分布式孔径相参合成雷达技术

鲁耀兵 高红卫 周宝亮

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分布式孔径相参合成雷达技术

    作者简介: 鲁耀兵(1965–),男,博士,研究员,博士生导师,北京无线电测量研究所科技委主任,主要研究方向为雷达系统总体设计。E-mail: luyaobing65@163.com;高红卫(1980–),男,博士,高级工程师,北京无线电测量研究所总体部副主任,主要研究方向为雷达系统总体设计与信号处理。E-mail: hwg_ycc@126.com;周宝亮(1985–),男,博士研究生,工程师,北京无线电测量研究所总体部/研发中心,主要研究方向为分布式相参合成雷达总体技术研究。E-mail: zbluestc@126.com.
    通讯作者: 鲁耀兵, luyaobing65@163.com
  • 基金项目:

    国家部委基金

  • 中图分类号: TN957.51

Distributed Aperture Coherence-synthetic Radar Technology

    Corresponding author: Lu Yaobing, luyaobing65@163.com ;
  • Fund Project: The National Ministries Foundation

    CLC number: TN957.51

  • 摘要: 作为一种新体制雷达,分布式孔径相参合成雷达通过多孔径分散布置以及电磁波空间能量合成,实现雷达大威力高精度探测,是解决平台约束与探测性能矛盾的有效手段,具有生存能力强、效费比高、角分辨率高、扩展性强、实现性好等技术优势,是雷达重要的发展方向。该文对分布式孔径相参合成雷达的工作原理、技术优势、国内外发展现状和关键技术进行了阐述,重点介绍了相关的原理验证试验,并对该雷达技术的发展方向及典型应用进行了展望。
  • 图 1  分布式孔径相参合成雷达示意图

    Figure 1.  Distributed aperture coherence-synthetic radar

    图 2  接收相参阶段原理示意图

    Figure 2.  Principles of receive-coherence

    图 3  收发相参阶段原理示意图

    Figure 3.  Principles of transmit-receive-coherence

    图 4  林肯实验室分布式孔径相参合成实验系统

    Figure 4.  The Distributed Aperture Coherence-synthetic Radar experimental systems of Lincoln Laboratory

    图 5  用于分布孔径相参实验的AN/MPS-36雷达系统

    Figure 5.  The AN/MPS-36 radar system for distributed aperture coherence synthetic experiment

    图 6  高SNR下的分布式相参合成线馈试验

    Figure 6.  The Distributed Aperture Coherence synthetic line feed experiment (high SNR)

    图 7  低SNR下的分布式相参合成线馈试验

    Figure 7.  The Distributed Aperture Coherence synthetic line feed experiment (low SNR)

    图 8  C波段两单元相参合成空馈试验

    Figure 8.  C-band two units coherence synthetic space feed experiment

    图 9  相参合成增益改善

    Figure 9.  Coherent synthesis gain improvement

    图 10  分布式孔径相参合成雷达原理样机实物图

    Figure 10.  Distributed Aperture Coherence-synthetic Radar prototype

    图 11  飞机目标相参合成试验

    Figure 11.  Aircraft target coherence synthetic experiment

    图 12  卫星目标相参合成试验

    Figure 12.  Satellite target coherence synthetic experiment

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出版历程
  • 收稿日期:  2017-02-14
  • 录用日期:  2017-02-28
  • 网络出版日期:  2017-03-22
  • 刊出日期:  2017-02-28

分布式孔径相参合成雷达技术

    通讯作者: 鲁耀兵, luyaobing65@163.com
    作者简介: 鲁耀兵(1965–),男,博士,研究员,博士生导师,北京无线电测量研究所科技委主任,主要研究方向为雷达系统总体设计。E-mail: luyaobing65@163.com;高红卫(1980–),男,博士,高级工程师,北京无线电测量研究所总体部副主任,主要研究方向为雷达系统总体设计与信号处理。E-mail: hwg_ycc@126.com;周宝亮(1985–),男,博士研究生,工程师,北京无线电测量研究所总体部/研发中心,主要研究方向为分布式相参合成雷达总体技术研究。E-mail: zbluestc@126.com
  • 北京无线电测量研究所   北京   100039
基金项目:  国家部委基金

摘要: 作为一种新体制雷达,分布式孔径相参合成雷达通过多孔径分散布置以及电磁波空间能量合成,实现雷达大威力高精度探测,是解决平台约束与探测性能矛盾的有效手段,具有生存能力强、效费比高、角分辨率高、扩展性强、实现性好等技术优势,是雷达重要的发展方向。该文对分布式孔径相参合成雷达的工作原理、技术优势、国内外发展现状和关键技术进行了阐述,重点介绍了相关的原理验证试验,并对该雷达技术的发展方向及典型应用进行了展望。

English Abstract

    • 近年来,随着应用领域的不断拓展和应用层次的不断深入,对雷达系统性能提出了更高的要求,分布式孔径相参合成雷达通过有效利用多个孔径的空域和能量域等资源,显著提升雷达系统的探测距离和测量精度,同时具有生存能力强、效费比高、角分辨率高、扩展性强和实现性好等诸多技术优势,已经成为现代雷达发展的重要方向和研究热点之一。

      事实上,雷达自问世开始,就具有分布式属性。从分布式孔径相参合成雷达的发展历程看,其发展过程大致可分为以下4个阶段:(1)双/多基地雷达。1922年,美国海军飞机实验室利用架设在河流两岸收发分置的无线电传播设备,成功探测到河中航行的木船,这是有关双基地雷达实验的最早记录。(2)自聚焦阵列雷达。1964年,Eberle介绍了分布式孔径的深空探测雷达系统[1],该系统由4个独立的30英尺抛物面天线组成,利用分布式孔径来增加系统灵敏度和减少大气扰动影响,以支持人造卫星进行深空通信和遥测。深空探测雷达通过自适应相位处理,可获得N倍的接收合成增益(N为孔径数目),得到与同口径大天线相同的性能。(3)MIMO雷达。1986年,法国国家航空航天研究院建设了综合脉冲孔径雷达(Synthetic Impulse and Antenna Radar, SIAR)[2],具有MIMO雷达的特点,因此被认为是MIMO雷达的雏形。2003年,林肯实验室正式提出MIMO(Multiple-Input Multiple-Output)雷达概念[3],与传统采用波束形成技术的相控阵雷达不同,MIMO雷达各雷达发射信号彼此正交,从而保证发射通道的相互独立,在接收端利用匹配滤波实现各路正交信号的分离,然后再进行接收信号的相参合成。(4)分布式孔径相参合成雷达。美国在发展反导大型X波段相控阵雷达(GBR-P, SBX等)的过程中认识到大孔径雷达受诸多因素制衡,比如生存能力差、效费比低、灵活性弱等。2003年,林肯实验室提出分布孔径相参合成雷达的概念[4]。分布式孔径相参合成雷达由若干小孔径雷达和一个中心控制处理系统组成,采用发射、接收全相参体制。林肯实验室进行了大量研究,开展了验证试验并取得了理想的效果[57]

      本文主要针对分布式孔径相参合成雷达技术进行介绍,首先,介绍该雷达的基本理论及其技术优势,然后,对实现孔径相参合成所需的关键技术进行阐述,接着,对本单位开展的原理验证试验进行了详细介绍,最后,对该雷达的发展前景进行了展望,并给出了该雷达的典型应用。

    • 分布式孔径相参合成雷达是一种通过中心处理机控制多个物理分离的子天线孔径,实现电磁波空间相参合成的雷达系统,如图1所示。各子孔径雷达按一定的基线准则与布阵理论进行阵列布局,由中心处理机统一控制调配,波束指向相同区域,并在中心处理机控制下进行收发相参工作,实现收发信号全相参,相参合成后的探测威力与一部具有相同孔径积的大型相控阵雷达等效,实现远距离搜索发现和高精度跟踪识别。

      图  1  分布式孔径相参合成雷达示意图

      Figure 1.  Distributed aperture coherence-synthetic radar

    • 分布式孔径相参合成雷达与常规雷达不同,为了获得相参处理参数,需要区分回波,目前可区分回波的手段有时分、频分、码分等多种手段,其中基于正交编码的正交波形(Orthogonal Waveforms)是最常用的方法。每个单元雷达系统采用正交波形发射,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,得到每个回波对应的相位与延时,进行接收相参合成(Receive-Coherence),获得N2信噪比增益改善(N为单元雷达数),此时称为接收相参阶段,其概念如图2所示。

      图  2  接收相参阶段原理示意图

      Figure 2.  Principles of receive-coherence

      在接收相参合成的基础上,当延时和相位估计精度满足要求时,每个单元雷达发射相同波形(Like Waveforms),通过控制和调整多个单元雷达发射信号的延时和相位,在空间实现发射相参(Transmit Coherence),同时在接收端实现接收相参,即全相参(Full-Coherence),获得N 3信噪比增益改善,此时称为收发相参阶段,其概念如图3所示。

      图  3  收发相参阶段原理示意图

      Figure 3.  Principles of transmit-receive-coherence

      接收相参阶段利用正交波形区分不同单元雷达信号,仅是一个短暂的过渡过程,进而转入稳态过程—收发相参阶段,达到对信号能量的最大化利用。

    • 相对于常规雷达,分布式孔径相参合成雷达具有如下技术优势:

      (1) 探测威力大。大的功率孔径积是实现远距离大威力探测的基础,分布式孔径相参合成雷达的一个显著特点是具有将各单元孔径的发射和接收信号分别进行空间功率合成的能力。经计算,N个相同孔径构成的分布式发射接收全相参合成雷达的功率孔径积是单元孔径的N 3倍,有效提高了雷达威力。

      (2) 角分辨率高。分布式孔径相参合成雷达通过阵列稀布形成虚拟孔径,等效孔径大于各个单元雷达孔径之和,合成波束变窄,从而提高了雷达的角度分辨率。

      (3) 扩展性好。根据探测需求的不同,分布式孔径相参合成雷达系统能够很容易地实现功能扩展和威力扩展,目标适应性强。

      (4) 易于实现机动性大威力探测。分布式孔径相参合成雷达是“化整为零”朴素思想的结晶,相对于大孔径雷达,分布式孔径相参合成雷达可实现快速移动,及时变换阵地,生存能力强。同时,分布式孔径相参合成雷达既能要地部署也可前沿部署,作战形式灵活多样,能实现试战结合与应急作战。

      (5) 工程实现性好。单元雷达规模小,技术成熟,工程实现性好(如工艺、成本和宽带宽扫),研制过程可实现批产化,能够有效降低成本。

    • 早在上世纪50年代末与60年代初,美国便开始对分布式孔径相参合成雷达技术进行研究。1964年3月,IEEE天线与传播联合会对利用多个相参接收单元实现智能自适应天线的技术进行专题讨论,该技术关键是锁相环电路,通过此电路可使分布式孔径实现相位自聚焦[5]。美国中段反导X波段识别雷达SBX立项后,导弹防御局于2003年发起了一项研究,来自包括林肯实验室在内的多家研究实验室、工业部门和政府军方机构的众多研究者参与了这项工作,旨在研究能应对未来弹道导弹威胁的高级雷达传感器。在这项研究中提出研发下一代反导雷达系统(Next Generation Radar, NGR),如图4所示,该雷达的关键能力包括:具有较高的灵敏度,用于远距离搜索、跟踪和识别,同时要保持机动运输能力,林肯实验室提出将分布式孔径相参合成雷达作为美国下一代弹道导弹防御雷达的发展建议[4]

      为了评估分布式孔径相参合成雷达系统的性能,林肯实验室研制了演示验证实验系统(图4),并通过暗室和外场实验完成了分布式孔径相参合成雷达机理与相关技术的验证,观测目标包括暗室动目标、室外水塔、飞机和导弹等,试验获得了N 3倍合成增益。此外,林肯实验室利用Kwajalein靶场的两部AN/MPS-36雷达(图5)进行空间相参合成的外场实验,该实验取得重大成功,出于技术保密或军事敏感原因,美国对实验细节及具体成果并未披露。雷达专家IEEE终身会员Dr. Eli Brookner分别在2007年和2008年撰写的论文中两次提到“两单元雷达相参合成实现了9 dB信噪比改善的效果”,即实现了N 3最大增益,成功验证了分布式孔径相参合成雷达的技术可行性[6,7]

      图  4  林肯实验室分布式孔径相参合成实验系统

      Figure 4.  The Distributed Aperture Coherence-synthetic Radar experimental systems of Lincoln Laboratory

      图  5  用于分布孔径相参实验的AN/MPS-36雷达系统

      Figure 5.  The AN/MPS-36 radar system for distributed aperture coherence synthetic experiment

      由于分布式孔径相参合成雷达的机动性、灵活性和扩展性等技术优势可以很好地满足反导作战的跟踪与识别需求,因此,美国已将分布式孔径相参合成雷达技术作为美国下一代反导雷达的重要发展方向。2012年9月,美国国家科学院发表一篇报告《认清弹道导弹防御:美国助推段导弹防御与其它备选方案比较的概念和系统评估》,提出GBX雷达的概念,由AN/TPY-2雷达堆叠,通过相参合成,提供探测威力,增强反导识别能力。

      目前国内对分布式孔径相参合成雷达技术也开展了相应研究,北京理工大学给出了分布式时间和相位的同步方案,提出了相参参数跟踪估计方法及频率步进宽带全相参技术[812],清华大学在发射波形方面做出了相关研究,提出了正交波形的设计方法,分析了相参参数估计性能及系统相参性能[13,14]。西安电子科技大学利用分布式阵列的等效大孔径,研究了2维高精度角度估计方法[15]。北京无线电测量研究所在合成参数估计、信号合成、测角技术等方面进行了研究,搭建了分布式孔径相参合成原理试验平台,研制了雷达原理样机,完成了分布式孔径相参合成雷达技术的原理验证[1620]

      综上所述,分布式孔径相参合成雷达已成为国内外雷达领域的研究热点,是一种新体制雷达,具有广阔的应用前景。

    • 为了实现各单元孔径间的孔径相参合成,涉及以下关键技术。

    • 根据分布孔径雷达的工作原理可知,在接收相参阶段,各个单元孔径需发射相互正交的波形,然后利用波形的正交性在每一个单元孔径的接收端分离出单双基地回波,并利用各回波计算出该单元孔径相对于其它单元孔径的时延和相位,然后补偿单元孔径间的时延和相位差可使分布孔径雷达转入具有N 3合成增益的发射接收全相参阶段。正交波形性能的优劣直接影响单元孔径之间时延和相位差的估计精度,因此,设计具有良好正交性的正交波形是分布孔径雷达的一项关键技术。利用现代计算机强大的运算能力产生了一系列优化搜索算法,例如遗传算法、模拟退火算法等,这些算法可有效克服传统迭代算法容易陷入局部最优而无法获得全局最优的缺点,可充分利用计算机优化搜索算法,设计满足分布式孔径相参合成性能的正交波形[21,22]

    • 在接收相参处理阶段,为了在收发端实现多个单元孔径的相参处理,需要通过正交波形分离出不同到达路径的回波,从回波中估计出单元孔径间的相对时延与相位差作为相干参数的最初估计,用以调整发射信号的起始时刻与初始相位,从而形成稳定的闭环处理。此过程中,时延、相位的估计误差与控制精度都会影响相参合成的效果,因而参数估计方法、控制方法是一项关键技术。可利用峰值法、互相关法、多脉冲积累法、1D-2D极点法等对算法对相干参数进行估计,利用延迟线、时钟计数、调频法等方法实现相干参数控制[4]

    • 由于分布式孔径相参合成雷达具有特殊的工作体制,其单元孔径间的基线长短对于接收相参和收发全相参工作模式下的能量聚集效率具有很大的影响,必须深入分析基线长度与探测距离、雷达波长和目标尺寸间的具体关系,研究基线长度设计的原则,为阵列设计提供重要指导。同时,在经典相控阵天线设计过程中,为保证雷达可视区内不出现栅瓣,通常要求相邻阵元间距应不大于半波长。分布式孔径相参合成雷达由于单元孔径间的基线长度一般远大于半波长,属于典型的稀疏阵列,面临着严重的栅瓣或高旁瓣干扰,给目标的正确检测、精密跟踪和高精度测量带来了困难。充分利用各单元孔径的接收数据,对单脉冲测角、空间谱估计等已有方法进行结合以形成联合测向的工作模式是分布孔径雷达的一项关键技术。

    • 在分布式孔径相参合成雷达中,由于各单元孔径是分散布设的,因而各单元孔径间会存在时间同步误差及相位同步误差,这将严重影响时延差和相位差的估计精度,从而导致分布式孔径相参合成雷达的相参性能的下降,故各单元雷达的时频同步及本振相参是实现分布式孔径相参合成雷达系统的收发全相参的关键技术。可采用微波双向传输法、卫星共视法、卫星双向传递法、光纤等无线有线传输法实现时频同步和本振相参。

    • 为了对分布式孔径相参合成雷达技术进行深入的技术研究和试验验证,北京无线电测量研究所搭建了多套相参合成试验系统、研制了多套分布式孔径相参合成雷达原理样机,开展了大量的验证试验,典型试验介绍如下。

    • 4.1.1 C波段两单元线馈试验 利用C波段数字收发组件、3台信号源和1台中心控制处理计算机搭建了室内分布孔径雷达演示实验平台,用于分布孔径雷达接收相参合成(N 2)原理验证。通过计算相参合成信噪比与单元雷达信噪比的差值来评估信噪比增益改善情况,为了最大化实现信噪比增益改善,单元雷达之间应具有较好的一致性。图6图7给出了高低信噪比两种情况下的试验结果,两种情况均实现了接收相参合成,获取了N 2即6 dB的信噪比增益改善,从而验证了接收相参合成机理。

      图  6  高SNR下的分布式相参合成线馈试验

      Figure 6.  The Distributed Aperture Coherence synthetic line feed experiment (high SNR)

      图  7  低SNR下的分布式相参合成线馈试验

      Figure 7.  The Distributed Aperture Coherence synthetic line feed experiment (low SNR)

      4.1.2 C波段两单元空馈试验 在线馈试验系统的基础上,搭建了C波段两单元雷达相参合成空馈试验系统,如图8所示,该试验系统采用1个中心处理系统和2个单元雷达的框架结构。利用该试验系统开展了分布式孔径相参合成空馈试验,在接收相参阶段,单元雷达发射正交波形,对回波信号进行匹配接收处理和实时参数估计,实测信噪比增益改善约为5.76 dB(理论值为6 dB);在接收相参基础上,系统转入收发相参阶段,单元雷达发射相同波形,通过控制其中一路发射信号的相对延时和相位,使两单元雷达信号同时同相到达目标,实现发射相参,在接收端进行参数补偿实现接收相参,实测信噪比增益改善均值超过8.44 dB(理论值为9 dB),如图9所示。本试验率先在国内成功验证了分布式相参合成原理的可行性。

      图  8  C波段两单元相参合成空馈试验

      Figure 8.  C-band two units coherence synthetic space feed experiment

      图  9  相参合成增益改善

      Figure 9.  Coherent synthesis gain improvement

    • 为了在不同体制、不同频段,对运动目标进行分布孔径相参合成雷达技术验证,课题组分别研制了C波段单脉冲体制、C波段相控阵体制和X波段相控阵体制分布式雷达原理样机,如图10所示。利用原理样机,针对民航飞机等运动目标,分别开展了C波段单脉冲体制、C波段相控阵体制、X波段相控阵体制相参合成试验,均取得了良好的效果。下面,对X波段相控阵雷达的相参合成试验进行介绍。

      图  10  分布式孔径相参合成雷达原理样机实物图

      Figure 10.  Distributed Aperture Coherence-synthetic Radar prototype

      在收发相参合成阶段,两单元雷达均发射相同的信号,首先通过调整发射信号的初始延时和相位实现两单元雷达信号在目标处相参合成,信号能量得到增强,在雷达接收端的直接体现是回波信号幅度显著提升,理论上,相比于单部雷达,两雷达发射相参合成后回波信号幅度改善6 dB;然后在接收端对两单元雷达回波信号进行相参合成处理,实现接收相参,即实现收发相参合成。收发相参合成后回波信号幅度改善12 dB。图为试验结果,从图11(a)中可以看出,发射相参回波信号幅度改善均值为5.76 dB,收发相参回波信号幅度改善均值为11.82 dB,达到了较为理想的结果。在接收相参和收发相参合成阶段对过航飞机的跟踪航迹如图11(b)所示,航迹连续性较好,无断批失跟情况,目标跟踪稳定。通过图形还可以发现,相参合成跟踪距离较单元雷达有明显提升,体现了相参合成的技术优势。

      图  11  飞机目标相参合成试验

      Figure 11.  Aircraft target coherence synthetic experiment

    • 为了进一步对相参合成技术进行验证,利用现役两部X波段大型实装雷达开展了分布式相参合成针对卫星等高速运动目标的跟踪试验,图12为试验结果。从试验结果可以看出,针对高速运动目标,实现了收发全相参模式下的稳定跟踪,验证了针对快速运动目标,参数估计与控制算法的有效性以及距离、角度跟踪回路闭合的可行性。

      图  12  卫星目标相参合成试验

      Figure 12.  Satellite target coherence synthetic experiment

    • 5.1.1 复杂平台分布式孔径相参合成技术 当前的分布式孔径相参合成雷达技术均是基于地面静止雷达,在未来的研究中,可以将分布式孔径相参合成技术推广到同一平台不同孔径以及多个平台间天线孔径的相参合成。首先,在同一个平台上的不同部位可以分置安装多个单元孔径,例如,可以分别在飞机的机头、机翼,或者舰艇的前方及侧方等部位安装单元孔径,通过分布式孔径相参技术将单元孔径的信号及目标回波融合处理以实现孔径相参。进一步地,可以将分布式雷达的平台由一个扩展到多个,针对同一类型的多个平台、或者不同类型的多个平台进行分布式孔径相参,例如,可以将多艘编队航行的舰艇、多架编队飞行的飞机以及多个卫星上的雷达进行分布式孔径相参合成,提高系统的探测性能,从而进一步扩展了分布式孔径相参的应用。

      5.1.2 长基线分布式孔径相参合成技术 统计MIMO雷达阵元间距较大,利用目标雷达截面积的空间分集增益可提高检测性能。若利用信号处理方法对统计MIMO雷达做相参处理,可进一步提高目标回波SNR增益,从而提高系统性能,此时统计MIMO雷达即转变为长基线分布孔径雷达:长基线分布孔径雷达是将单元孔径根据需求分散部署、灵活应用,单元孔径间距不受相参基线选择准则限制。单元孔径可以是不同体制、不同频段、不同工作方式的雷达,通过高速数据传输系统互联,在电子频谱管控和统一的时空基准下由中心站统一调配,对接收信号进行相参处理。

    • 5.2.1 弹道导弹防御中的应用 当前,弹道导弹威胁的加速扩散及其在地区冲突中的实战应用,已引起各国的极大重视,从而促使了各种弹道导弹防御系统的研制与部署。以美国反导系统为例,回顾其20年来反导雷达装备技术的发展历程,可以看出分布式雷达将成为其反导雷达的一个发展方向:(a)克林顿政府时期,美国中段反导的初始阶段—固定式雷达。克林顿政府提出了雄心勃勃的“3+3”计划,在C1-C3方案中计划在美国本土部署9部陆基反导大型X波段雷达XBR,并投资建造了XBR样机GBR-P,部署在夸贾林靶场,天线直径12.5 m,天线重量达135.5 吨,伺服天线座重达406 吨,成功参加了两次反导拦截试验,该雷达只能固定阵地工作。(b)小布什政府时期,美国中段反导的中期阶段—移动式雷达。小布什政府放弃了在美国本土部署9部XBR的计划,而研制了一部海基X波段雷达SBX,通过海上移动实现灵活部署和提高使用效费比,不但可兼顾美国反导全部18条试验弹道,而且可以按需监视敏感区域,从而取代了固定部署在夸贾林靶场的GBR-P雷达。然而,由于SBX雷达规模庞大、成本昂贵、机动不足和技术制约等固有的缺点,在SBX雷达立项不久,美国导弹防御局就发起了美国反导下一代雷达(NGR)研究计划,新雷达核心要素之一就是可快速移动和高效费比,林肯实验室提出将分布式孔径相参雷达作为美国下一代反导雷达发展方向,并相继报道了其技术成果,表明已完成预研攻关。(c)奥巴马政府时期,美国中段反导发展阶段—机动式雷达。奥巴马政府“弃用”SBX雷达,在美国导弹防御局2012年公布的2013-2017的5个财年预算中,大幅削减SBX雷达费用(在2012财年投资1.768亿美元,到2017财年被锐减为每年970万美元),需要时将其唤醒,进入作业状态,仅提供“有限的测试支撑”能力,主要改用前置雷达和宙斯盾反导系统等机动性和灵活性强的技术装备,支撑此类测试和形成初期的作战能力。综上分析,随着美国反导体系建设和反导实践的发展,反导雷达明显地体现出从“固定式”到“移动式”再到“机动式”的发展方向。同时,美国已经意识到要实现中段反导雷达机动式大威力探测,采用常规提高单孔径雷达功率孔径积的方法已经行不通了,GBX雷达概念的提出,恰能反映出美国雷达的发展方向,即采用分布孔径雷达技术。

      5.2.2 空间目标监视中的应用 对高轨卫星和小RCS空间碎片的监视要求雷达具有极大的功率孔径积,解决大功率孔径积雷达成本高、机动性差的难题,是空间目标监视雷达未来的发展方向。多部单元雷达发射功率空间相参合成有利于实现大的发射孔径、提高探测距离,目前,国际上的空间目标监视雷达一般借助多部监视雷达组成空间监视网络对空间目标进行编目。美国海军空间监视系统(NAVSPASUR,俗称“电子篱笆”)由沿着美国南部北纬33°线部署的3个连续波雷达发射站和6个接收站组成,3个发射站分别设在亚利桑那州的基拉河、得克萨斯州的皮科珀湖和亚拉巴马州的约旦湖,6个接收站分别设在佐治亚州的斯图尔特堡和霍克茵斯威尔、密西西比州的银湖、阿肯色州的雷德里弗、新墨西哥州的象山和加利弗尼亚州的圣迭戈。每个发射站的辐射模型为南北向很窄、东西向扩展的扇形,3个发射站能量辐射形成的扇形联合在一起,在东西方向上基本横跨整个美国大陆,像篱笆一样对物体进行拦截。俄罗斯在其武装力量中也建立了宇宙空间监视系统(俗称“天窗”系统),“天窗”系统是俄罗斯航天部队典型的有源地面光电空间监视跟踪系统,位于塔吉克斯坦境内的山区中,该系统装备10台光学望远镜,每台重达36吨,根据所观察目标的高度来校正“目力”,可观测200~4×104 km范围内的目标,同时,“天窗”也监视太空垃圾,如空间试验站、火箭推进器的残骸,以及从火箭外壳剥落的一些油漆碎片。

      5.2.3 深空探测中的应用 深空探测可以进一步解答地球如何起源与演变、行星和太阳系如何形成和演化、地球未来的发展趋势等一系列问题,意义重大。深空探测系统主要实现对深空探测器的跟踪、遥测、指令控制和数据传输等功能,是深空探测的重要信息线,航天大国均建立了自己的深空探测体系。美国深空测控体系由位于美国加州戈尔德斯敦、澳大利亚堪培拉、西班牙马德里的3个地面终端设施组成,相互之间经度相隔约120°,从而为深空探测器跟踪测量提供连续观测和适当的重叠弧段。3个地面站均具有1个70 m天线、数个34 m天线、1个26 m天线、1个11 m天线。34 m、70 m天线用于支持深空任务,26 m, 11 m天线则用于地球轨道任务。据美国宇航局发布的消息称,旅行者一号已确认飞出太阳系,正式进行星际空间,距离地球大约190亿 km,均依靠深空探测网与地球保持联系。俄罗斯深空测控体系由3个地面站、2个指控中心和2个弹道中心组成,3个地面站分别是乌苏里斯克、叶夫帕托里亚、熊湖。乌苏里斯克配置的是25 m(发)、32 m(收)和70 m(收/发)站,叶夫帕托里亚拥有32 m(发)、70 m(收/发)站,熊湖则是32 m(收)、64 m(收)站。东、西两站经度相隔100°左右,提供了前苏联本土最长的接力观测时间,并可构成尽可能长的基线。深空任务的主控中心位于加里宁格勒,备用和本地指控中心与叶夫帕托里亚站在一起。英国射电综合孔径天线阵由剑桥大学于1971年建成,代表了当时最先进的设计水平。它由8面口径为13 m的抛物面天线组成,排列在5 km长的东西基线上,4面天线固定、4面天线可沿铁轨移动。每观测12 h后,把可移动天线放到预先计算好的位置上再观测12 h,然后再移动位置,直到获得所需要的各种不同的天线间距的测量值。综合孔径天线阵将观测范围从大约10亿光年扩大到100~200亿光年,几乎达到宇宙的边界,或追溯到宇宙的初始时期。澳大利亚的平方公里阵列(简称SKA)由数千个较小的碟形天线构成,碟形天线将采用椭圆形设计,直径大约在15 m左右,由于造价必须低廉加之所需数量多达3000,它们的构造较为简单。SKA的灵敏度将达到目前地球上射电望远镜阵列的50倍,解析度则将是后者的100倍。智利在建阿塔卡玛大型毫米波/亚毫米波天线阵由66个天线组成,最大的天线口径为12 m,其探测到的图像数据可媲美一部直径为14 km的射电天线效果,观测精度足以辨别15 km外的高尔夫球。通过该平台,科学家可以观测到宇宙中遥远古老的星系,并探索年轻恒星周围的行星形成之谜。

    • 分布式孔径相参合成雷达是“化整为零”和“积少成多”思想的结晶,是解决平台约束与探测性能矛盾的有效手段。本文对分布式孔径相参合成雷达技术进行了综述,首先介绍了该雷达基本理论,包括工作原理、技术优势及国内外发展现状,然后对实现分布式孔径相参合成所涉及的关键技术进行了阐述,结合试验系统和原理样机,介绍了典型相参合成试验,最后对该雷达技术的发展方向及典型应用进行了展望。

参考文献 (22)

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