分布式阵列相参合成雷达(DCAR)原理概述
随着人们对雷达探测为例、探测精度要求的不断提高,由此诞生了一批大口径雷达,例如美国的SBX雷达,其雷达的天线口径多达22.1m,系统总重量超过5万吨。如此庞大的雷达系统倘若布置在路基上,将难以机动部署,因此无法满足战时对雷达机动部署能力的要求。同时,大口径雷达还具有造假成本高、对器件的工艺要求高等缺点。
引言
为了客服大孔径雷达的这些固有缺点,美国麻省理工学院的林肯实验室在2003年提出了分布式孔径全相参雷达的概念:将多个雷达或阵列分散布设,通过对多部雷达的回波进行信号层次的融合,以达到大孔径雷达的性能。通常地,一个有N部单元雷达所构成的分布式全相参雷达,相对于单部雷达而言,其最大输出信噪比可以提高N^3倍。
分布式全相参雷达相对于常规大口径雷达而言,由于其单元雷达天线口径的减小,因而更为容易地实现机动部署。同时,还降低了雷达成本以及对器件的工艺复杂度和精度的要求等。因而,它逐渐地引起了人们的重视。
发展现状
2003年,林肯实验室首次提出将分布式阵列相参合成雷达(DCAR)作为美国下一代或新一代弹道导弹防御雷达。截至目前,美国已经大力发展具有该技术特征的前置雷达(FBX-T)和宙斯盾反导系统(AEGIS BMDs)。其中,前置雷达规划了18部并已经部署了其中的三部,宙斯盾舰群已经全面开展了反导改造,目前已经完成了20余艘改造,并计划逐步完成剩下的80余艘宙斯盾舰的反导改造。前置雷达可以作为分布式阵列相参合成的单元雷达,首先进行地基分布式;而宙斯盾反导系统的舰载雷达也可作为分布式相参合成的单元雷达,进而拓展进行海基分布式。
目前,国内对分布式阵列相参合成雷达的研究尚处于起步阶段,但该技术的潜在优势和应用前景已经引起了航天二院23所、南京14所、清华大学、西安电子科技大学、北京理工大学、成都电子科技大学等国内各大研究所和高等院校的关注,并开展了前期概念研究,取得了一定的初步研究成果。
工作原理
分布式阵列相参合成雷达系统由若干机动部署的单元雷达和一个中心控制处理系统组成,这些单元雷达按照一定方式进行阵列布局(可以一维布阵或者是二维布阵),其中波束指向相同的区域,并通过中心控制处理系统进行联合相参工作,从而实现信号级相参合成,等效成为一个大威力探测雷达。
需要指出的是:分布式阵列相参合成雷达概念,狭义上指短基线(<100m),单元雷达基本上在一块阵地,也成为密集分布式;广义上指长基线(几公里、甚至是几十公里),单元雷达相距非常远,也成为分散分布式,即信号级组网。一般来说,大家更为关注的是密集分布式。
分布式阵列相参合成雷达区别于常规雷达,每个单元雷达系统开始采用正交波形发射,每个单元雷达接收本雷达回波的同时,还接收其它单元雷达的回波,通过对所有发射波形分别同时进行匹配滤波接收处理,得到每个回波相对应的相位和延时,从而进行接收相参合成(receive coherence),从而获得N2的最大系统增益(其中N为单元雷达数目,下同),此时称之为接收相参模式;在接收相参模式的基础上,当相位和延时估计达到一定程度时,每个单元雷达开始发射同样的波形,并控制和调整多个单元雷达发射信号的时刻和相位,实现发射相参(transmit coherence),同时实现接收相参,这便是所谓的全相参(full coherence),此时可以获取N3的最大系统增益,称之为收发相参模式。
技术优势
分布式阵列相参合成雷达的主要技术优势包括:
- 生存力强,该雷达系统可以快速移动,及时变换真滴,相对固定大孔径雷达生存力较强;
- 消费比高,该雷达系统既能够要地部署,也可以前沿部署;
- 角分辨高,可以实现非常高的角度分辨力,实现高质量矢量TOM图。
- 识别能力强,该雷达系统容易实现大扫描角宽带目标成像,大范围识别能力强;
- 扩展性强,很容易实现功能扩展和威力扩展;
- 实现性好,单元雷达规模小,技术成熟,工程实现性好。
工作模式
分布式阵列相参合成雷达的工作模式主要有三种:
独立工作模式
每个单元雷达均独立工作,进行搜索、检测、跟踪和识别。该模式应用于目标距离小于单元雷达威力范围时,或加时间积累的远距离探测。
接收相参模式
单元雷达发射正交波形,进行延时和相位估计,实现N2的最大系统增益。
收发相参模式(全相参)
在接收相参模式基础上,进行延时和相位精确控制,发射相同波形,实现收发相参,仍然进行参数估计和控制,实现N3的最大系统增益。
需要指出的是,这是分布式阵列相参合成雷达所独有的常态化模式,是MIMO等雷达所不具备和无法实现的,在这点上比MIMO雷达理论技术层次要高。
在全相参模式下,分布式阵列相参合成雷达的威力等效于一个同功率孔径积的打针面相控阵雷达的威力。或者是,它将一个大阵面雷达划分成为若干个小阵面雷达,“化整为零”,核心是空间积累。
关键技术
- 正交波形的设计与处理技术
- 延时与相位的估计与检测技术
- 分布式阵列优化布局与稀疏测角技术
- 分布式时间同步与本振相参技术