取代射频衰减器,利用数字移相取代移相器,分别将数字的幅度权值、相位权值加载至每一路输入/输出信号中。它保留了天线阵列单元信号的全部信息,并可以构成空间受控的一个或多个定向波束,从而获得优良的波束性能。

与传统的雷达相比,数字阵列雷达性能上具有如下优点:1)大的动态范围;2)容易实现多波束;3)宽带宽角扫描情况下,容易解决孔径渡越问题;4)低损耗、低副瓣;5)低角测高精度高;6)系统任务可靠性高;7)扩展性好;8)具备自适应抗干扰能力。由于具有无可比拟的优势,DBF技术在目标探测雷达中已获得广泛应用。接下来,重点分析给出数字阵列SAR较之模拟相控阵SAR的性能对比,详细的性能对比如表1所示。

表1 两种体制SAR性能比较

2 系统设计

接下来从工作体制选择、系统组成及关键技术等方面阐述机载UWB数字阵列SAR系统的设计要素。

2.1 工作体制选择

系统技术体制选择主要包括距离向一维DBF技术体制、方位向一维DBF技术体制、距离向DBF和方位向MIMO相结合技术体制,以及二维DBF体制等,主要性能优缺点对比如表2所示。

本系统采用低频段UWB雷达系统,由于雷达波长长,考虑到雷达同时多模式、同时多功能的需求,以及装机的可行性,采用方位向一维DBF体制。

表2 不同体制数字阵列SAR性能对比

2.2 系统组成

雷达系统主要由两个互联的子系统构成,即数据获取子系统和数据处理子系统。其中,数据获取子系统即数字阵列天线。数据获取系统实质上是把传统的有源相控阵天线阵面与中央电子设备进行了单元级或子阵级的集成,完成波形产生与激励发射、射频接收、数据采集与数字波束形成。在“机电热一体化”的创新系统集成技术支撑下,每个数字阵列单元或数字子阵都是完整的小型化宽带发射和接收雷达系统,即微机电系统。数据处理子系统包括实时信号处理单元、任务管理单元和数据记录单元三大部分,其他的试验系统还包括环控设备、电源单元、惯导系统等。图2给出了机载UWB数字阵列SAR系统组成框图。

2.3 关键技术

从本文前面的分析可以看出,数字阵列SAR系统性能优势明显,但受宽带数字阵列天线工程设计、宽带数据传输与处理能力、多维波形编码技术等因素限制,工程实现上具有较大的技术难度,主要在于:1)工程上研制出天线辐射线阵级或单元级大小的宽带数字阵列天线模块的技术难度客观存在,主要是宽带微小型化发射脉冲激励信号产生与接收前端电路模块的设计,另外天线阵面微波电路、中频模拟电路、数字电路的机电热一体化设计实现具有一定的难度;2)随着SAR雷达分辨率要求的提升,雷达瞬时信号带宽达到1 GHz以上,若采用单元级DBF体制,通道数目高达数百个的DBF SAR系统的数据量高达数百GB/s量级,必须研究海量DBF数据的机上处理和存储技术;3)实现高分辨率宽观测带SAR成像、快速广域GMTI扫描、多目标跟踪和同时扫描/跟踪、同时多模式、同时多任务等功能,需要在满足灵活捷变和自适应能力的条件下,设计出适合多维空时耦合波形编码的信号形式和多维空时编码的实现方法。

2.3.1 宽带数字阵列模块(DAM)设计技术

数字阵列模块(DAM)是数字阵列体制雷达的基本单元,是一种全新的微波、模拟与数字电路高度集成的多通道数字化收发模块。单个DAM既有高功率部分又有低功率部分,既有模拟部分又有数字部分。宽带DAM的关键技术有高密度系统集成技术、电路结构三维立体化安装、有源变频技术、一体化数字收发技术、电磁兼容技术、自动测试技术、结构及热设计技术等。

另外,应用于成像雷达的DAM模块,需要具备瞬时大带宽的收发;另外要求具有雷达和通信等多种功能,且需实现同时多模式和同时多任务,这要求DAM模块支持任意波形编码能力,能够产生较复杂的通信调制波形,除了常规的线性调频、非线性调频等信号之外,还需产生支撑通信功能的BPSK,QPSK,MSK,GMSK等调制信号,系统采用“FPGA+DAC”的方案实现灵活的波形产生。图3为宽带数字阵列模块的原理框图和实物图,工作于P波段,最大瞬时工作带宽为200 MHz,通道数为8个。

2.3.2 宽带数字阵列SAR波束形成技术

宽带数字阵列SAR系统采用数字波束形成方式实现收发波束形成,即通过控制每个辐射单元DDS产生的波形初相来实现发射波束空间合成,通过对每个阵元接收到的信号进行加权实现期望的接收波束。收发波束形成的波束控制均由通用模块化的波束形成器插件来完成。

宽带数字阵列SAR波束形成技术主要涵盖两个方面,多通道幅相校正技术和多波束形成技术。数字阵列的多通道特点必须进行通道幅相误差补偿,以确保通道间的幅相一致性,否则将严重影响天线方向图特性等,主要表现在:①距离向压缩特性不一致,包括距离主瓣对齐误差、主副瓣幅度误差;②方位多普勒域频谱幅度不一致、频谱相对畸变、通道间相对相位误差,以及相位差沿距离向的空变性;③通道间相位中心间距的偏差。数字阵列SAR在数字域进行通道幅相误差补偿,相比于模拟相控阵SAR,不仅可以校正由天线方向图不一致、通道接收器件特性不一致等导致的通道间距离、方位出现幅相误差,而且可以在数字域实现对平台速度不稳定、实时天线姿态变换引起的幅相误差进行高精度校正。图4给出了数字阵列雷达校正试验中的多通道幅相校正结果,其中相位误差精度可达5°,幅度误差精度可达0.5 dB。

系统采用一维均匀线阵,假定阵元数为N,阵元间距为d,波长为λ,波束指向为θ,锥化系数为w,x为阵元坐标,y为合成结果,在均匀加窗的情况下接收和发射波束形成运算为

发射波束形成常用相位加窗的方法展宽发射波束,接收波束形成常用幅度窗增加波束的主副比。加窗波束形成为

2.3.3 多维波形编码技术

宽带数字阵列SAR/MTI系统总体设计最核心的内容是如何充分优化雷达波束、波形等空时参数,发掘雷达体制优势,最大程度发挥宽带数字阵列SAR/MTI系统的潜力,以达到性能的最优化。如何在宽带数字阵列SAR/MTI系统设计上充分发挥数字阵列体制优势是总体设计研究的重要内容之一。

本项关键技术将主要研究同时发射与分时发射、频分正交与码分正交、相位编码与频率编码等不同设计策略,提出适合不同功能以及同时多功能所需求的波形编码。多维波形编码技术的主要难点是适合不同工作模式的波形选择和设计,不仅需要考虑发射波形的工程可实现性,而且需要考虑接收解模糊解耦合处理,以完成接收端混叠信号的分离。表3列出了不同维度波形编码的对比,在多维波形编码的“空-时-频-码”四个维度上,相比较而言,“码分”具有占用资源少、易实现同时多模式等诸多优势,是缓解资源占用和应用需求之间矛盾的有效手段之一。“码分”是经过特殊编码设计的一组信号波形,具有较好的正交特性,同时便于产生发射和接收分离,多通道回波合成后具有以下特性:①良好的模糊函数特性;②较强的邻带信号干扰抑制性能;③较低的匹配滤波旁瓣;④一定的多普勒非敏感性,能够满足不同功能或同时多功能应用需求。

表3 不同维度波形编码

图5给出了DBF SAR同时多模式多任务示意图,图6给出了用于雷达通信一体化的“空-时-频”多维波形编码。

2.3.4 雷达通信一体化技术

雷达系统和通信系统的工作原理都是电磁波的发射和接收过程,在系统架构的组成上表现为两者子系统有相当大的重叠,例如天线、发射机、接收机、信号处理器等。所不同的只是在信号的频带和信号波形的形式上,只要增加某些频率转换系统和信号变换电路等就可使雷达资源为通信所共用,使雷达和通信实现一体化。雷达与通信一体化系统集多种功能于一体,在体积、重量、电磁信号特征等方面比独立的雷达和通信系统更具优势,因此雷达与通信一体化装备的平台适应性也比较强,适合于各类飞机、飞艇以及舰艇等平台。

雷达通信一体化设计需要解决天线孔径、DAM模块等硬件资源共用问题,根据所需实现的功能,通过频谱、时间和空间资源的合理调度,实现硬件资源的共用。为实现大容量信息数据传输,通信系统必须以相应的模式工作。机载通信一体化系统主要由阵列天线、DAM模块及任务管理分系统等分系统组成。其中,雷达的天线阵列、DAM模块与通信共用,通信基带处理与雷达信号处理一体化设计,通信信息接口为通信系统专用。雷达通信一体化系统机载部分原理图和通信应用示意图如图7所示。

3 试验验证

中国电科38所研制了机载UWB数字阵列SAR/GMTI系统原理样机系统,突破了宽带数字阵列模块技术、宽带数字阵列波束形成技术和数字阵列系统幅相校正等关键技术,并以运-7为载机平台开展了若干架次飞行试验,获取了大量运动目标检测数据,初步验证了数字阵列SAR的优势。图8为运-7试验平台照片,图9为飞行试验结果,其中图9(a)为1.5 m分辨率SAR图像,图9(b)为方位向的剖面图,峰值旁瓣比(PSLR)为-20.17 d B,积分旁瓣比(ISLR)为-14.916 6 d B,分辨率为1.485 m。

利用机载UWB数字阵列SAR/GMTI系统开展了雷达通信一体化的地面试验验证。同时多任务(SAR与通信一体化)主要基于数字阵列任意波形编码能力实现,基于数字阵列系统QPSK通信调制信号输出,如图10所示,实现数据率10 Mbit/s(SAR雷达工作带宽为100 MHz,分辨率优于1.5 m),G/T值优于-22.5 d B/K。

4 结束语

数字阵列SAR/MTI系统采用数字化、软件化处理取代硬件实现,具有许多常规SAR/MTI系统所不具备的优势。但受宽带数字阵列天线工程设计、宽带数据传输与处理能力、多维波形编码技术等因素限制,工程实现上具有较大的技术难度(特别针对高频段雷达)。随着微系统、光电子、计算机、通信技术的快速发展,数字阵列雷达结构将会更加合理,使用成本将更低,从而最终取代模拟相控阵技术。

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Abstract:As a radio equipment,synthetic aperture radar follows the path of development from analog to digital and then to software.Digital array SAR/MTI radar can overcome the bottlenecks in conventional SAR/MTI radar and has many advantages that conventional SAR/MTI system does not have.This paper firstly introduces the advantages of conventional digital array radar,and then describes the design of the airborne UWB digital array radar system,including the structure,the form and the key technologies.Finally,the flight experiment results and the laboratory experiment results are showed.

Key words:digital array radar;multiple-input multiple-output(MIMO);synthetic aperture radar(SAR);digital beamforming(DBF)