双/多基地雷达发展及关键技术

李学勇

(中国电子科技集团公司第三十八研究所，合肥 230088)

0 引言

随着隐身飞行器的使用、反辐射导弹性能的提高、电子干扰的加剧以及飞机低空突防能力的提高，给常规雷达的生存及作战能力提出了严峻的考验，而双/多基地雷达因为其收、发分置，接收站无源工作，固有地具备了对抗上述“四大威胁”的能力［1］。所以，双/多基地体制雷达备受美国、法国、俄罗斯等军事强国的关注和青睐。

1 国外发展现状［2-5］

近年来双/多基地雷达呈现蓬勃发展的态势，在防空预警、反导、空间目标监视等领域都有不同程度的应用。

美国Lockheed Martin 公司的“沉默哨兵”是典型双多基地体制雷达。经过多年的发展，最新的“沉默哨兵III”体现出分布式、多源协同探测的特点，其精度水平大幅提升，实现了全向覆盖和三维探测;利用的辐射源由原来的调频广播，扩展到模拟和数字电视;最大探测距离150 n mile，能够同时跟踪100 批以上空中、地面和水面目标，水平几何定位精度达到250 m，测高精度1000 m，速度精度2 m/s，利用高清电视信号可以获得更高的定位精度。图1为“沉默哨兵III”系统及显示画面。

同时，法国THALES 公司的“Homeland Alerter 100”(“HA100”）系统有着与“沉默哨兵III”相似的发展思路。“HA100”系统已经在芬兰、挪威等国进行了演习试验，其探测范围100 km，同时多源工作。图2为“HA100”系统。

图1 “沉默哨兵III”系统及显示画面

图2 THALES的“HA100”系统

1990年，法国航天研究所(ONERA）开始研究专门用于空间监视的超远程雷达“GRAVES”。“GRAVES”雷达系统工作在VHF 频段(143 MHz），采用双基地结构，发射和接收相距380 km。发射采用相控阵技术，接收采用数字波束形成(DBF）技术。该系统发射阵列由4组15 m×6 m的天线贴片阵列组成，接收阵列占地直径60 m，由散布在其上的100个接收天线阵元组成，每一个天线阵元和一个单独的数字化接收机相连。通过数字波束形成技术形成窄波束，能够对发射波束内的卫星进行精确定位，每路接收单元的回波信号经数字化后送入信号处理。

2004年底“GRAVES”雷达进行了观测试验，共探测到了2300 多个不同目标，实现了对1000 km 高度1 m2大小物体的探测。图3为“GRAVES”空间目标监视系统。

美国在进行反导系统建设时，发现雷达的孔径对于远程导弹防御系统至关重要，而现有的GBR-P 系统和SBX 系统都采用了大孔径的系统设计模式，系统成本昂贵，难以实现机动灵活部署，基于此美国提出下一代远程导弹防御系统的概念。该雷达基于MIMO 理论，通过利用多个分布式小孔径雷达系统，实现大孔径系统的性能，具有成本低、系统部署方式灵活等优点，其实这就是一种新型的双多基地雷达系统。

2004年在美国空军实验室(AFRL）的Ipswich Antenna Range Facility 试验场完成了MIMO(多入多出）分布式孔径雷达系统初步试验，2005年在美国White Sands Missile Range(WSMR）试验场进行了试验，验证了系统的功能。通过试验证明，在MIMO 模式下，利用2个分布式孔径，实现了接近6 dB的得益;在相参模式下，利用2个分布式孔径，实现了接近9 dB的得益。

此外，据报道，法国THALES 公司也在开展类似技术的研究，其M3R 系统就设置有分布式孔径雷达的工作方式。

除了上述发展外，应用于空中交通管制、测速及规避雷达、大气研究、海浪测量、资源勘查、地层探测等民用领域的双多基地雷达也取得较快发展。

2 双/多基地雷达的典型分类

双多基地雷达按照辐射源的特性可以分为两类，即合作式和非合作式。

合作式双基地雷达的发射站产生雷达脉冲信号，通过高功率放大器和天线发送脉冲信号，同时通过直接路径发送参考信号、复制脉冲和其他辅助数据到接收站，建立收发站时间、相位以及空间同步，由控制计算机产生控制时序，接收站形成同时多波束或宽波束接收目标散射信号。合作式双/多基雷达的原理框图如图4所示。

非合作式双/多基地雷达的辐射源是不受接收站控制的。接收站接收直接路径信号与散射路径信号，通过测量直接路径信号与散射路径信号的多普勒频移差异，估算出目标双基地多普勒频移值，双基地直接路径信号经时间延迟与散射路径信号时域对齐后进行相关检测，通过积累器提高信号信噪比后再进行检测。非合作式双基地雷达原理框图见图5。

图3 法国“GRAVES”空间目标监视系统

图4 合作式双基地雷达原理框图

图5 非合作式双基地雷达原理框图

按照上述分类方式，美国的“沉默哨兵”以及法国的“HA100”系统属于非合作式双基地雷达，法国的“GRAVES”雷达以及美国的分布式孔径雷达均可属于合作式双多基地雷达。

3 双/多基地雷达关键技术

3.1 时间、相位、空间同步技术

无论双多基地雷达技术如何发展，分散部署的发射站和接收站必须协调一致才能够探测目标，因此必须实现时间、相位、空间三大同步。对于合作式双多基地雷达，基于微波/光纤链路或者GPS 授时的时间、相位同步技术已经成熟，时间同步精度优于10 ns，相位同步精度优于5°;空间同步多采用宽发窄收、脉冲追赶的方法实现。对于非合作式双多基地雷达，接收站采用辅助天线接收发射站直达波信号来实现时间、相位同步，同步精度受直达波信号质量影响较大。

随着多平台双多基地雷达的发展，特别是天地、空地、舰舰、空空等基于运动平台的大基线双多基地雷达的发展，时间、相位、空间三大同步技术还需要继续攻关。

3.2 多源信息融合技术

目前，从国内以及国外技术发展趋势来看，利用多种外辐射源信号的双多基地雷达正处于蓬勃发展时期，利用调频广播、数字电视等辐射源的试验系统屡见报道，不同的频段、信号带宽给目标三维精确测量带来可能，多源信息融合技术成为关键。这主要有以下3个方面的因素。

(1）多源双基地雷达系统相当于一个多发多收系统，此时不同的外辐射源来自不同位置，针对同一目标不同的发射站和接收站获得的距离方位的相对坐标系都不相同，并且双基地夹角也不相同。因此，同一目标在不同双基地子系统中的距离、方位和多普勒没有确定性的线性关系，如何匹配难度较大。

(2）多发射站多接收站的复杂网络结构也使得系统的探测精度受到布站方式的影响，如何在指定区域获得最佳探测精度是一个必须要解决的问题。

(3）多源子双基地系统探测盲区的出现使得解决多源信息融合更加困难。

3.3 抗干扰技术

通常来说，双基地雷达接收站具备体制上的抗干扰优势。但是，对于非合作式双多基地雷达系统而言，比如利用调频广播、数字电视、GPS信息、移动通信信号的外辐射源系统，由于这些信号源是广泛部署分布的，存在全频段、全方位的特点，与正常回波信号相比，接收通道接收到的信号中的多径信号和直达波信号幅度要强很多，因此为实现雷达正常工作，滤除直达波信号和多径信号是必须完成的工作。为完成这一工作，通常采用射频对消和中频对消的方法。在进行射频对消或中频对消时，均需要在正常接收通道的基础上增加一路或几路参考通道，采用自适应信号处理技术对直达波或多径信号进行抑制，确保雷达系统正常工作。

3.4 长时间相参积累技术［6-8］

长时间相参积累技术一直是雷达领域的关键技术。雷达专家总是希望系统利用最小功率孔径资源实现最远距离的探测。随着隐身目标威胁的加剧，长时间相参积累技术将更为关键。雷达散射截面积的缩减是否可以依靠时间积累来补偿是雷达专家的重点研究问题，因为雷达功率孔径资源增加10～20 dB，将带来难以承受的装备成本增加以及机动性变差的现实问题。

但是，增加积累时间需要考虑以下两个问题:一是目标穿越一个距离单元的时间限制，若积累时间过长，运动目标有可能在积累时间内穿越了多个距离单元;二是运动目标的多普勒频率积累时间内发生了变化。即使对沿直线平稳飞行的目标，在长时间内由于不同时刻其航向相对于雷达视线夹角的不同，也会导致目标回波的多普勒频率改变，造成运动目标回波的多普勒频移在积累时间内不在一个多普勒通道内。针对这些情况，需要采取一定的措施和适当的算法来进行处理，避免降低积累的得益。目前，针对长时间相参积累技术开展的研究工作主要集中

针对目标跨距离单元情况，一般采用包络走动补偿方法，目前采用的主要有Keystone 变换、包络插值移位算法、时分包络移动补偿算法和距离门拉伸等。

针对目标跨多普勒通道情况，一般采用多普勒走动补偿技术，目前采用的主要有Wigner-Hough 变换、模糊函数理论、分数阶Fourier 变换和自适应子波变换等。

3.5 多正交波形设计与接收技术［9-10］

如前所述，分布式阵列相参合成雷达也可以纳入双多基地雷达范畴，工作于MIMO方式。为获取雷达的相干参数提取，雷达需要发射正交波形，以便对多个单元雷达回波分别进行匹配处理，提取相干参数。雷达发射的正交波形应该具有类噪声与大时带宽特性，通常选择的波形有正交LFM波形、步进频分线性调频、多相编码信号等。对于有N个单元雷达组成的分布式阵列相参雷达，每个单元雷达都需要接收。此外，多正交波形的接收也是设计难题，主要包括多个单元雷达回波信号进行分选、系统接收时序控制、雷达接收机设计等。

3.6 单元延时及相位估计技术

图6 分布式雷达工作流程示意

分布式雷达(工作流程见图6）为实现多雷达单元的相干合成，雷达单元间的时延与相位估计非常关键，目前具有如下几种相干参数估计方法，如峰值选取法、一维交叉相关处理法、一维全极点模型法、多脉冲积累交叉相关法和多脉冲积累全极点模型法等。实现单元延时及相位估计的基础是提高相位精度和高精度测量单元雷达间距离，从而精确标定雷达相位中心和解算时延与相位。

4 双/多基地雷达的发展趋势

4.1 多平台［11-12］

随着军事科技的发展，多平台双多基地雷达是主要发展趋势。为应对隐身飞机、巡航导弹以及未来空天飞行器的威胁，天、空、地一体的空天防御体系将是必然的发展趋势，平台的扩展给予双多基地雷达更大的发展舞台。目前，国内多家单位正在论证天基、空基、舰载、地空等双多基地雷达。可以想象，随着有关双多基地雷达一系列关键技术的发展，天空地多平台一体化的双多基地雷达网络必将形成，这将大大增强我国空天防御体系的作战能力。

4.2 多源化［13］

纵览国内外双多基地雷达的发展状况，基于调频广播、数字电视、移动通信、卫星信号的非合作式多种外辐射源双多基地雷达试验系统层出不穷，这将是未来一段时间内的研究热点，主要是因为非合作外辐射源雷达有以下几个优点:

(1）借用民用辐射源，隐蔽性强，分布广，战场生存能力强;

(2）多种外辐射源，频域覆盖广，信号带宽多样，通过多源信息融合技术，即能提高探测性能，抗干扰性能也较强;

(3）基于外辐射源的双多基地雷达通常仅需研制接收站，装备成本低。

4.3 MIMO

MIMO雷达作为一种新体制双多基地雷达，由于其天线被放置在空间不同的位置，它们相对于目标所成的角度明显不同，既具有空间几何增益，也能够利用目标的RCS 散射特性来获取空间分集增益，此外还具有抗杂波、抗干扰以及抗多径等优越性能，正得到越来越多的关注。近年来，数字阵列雷达(DAR）技术的发展为MIMO雷达的应用提供了良好的硬件支撑平台，使其具有更广阔的应用前景。

［1］杨振起，张永顺，骆永军.双(多）基地雷达系统［M］.北京:国防工业出版社，1998.

［2］王俊，保铮，张守宏.无源探测与跟踪雷达系统技术及其发展［J］.雷达科学技术，2004，2(3）:129-135.

［3］李硕.利用外辐射源探测目标若干问题研究［D］.北京理工大学博士论文，2002.7:20-40.

［4］E Fishler，A M Haimovich，R S Blum，D Chizhik，L Cimini，R Valenzuela.MIMO radar:an idea whose time has come// Proceeding IEEE Radar Conference，2004:71-78.

［5］何子述，韩春林，刘波.MIMO雷达概念及其技术特点分析［J］.电子学报，2005，33 (12A）:2441-2445.

［6］保铮.雷达信号的长时间积累//第七届中国雷达学术年会特邀报告，1999.

［7］王俊，张守宏.微弱目标积累检测的包络移动补偿方法［J］.电子学报，2002(12）:56-59.

［8］夏卓卿.脉冲多普勒雷达长时间积累技术研究［D］.电子科技大学硕士论文，2010.5.

［9］Jian Li，P Stoica.MIMO radar with colocated antennas［J］.IEEE Signal Processing Magazine，2007，24(5）:106-114.

［10］A M Haimovich，R S Blum，L Cimini.MIMO radar with widely separated antennas［J］.IEEE Signal Processing Magazine，2008，25 (1）:116-129.

［11］H.D.Griffiths，C J Baker，J Baubert，N Kitchen，M Trearust.Bistatic Radar Using Satellite-borne Illuminations［J］.IEE 2002 The Institution of Electrial Engineers:1-5.

［12］J D Sahr，F D Lind.The Manastash Ridge:A passive bistatic radar for upper atmospheric radio science［J］.Radio Sci.，1997(32）:2345-2358.

［13］H D Griffiths.Television-based bistatic radar［J］.IEE Proceedings，1986，133(7）:649-657.