全息凝视雷达系统技术与发展应用综述_郭瑞.pdf
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1、全息凝视雷达系统技术与发展应用综述郭瑞张月田彪肖钰胡俊徐世友陈曾平*(中山大学深圳电子与通信工程学院深圳518107)摘要:全息凝视雷达是一种同时覆盖全空域、同时多功能的阵列雷达,该文首先明确全息凝视雷达定义,并概述全息凝视雷达特点、性能优势以及处理难点;然后,较为全面地介绍了全息凝视雷达的发展历程,归纳了当前的主要应用方向,并对中山大学在全息凝视雷达系统研究方面的进展情况进行了介绍,给出了实际场景下目标探测结果,展示了全息凝视雷达在低空目标监视等方面的应用潜力;接着较为全面地介绍了全息凝视雷达相关关键技术的研究进展,包括系统设计、收发波束控制、目标积累检测以及参数估计等方面;最后总结了全息凝
2、视雷达的发展趋势。关键词:数字阵列雷达;全息凝视雷达;全时空探测;同时多功能;多普勒分辨率中图分类号:TN958文献标识码:A文章编号:2095-283X(2023)02-0389-23DOI:10.12000/JR22153引用格式:郭瑞,张月,田彪,等.全息凝视雷达系统技术与发展应用综述J.雷达学报,2023,12(2):389411.doi:10.12000/JR22153.Reference format:GUORui,ZHANGYue,TIANBiao,et al.Reviewofthetechnology,developmentandapplicationsofholographi
3、cstaringradarJ.Journal of Radars,2023,12(2):389411.doi:10.12000/JR22153.Review of the Technology,Development and Applications ofHolographic Staring RadarGUORuiZHANGYueTIANBiaoXIAOYuHUJunXUShiyouCHENZengping*(School of Electronics and Communication Engineering,Shenzhen Campus of Sun Yat-sen Universit
4、y,Shenzhen 518107,China)Abstract:Holographicstaringradarisanarrayradarthatcontinuouslylookseverywhereandperformsmultiplefunctionssimultaneouslyinsteadofsequentially.First,thispaperclarifiesthedefinitionofholographicstaringradarandsummarizesthefeatures,performanceadvantages,andaccompanyingrisksofholo
5、graphicstaringradar.Then,theresearchhistoryandmainapplicationdirectionsofholographicstaringradararereviewed.Next,theholographicstaringradarseriesofSunYat-senUniversityinChinaisintroduced.Thetargetdetectionresultsofthisholographicstaringradararegiven,showingtheapplicationpotentialofaholographicstarin
6、gradarsysteminlow-altitudetargetmonitoring.Next,theresearchprogressofrelatedkeytechnologiesisexamined,includingsystemdesign,beamcontrol,targetdetection,andparameterestimation.Finally,thedevelopmenttrendsofholographicstaringradararediscussed.Key words:Digitalarrayradar;Holographicstaringradar;Detecte
7、verywherecontinuously;Multifunctionalsimultaneously;Dopplerresolution收稿日期:2022-07-18;改回日期:2022-10-20;网络出版:2022-11-02*通信作者:陈曾平*CorrespondingAuthor:CHENZengping,基金项目:国家自然科学基金(U2133216),深圳市科技计划资助(GXWD20201231165807008,20200828174754001,KQTD20190929172704911),深圳市基础研究资助项目(JCYJ20180307151430655),广东省科技技术项目
8、(2019ZT08X751)FoundationItems:TheNationalNaturalScienceFoundationofChina(U2133216),ShenzhenScienceandTechnologyProgram(GXWD20201231165807008,20200828174754001,KQTD20190929172704911),Shenzhen Fundamental Research Program(JCYJ20180307151430655),GuangdongProvinicalScienceandTechnologyProgram(2019ZT08X7
9、51)责任主编:杨建宇CorrespondingEditor:YANGJianyu第12卷第2期雷达学报Vol.12No.22023年4月JournalofRadarsApr.2023 1 引言为了应对不断变化的目标环境、电磁环境和地形环境的挑战,雷达从发明之初到现在不断发展进步,特别是数字化技术在雷达上的应用,为雷达技术的发展打开了广阔空间。近年来,半导体技术的发展推动了高集成度阵列、高性能计算、大带宽数据传输与大容量存储等技术在数字阵列雷达方面的应用,促进了雷达感知探测理论的完善,全息凝视雷达的概念也因此逐渐成型。全息凝视雷达(Holo-graphicstaringradar)又称泛探雷达
10、(UbiquitousRadar)、同时多波束数字波束形成(DigitalBeamForming,DBF)雷达或泛照灯雷达(FloodlightRadar)1,2,2017年,IEEE雷达定义标准3首次给出全息雷达定义,全息雷达是一种同时覆盖全空域、同时多功能的雷达,其特点在于发射采用宽波束,接收采用凝视阵列同时形成多个窄波束覆盖发射区域,每个波束输出包含单独的接收和处理系统用于实现任意波束的同时独立多功能。本文对全息凝视雷达系统技术与发展应用进行了概述,介绍全息凝视雷达发展历程,并结合系统特点梳理全息凝视雷达应用方向。在此基础上,对全息凝视雷达系统的关键技术进行了概括与分析,并对发展趋势进行
11、了探讨。2 全息凝视雷达概念与特点全息凝视雷达概念示意如图1所示,全息凝视雷达采用独立的数字化的收、发阵面,不需要波束扫描。从空间维度来看,全息凝视雷达宽波束发射,能量均匀照射到广阔空域,接收采用数字波束形成技术,同时获得多个窄波束覆盖发射区域实现对整个发射空域的连续探测,从而尽可能多地利用发射信号能量。从时间维度来看,全息凝视雷达采用长时间相参积累,尽可能利用雷达过去发射的信号能量,如此可在相同功率口径积条件下,提高雷达发射功率利用率,改进雷达探测性能和目标信息获取能力4。“全息”概念,一方面指雷达获取目标信息的完整性(距离、速度、角度、微多普勒等);另一方面指全时空探测,即对探测区域进行连
12、续时空覆盖。全息凝视雷达具有以下优势:(1)具有数字化、软件化特点。作为数字阵列雷达的子类,全息凝视雷达收发阵面都采用全数字阵面,雷达收发前端具有组件化、参数化、可编程的特点。雷达功能主要由后端软件化处理机实现,系统功能软件可定义,易于扩展、升级;(2)全息凝视雷达具有同时多功能特点。与传统多功能雷达同一时间仅能处理单个任务相比,全息凝视雷达同时形成多个接收波束,每个波束可针对不同目标选择不同驻留时间并单独处理,从而实现多任务并行处理;(3)全息凝视雷达能够提高强杂波背景下弱小目标的检测和识别能力。与传统的目标监视雷达相比,全息凝视雷达无需波束扫描,通过长时间积累获得更高的增益和多普勒分辨率,
13、实现了运动目标与杂波的有效分离,且高多普勒分辨率有助于提取目标的微多普勒特征,从而为目标分类识别提供了新的维度;(4)全息凝视雷达易于实现集群目标探测。全息凝视雷达可实现全时空覆盖,无需波束扫描和复杂的资源调度,即可实现大批量目标的同时检测跟踪,目标容量大,更新速率高;(5)全息凝视雷达可实现目标远距离低截获概率探测。全息凝视雷达采用低功率全向或宽波束发射、全数字多波束凝视接收体制,发射能量分布在宽的方位区域上,接收利用雷达过去发射的信号能量提高目标信息获取能力,同时方便实现低截获波形设计、发射时间、能量与频率控制,使得己方雷(a)发射宽波束(a)Broad transmit beam(b)接
14、收同时多波束(b)Multiple receive narrow beam simultaneously图1全息凝视雷达体制概念示意图Fig.1Schematicdiagramofholographicstaringradar390雷达学报第12卷达对威胁目标的探测距离大于对方截获接收机对雷达发射信号的侦察截获距离,实现对目标“射频隐身”探测。与此同时,全息凝视雷达工作特点也会带来以下处理难题:(1)发射增益低。全息凝视雷达宽波束发射不可避免地带来发射增益降低问题,需要通过更多的脉冲积累来获取与波束扫描雷达相当的增益,这就对较长时间范围内回波间的相参性提出了更高的要求,积累时必须考虑目标机动、
15、多普勒模糊、其他扰动以及相位噪声带来的积累增益下降问题;(2)计算量大。接收时多波束同时处理将显著增加系统对信号处理资源的需求;(3)多径效应。复杂环境下宽波束发射更容易带来多径问题,严重时将为目标检测以及参数估计带来十分不利的影响。全息凝视雷达模式、相控阵雷达模式以及MIMO雷达模式可以看作同一个数字阵列雷达硬件平台的不同工作模式5,6,它们具有各自不同的特点与适用场景。全息凝视雷达从波束方面进行定义,强调的是宽发和同时多波束凝视接收,而MIMO雷达则是从波形角度,强调的是波形分集,一般同时也具有全息凝视特点。表1总结了数字阵列雷达各工作模式的对比。3 全息凝视雷达研究历程与应用情况全息凝视
16、雷达的历史可追溯至雷达发明之初,世界上第一部军用雷达英国ChainHome雷达即采用“泛光灯照射”(floodlightillumination)工作模式发射电磁波,通过检测目标回波实现空中威胁目标方位和距离探测,并在第二次世界大战中发挥重要作用1。然而,在之后的雷达发展过程中,波束扫描雷达由于其在系统结构、实现成本等方面的优势,成为雷达系统发展的主要方向。直到20世纪80年代,法国国家航空航天研究院(ONERA)与Thomson-CSF提出合成脉冲孔径雷达(RadaraImpulsionetAntenneSynthetique,RI-AS)概念810,凝视工作体制再次被提及。为了在保持一定的
17、角度分辨率前提下增加波束驻留时间,RIAS采用“宽发窄收”工作模式,发射波形相互正交,接收利用数字波束形成技术同时获取多个波束以实现半球形范围内所有检测目标的持续跟踪。RIAS工作于VHF频段,一方面是为了对抗隐身目标,另一方面是为了适应当时技术水平,减少阵元数目从而降低系统复杂性和计算能力需求。1989年,为应对反辐射导弹(Anti-RadiationMissile,ARM)威胁,德国应用科学研究所(FGAN)Wirth1113提出了发射端采用连续波、宽波束设计,将雷达辐射功率在时间/空间上进行分散,降低时空功率密度,接收端采用同时多波束,实现连续空域覆盖,即提出泛照灯雷达(Floodlig
18、htRadar)的概念。为验证系统的有效性,FGAN建立了全向低截获雷达试验系统(OmnidirectionalLPI,OLPI)。OLPI工作于S波段,发射连续波,发射功率10W,方位覆盖120范围,俯仰覆盖20范围。如图2(b)所示,接收阵列为64列偶极子天线组成的平面阵列,接收时首先采用64通道Butler矩阵实现方位向同时多波束,然后再对每个波束进行数字化,多波束间交叠正交,波束宽度约为2。OLPI采用模拟波束形成方式,验证了全息凝视体制用于实现低截获探测的性能优势。表 1 相控阵雷达、全息凝视雷达和MIMO雷达对比Tab.1 The comparison of phased arra
19、y radar,holographic staring radar and MIMO radar对比项相控阵雷达全息凝视雷达MIMO雷达工作模式示意图7接收波束发射波束接收波束发射波束接收波束发射波束正交波形发射波束特点单个集中波束发射发射宽波束多个发射天线发射分集波形接收波束特点单个集中波束接收同时多波束接收同时多波束接收相同发射总功率、积累时间输出信噪比6,7SNRPASNRPA/e(e为波束展宽倍数)SNRPA/N(N为发射阵元数)角度分辨率6由接收天线孔径决定由接收天线孔径决定由发射阵列与接收阵列卷积得到虚拟阵列孔径决定优势相同孔径发射增益大多目标跟踪能力强、同时多功能、多普勒分辨率高
20、、射频隐身性高等多目标跟踪能力强、虚拟孔径扩展测角精度高、多普勒分辨率高、射频隐身性高等劣势相同孔径观测范围小相同孔径发射增益低、计算量大、不适合单目标跟踪相同孔径发射增益低、计算量大、脉冲综合距离副瓣高、不适合单目标跟踪第2期郭瑞等:全息凝视雷达系统技术与发展应用综述3911993年,我国科研人员基于RIAS相同概念建造了综合脉冲孔径雷达(SyntheticImpulseandApertureRadar,SIAR)并开展相关关键技术研究1417,SIAR的脉冲综合保持了对某些方向的计算,等效于把雷达波束固定在某些方向,SIAR中不存在波束扫描概念,积累时间只受目标运动和雷达参数影响,与波束对
21、目标的扫描时间无关,实验及相关分析验证了SIAR具有反隐身、反侦察、抗ARM和抗干扰的性能优势,同时文献18也指出满足多波束实时处理所需的计算能力是建造综合脉冲孔径雷达系统的难点之一。在这个阶段,尽管接收阵列稀疏布阵,但由于当时实际信号处理能力的限制,实际的SIAR系统很难做到接收波束对发射波束空间的全部覆盖,相当于对能量利用率作出一定牺牲。1999年,美国海军研究实验室(NavalResearchLaboratory,NRL)Skolnik1921提出泛探雷达(Ubi-quitousradar)概念,即采用全向或者很宽的发射波束,接收采用数字波束同时形成多个窄波束覆盖发射区域,可实现对观测空
22、域的时域、空域的连续观测。Skolnik总结泛探雷达的主要优势在于可实现同时多功能并能够提高雷达抗截获性,并指出该性能主要依赖于数字波束形成与数字信号处理能力。随后NRL完成泛探雷达系统研制22,并基于该系统验证了泛探雷达性能优势,同时指出,全息凝视雷达长时间积累必须解决跨距离单元和跨多普勒单元现象带来的积累增益下降问题。2003年,美国林肯实验室对全息凝视模式和MIMO模式进行对比,并指出数字阵列雷达发射分集波形可进一步发挥全息凝视雷达性能优势,并研制L波段MIMO体制泛探多功能数字阵列雷达用于技术验证7,泛探模式与MIMO的结合进一步增加系统时间-能量管理的灵活性,以适应不同场景的目标探测
23、。近年来,随着高速总线及高性能处理系统发展,全息凝视雷达计算量问题对系统的限制越来越小,全息凝视雷达频段不断扩展,系统规模不断增大;同时与智能信号处理、分布式等新技术结合,使得凝视体制应用范围进一步扩展,总的来说主要包括以下方面:(1)空中/地面/海面监视雷达2010年以来,英国Aveillant公司采用了泛探雷达的思想研制出图3所示不同威力、不同空域覆盖的系列化产品23,相关参数如表2所示。该类产品可实现全空域、全时间的连续探测,且利用长时间相参积累带来的高多普勒分辨率,实现目标的微多普勒测量。基于该系列产品,已完成风力发电厂涡轮杂波抑制24、无人机探测识别2532、鸟类探测识别27,33、
24、非合作目标监视34,35、智能信号处理36,37、分布式探测3840等试验验证,证明了该系统应用于鸟类、无人机等“低慢小”目标探测识别具有独特优势。2015年,QinetiQ公司推出采用泛探思想的图4(a)所示的Alarm凝视雷达41,42,主要用于小型基地防御。该雷达方位覆盖120。仰角覆盖30,工作频段C波段(46GHz),发射功率100W,已装备于英国部队,可实现火箭弹探测与告警以及悬停无人机探测等功能。处理过程中,该系统先进行俯仰维数字波束形成,再进行方位维数字波束形成,文献41,42给出了该系统试验结果,在火箭弹由远及近向雷达方向飞行过程中,俯仰测量的最低角度约3。随后该公司又推出O
25、bsidian凝视雷达43,天线采用无活动部件的全固态印制电路结构,降低维护成本,每个系统包含5个阵列天线,工作时同时形(a)发射天线(a)The transmit antenna(b)接收天线(b)The receiving antenna图2OLPI雷达12Fig.2OLPIradar12392雷达学报第12卷成16个固定波束。发射波形为调频连续波,工作频率约10GHz,方位覆盖180。仰角覆盖90,距离分辨率3m,具有良好的多普勒分辨率,可对低速旋翼无人机目标、高机动固定翼目标有效探测识别。2017年,意大利芬坎特里集团公司旗下SEA-STEMA公司推出图5所示新型OMEGA360全息凝
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