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临近空间高超声速目标雷达探测技术现状与趋势

2024-02-14 来源:步旅网
第3O卷第1期 信 号 处 理 Vo1.3O No.1 2014年1月 JOURNAL OF SIGNAL PROCESSING Jan.2014 临近空间高超声速目标雷达探测 技术现状与趋势 汪连栋 曾勇虎 高 磊 陆 俊 (1.电子信息系统复杂电磁环境效应国家重点实验室, 洛阳471003;2.中国卫星海上测控部,江阴214431) 摘要:临近空间高超声速目标对空间防御体系提出了新的挑战,应用雷达探测临近空间高超声速目标对于空 间预警具有重要意义。论文首先介绍了临近空间高超声速目标典型特征,接着从信号处理、信号波形和雷达体 制三个方面总结了高速目标探测技术现状,并分析现有技术在高超声速目标探测上的不足:现有的信号处理方 法未考虑高超声速目标电磁散射特性、目前的多种编码信号波形对高超声速的容忍能力不足、现有的雷达体制 没有综合考虑目标高超声速运动和雷达散射截面积小的特点。在高超声速目标特征和探测技术现状分析的基础 上,指出了等离子体目标特性、支持快速观测的多站雷达系统和融合相干积累的机动检测三个方面是临近空间 高超声速目标探测领域将要解决的问题。此外,还给出了一种应用于临近空间高超声速目标探测的多站雷达系 统结构设计。 关键词:临近空间;高超声速目标;等离子体;多站雷达系统;相干积累;机动检测 中图分类号:TN957 文献标识码:A 文章编号:1003—0530(2014)01—0072—14 Technology Status and Development Trend for Radar Detection of Hypersonic Target in Near Space WANG Lian。dong ZENG Yong.hu GAO Lei LU Jun (1.State Key Laboratory of Complex Electromagnetic Environment Effects on Electronics and Information System, Luoyang,471003;2.Department of Measurement and Control on Sea for Satellites of China,Jiangying,214431) Abstract:Hypersonic target in near space put forward new challenge to space defense system,and it has important sig— nificance to apply radar tO detect hypersonic target in near space.Firstly,typical characteristics for hypersonic target in near space are described.Secondly,the technology status for detection of hJ gh velocity traget is summarized from three as— pects which include signal processing,signal waveform and radar system,and then the shortage for detection of hypersonic target with current technology is analyzed.The shortage includes three aspects,the first is that the current signal processing doesn’t take account the electromagnetic scatter characteristic of hypersonic target;the second is that the current several kinds of coding signal waveform have not enough tolerance to hypersonic speed,and the third is that the current radar sys— tem doesn’t take account hypersonic movement and small radar cross section for the target synthetically.Under the base of characteristics analysis and technology status for detection,it is pointed that three aspects including plasma characteristic, multi—static radar system supporting rapidly ohservation and maneuver detection syncretizing coherent accumulation are nee— ded to solve in radar detection of hypersonic target in near space.Furthermore,a structure of multi—static radar system for 收稿日期:2013—02—01;修回日期:2013-08—28 基金项目:总装预研基金课题资助(51303010203—2) 第1期 汪连栋等:临近空间高超声速目标雷达探浈4技术现状与趋势 73 detecting hypersonic target in near space is put forward. Key words:Near Space;Hypersonic Target;Plasma;Multi—static Radar System;Coherent Accumulation;Maneuver De— tection 1 引言 经过半个多世纪对太空资源的利用,在轨航天 器越来越多,加上历次航天活动遗留的空问垃圾, 高超声速无人机的典型代表是美国于2004年前 后试验的x。43飞行器,其速度达到了10Ma ;高超 声速轨道式再入飞行器的典型代表是俄罗斯的GLL— VK,它与“白杨”弹道导弹相结合,充当后者的弹头, 空间已经变得很“拥挤”。随着相关技术发展,人们 逐步将关注点扩展到了临近空间,相应的,临近空 间目标探测成为一个有意义的工作。 近年来,临近空间中的高超声速目标逐渐成为 临近空间目标关注的焦点,临近空间中的高超声速 目标是指速度超过5Ma的快速移动目标。目标的 快速运动会导致雷达回波信号中出现显著的多普 勒频移¨],这会导致窄带雷达信号出现频谱展宽, 宽带雷达信号匹配滤波速度失配,从而对目标探测 造成障碍。在临近空间高超声速目标引起关注之 前,主要考虑对空间的高速目标的雷达探测,在此 领域,国内外诸多学者从信号处理、信号波形以及 雷达体制等方面进行了大量的工作,取得了良好的 效果,这些工作将为临近空问高速目标的探测提供 技术参考,虽然现有的高速目标雷达探测技术未必 能够直接应用到高超声速目标探测中。 为了有效地推动临近空间超高声速目标雷达 探测技术完善发展,本文先介绍了典型临近空间高 超声速目标的特点,简单探讨对临近空间高超声速 目标进行探测时存在的问题,进而针对存在的问 题,介绍当前处理类似问题的技术研究现状,最后 讨论高超声速目标雷达探测技术的发展趋势,探讨 多种理论和技术在高超声速目标雷达探测技术中 应用前景。 2临近空间高超声速目标特点与探测需求 分析 临近空间中目前主要有三类高超声速目标:高 超声速无人机、高超声速轨道式再入飞行器、高超 声速巡航导弹 J。 在再入段实现对导弹防御系统的快速突防,已在 2001年和2004年进行了试验 ;高超声速巡航导 弹的典型代表是近两年备受关注的美国x一51A飞 行器。X一51A的目标是提供一种全新的快速全球打 击能力 J,虽然该飞行器在前三次试验只有第一次 取得了成功,但在2013年5月3日,美国空军发布 了一份声明,称在2013年5月1日的第四次试验 中,取得了成功,最高速度超过5Ma,6分钟飞行距 离超过了426公里。 临近空间高超声速目标有三个运动特点E7]_8 和两个电磁散射特点l ,其中运动特点如下: ①飞行速度快:高超声速目标的飞行速度在5— 25Ma(1Ma对应的具体速度值在不同高度和压力下 是不同的,但目标飞行速度不会超过第一宇宙速度 7.9km/s)之间; ②巡航高度高:高度范围在20km~lOOkm之间; ③机动能力强:飞行轨道为跳跃式飞行轨道, 飞行参数难以测量。 电磁散射特点如下: ①目标后向散射截面积(Radar Cross Section, RCS)小,一般在0.01~0.1m ; ②高超声速目标表面高温导致产生等离子体, 会折射和吸收电磁波信号。 临近空间高超声速目标的上述运动特点和电 磁散射特点,对雷达探测系统提出了一系列要求: ①信号处理速度快:目标运动速度快,为了给 后续拦截系统预留尽可能多的时间,需要尽快实现 目标检测的信号处理工作; ②速度容忍范围大:目标运动速度快,但仍要 求雷达系统的信号形式能够正常的接收和处理; 74 信 号 处 理 第3O卷 ③机动跟踪能力强:目标飞行轨道的不确定, 需要雷达具有某种特殊设计的体制,在目标强机动 情况下,保持跟踪; ④系统功率高:目标高度高,相应的距离远,且 目标自身RCS小,从而要求雷达的发射功率足够 强劲。 ⑤雷达信号频率合适:为了通过高超声速目标 表面的等离子体,雷达信号的频率波段也要根据等 离子体中电波传播特性进行适当的选择。 上述五点要求中,前三点要求在目前的高速目 标雷达探测技术中均有对应或相关的研究:信号处 理速度快与信号处理技术相关;速度容忍范围大与 信号波形有关,而机动跟踪能力强则与雷达体制相 关。因此,在技术现状分析中,将针对这三点要求 进行对应性介绍。而对于后两点要求,系统功率和 信号频率主要是参数设置问题,其中的功率主要体 现在雷达系统的研制水平上,与探测技术的关系并 不密切;信号的频率主要根据高超声速目标表面的 等离子体属性来进行选择,能够对探测技术产生一 定的影响,但不是关键性影响,且现有高速目标探 测技术几乎不涉及这方面问题。因此,对后面两点 要求,没有进行对应性介绍。 3 高速目标的雷达探测技术现状分析 在临近空间高超声速目标引起人们关注之前, 空间高速目标已经获得了充分的关注,针对后者的 雷达探测问题,国内外学者开展了大量的研究,而 且其讨论的目标速度范围业已覆盖了高超声速的 范围。因此,已有的应用雷达探测空间高速目标的 技术在与临近空间高超声速的特点相结合之后,理 论上可以应用于探测临近空间高超声速目标,从而 可以作为高超声速目标探测的技术现状。 下面主要从信号处理、信号波形和雷达体制三 方面介绍高速目标探测技术研究现状,并进行简要 分析和总结。 3.1高速目标探测中的信号处理 3.1.1高速运动的影响机理 从线性调频(Linear Frequency Modulation, LFM)信号这种雷达信号波形开始介绍高速目标探 测中的信号处理。LFM信号的复包络表达式可以 p 抖 ]] ㈩ 其中/Z(t)=rect(t/T),T是信号脉宽, 为载频,Y 为频率调制率。对于由M个散射点组成的目标,其 LFM信号回波利用参考信号进行Stretch处理后的 中频信号可以写为: s ( )=∑6(r )u( —tdi)exp(-j2 ̄qb ( )) (2) 其中6(R ),t =2R /c,R 分别为第i个散射点的散 射强度、延时和距离,c为光速,参考信号的延时为 to=2Ro/c,Ro为参考距离, (t)= (tdi一 )+yt(t 一 。)一 ( 2 一t )/2。目标处于低速状态时,在脉宽时 间内,散射点Ri近似为常量,此时中频信号为多个 点频信号之后。如果目标速度 过快,将R =R+Vt 代人中 (t)表达式有 j: + + H (3) 由(3)式可知,在高速状态下,中频信号变成了新的 调频信号,调频率是速度的函数,从而难以从(3)式 中直接通过谱估计方式获得目标的散射点分辨。 3.1.2补偿方法 针对上述信号模型,出现了两种补偿思路,其 中一种是先估计速度,然后补偿相位中的二阶相位 部分,另一种,则是直接进行时间尺度变换,抑制速 度的影响。 先介绍通过速度估计的补偿方法。金添等提 出用分段相关的思路,估计(3)式对应中频信号的 调频率,从而实现速度估计,进而补偿高速运动成 分¨。。。刘爱芳等用修正离散Chirp.Fourier变换对 Stretch处理后的信号进行调频率估计,估计出目标 速度,实现高速运动补偿H 。张焕颖等利用雷达辅 第1期 汪连栋等:临近空间高超声速目标雷达探测技术现状与趋势 75 助测距信号测得的参考距离和对目标距离像包络 对齐的结果拟合出目标运动轨迹,进而对回波进行 以拟合轨迹为参考距离的解调频处理,完成回波的 脉冲内速度补偿 。 注意到(3)式中时间的一次项,其中包含了速 度成分fot(2Wc),从而高速运动不仅导致调频信号 的出现,不同脉冲之间同一个散射点还会产生越距 离单元走动,从而在距离一慢时间域上,多帧距离像 中的散射点难以实现良好对齐,而是在时间上出现 不均匀排列。针对该现象,Xing Mengdao等针对高 速运动导致的ISAR成像中越距离单元走动问题, 提出用Keystone变换进行校正 引,苏峰等对线性调 频步进信号的同频点脉冲应用Keystone变换校正 距离走动并进行相参积累以获得高信噪比 ,Key. stone变换的基本原理是进行时间尺度变换,以抵消 速度导致的散射点的走动。除了Keystone变换外, 文献[15]用Radon变换处理一维距离像,实现对运 动相位项的参数估计和补偿。Keystone变换是从距 离一慢时间域上进行时间尺度变换,消除速度的效 果,不需要估计速度,而Radon变换能够从距离一慢 时间域上的散射点轨迹中估计出运动相位项乃至 运动速度。上述速度导致散射点越距离单元走动 的机理,还可以扩展到信号的一般形式,文献[16] 推导了一般形式下的回波模型,并应用快速Radon. Fourier变换对距离一慢时间平面中的目标轨迹进行 积分以积累雷达目标能量,提高检测效果。 针对上述线性调频信号的窄带形式,基于类似 的数学模型,其越距离单元走动仍可能存在。文献 [17]针对窄带线性调频雷达信号观测高速目标的 情况,应用Keystone变换解决脉冲积累时目标出现 越距离单元走动问题。文献[18]则针对窄带线性 调频雷达信号检测高速小目标情况,先估计高速运 动导致的接收信号中的附加频率距离维和方位维 分量,然后将其补偿,最后按照ISAR成像的方式进 行方位向聚焦,提高检测效果。 3.1.3分析与讨论 简单小结高速目标探测中的宽带信号处理方 式,其主要有两类: 第一类是设法从宽带回波数据或其他途径估 计出目标运动速度,补偿回波中的高速运动成分, 从回波中估计目标速度的方法包括从单帧回波进 行分段处理的、修正离散Chirp.Fourier变换以及从 多帧回波的距离一慢时间域的Radon变换; 第二类是通过变换的方式补偿高速运动导致 的相位或距离像中散射点的位移,常见的变换有 Keystone变换和Radon Fourier变换。 上述介绍的宽带信号处理方式,在信号表达式 类似的情况下,还可以应用到窄带的情况。 正如前面提到的,上述文献主要针对空间高速 目标的情况进行的分析,但所提的方法的速度范围 包含了高超声速目标的速度范围,如文献[11]的仿 真分析中,速度达到了lOkin/s,超过了临近空间中 高超声速目标巡航速度上限(7.9km/s),文献[12] 中仿真分析的速度也达到了5km/s。实际上,目前 针对高超声速目标的检测 和参数估计方法 。。, 其方法与上述对空间高速目标的处理方法也是类 似的。此外,目前上述现有技术 m]~[。。 能够处理速 度带来的影响,但基本上都没有考虑临近空间目标 电磁散射特性的因素,而后者可能会对信号处理的 效果带来较大影响。 3.2高速目标探测中的信号波形 目前用于高速目标探测的波形具有多种形式, 除了最常见的线性调频信号外,在相关文献报道的 还有相位编码步进频率信号及其特例:步进频率信 号和正交频分信号、线性调频步进信号(Linear Mod- ulated Stepped Frequency,LMSF)、噪声调频连续波 信号、随机噪声调频信号、Costas编码跳频宽带信号 和随机步进频率信号。 3.2.1相位编码步进频率信号 相位编码步进频率信号的复包络数学表达式 可以写为 : Ⅳ一l K一1 s ( ): ∑∑c√ V n 0 m 0  ( 一mr, 一凡 )exp(j2nnAft) (4) 76 信 号 处 理 第30卷 其中:“ (t):reet(t/T )/ ̄/ 。,Ⅳ为脉冲个数, 为 图1所示。 步进子脉冲重复周期,子脉冲脉宽 =KT1, 为每 段相位编码长度,△厂为频率步进步长,c 为编码序 列,常见的如二相巴克码,K为编码长度。赵彬等研 究了二相巴克码编码步进频率信号对高速目标的 精确速度估计方法,并在估计速度基础上,讨论了 高速运动目标的距离像合成方法 ;赵兆在其学位 图1 线性调频步进信号的频率变化规律 论文中讨论了高速运动在相位编码信号中的多普 Fig.1 Frequency rule for LMSF signal 勒效应,并提出了相应的抑制方法心 。 高昭昭等研究了高速运动对线性调频步进雷 3.2.2步进频率信号 达信号每个子脉冲的影响,讨论用子脉冲来估计高 步进频率信号是相位编码步进频率信号的特 速运动参数,以实现运动补偿 J。如果线性调频步 例,其数学表达式可以将上述编码序列长度 =l, 进信号满足 = ,则线性调频步进信号子脉冲之 编码数值改为“1”得到,即步进频率信号可以写为: 1 间没有时间间隔,从而转化为线性调频信号。 1 ( )= ∑Ⅱ√ V n=0  ( —nT )exp(j2=nAft)(5) 3.2.4噪声调频信号 Fabrizio Berizzi等研究了目标径向速度对步进 噪声调频连续波信号的复包络为: 频信号的距离包络产生的距离移位、信噪比损失和 s ( )=Aexp{j[2 ̄fot+O(t)]} (8) t 对称扩散等损失,定义了一个合成距离包络的新代 其中:O(t)=2兀 J。J o  e(f ) ,调制噪声e(t )为零均 价函数,提出了对称优化方法来补偿运动 ]。 值、广义平稳的随机过程,通常可选高斯白噪声, 步进频率信号对频率步长△厂与子脉冲时间长 为调频斜率,A为噪声调频信号的幅度, 为载频。 度 没有明确的要求,如果Aft。为整数,此时有: 噪声调频连续波信号具有发射信号无周期,具有理想 毒 xp(j2 ̄n )exp(~j2nmAft)d = 主 的图钉型模糊函数,没有周期性距离模糊和速度模糊 (6) 等特点,吕婧等利用上述特点,将其应用于远距离的 从而步进频率信号变成正交频分(orthogonal 超高速空间目标探测领域,并针对高速运动回波模 frequency division multiplexing,OFDM)信号。OFDM 型,提出了采用校正距离走动的“匹配参考信号”进 信号具有循环重复特点,文献[24]利用此特点来解 行相参处理的方法,实现跨距离门积累 ]_2 。 决高速运动导致的越距离单元走动问题,给出了结 噪声跳频连续波信号的一种变形是随机噪声 合Keystone变换思想的补偿公式。 调频信号,后者的复包络可以写为 : 3.2.3线性调频步进信号 s (t)=[X(t)+jr(t)]exp(j2nfot) (9) LMSF信号由多个线性调频子脉冲组成,其复 其中 厂n是载频,X(t)和Y(t)是零均值、带宽为 的 包络数学表达式可以写为 : 平稳高斯过程。对使用随机噪声跳频信号的雷达 S3(t)=∑U3(£一n )exp(j2 ̄(f0+n△厂) 通常采用相关处理获得目标的距离和速度。Zhang (t—nTr3)+jo ) (7) Yah等研究了目标或平台快速运动情况下的,应用 其中:“ (t)=reet( / )exp(jnyt ),t为快时间,y 随机噪声雷达测距、测角和}贝4速所受到的影响,并 为调频斜率, 为子脉冲宽度, 为子脉冲重复周 讨论了参数设计和测量性能之间的折衷问题 。 期 +n 和0 分别为第n个子脉冲的载频和初 3.2.5 Costas编码调频信号 相,Ⅳ为步进频率数。其频率随时间的变化规律如 Costas编码跳频宽带信号的形式如下: 78 信 号 处 理 第30卷 上也是具有优势的,文献[4O]中就MIMO雷达和定 向波束雷达在高速目标检测性能上的对比也说明 个信号,同时接收多个信号。设多发多收体制中有 个发射阵元,Ⅳ个接收阵元,每个发射阵元和接收 阵元构成一个双站雷达,从而一次信号收发便等效 实现了MN个双站雷达同时观测,即显著提高了能 了这点。文献[41]等针对单基地MIMO雷达,使用 噪声信号研究高速目标的检测问题,利用MIMO雷 达在短时间内输出的多路回波数据进行相参并行 处理来取代回波数据的长时间相参积累检测,以避 免距离走动,径向速度变化以及反射截面积(RCS) 快起伏等非平稳因素对目标检测的影响。 。目 砧 v/ l 2 … I 膨 l 2…Ⅳ YYYYYYY…丫 YY…丫一 Zlz  ',I- 。I.l ・・II 0 x 子阵2 … 子阵 图3相控阵MIMO雷达阵列结构图 Fig.3 Array configuration for Phased—MIMO Radar 3.3.3双站雷达 前面的SIAR以及部分MIMO雷达一般属于多 站结构,较为复杂,双站雷达则相对较为简单,只有 一对分置的发射端和接收端。针对双站结构,在发 射端和接收端之间的某个区域的观测效果要大大 优于单站结构。A.V.Myakinkov研究使用双站前 向散射雷达探测具有较小雷达散射截面积的高速 目标,讨论了准调谐信号形式下目标前向散射回波 的最佳相关滤波器处理结构l4 。Xiao Bo等考虑用 双站逆合成孔径雷达对高速目标进行观测,提出了 基于离散Chirp—Fourier变换的方法补偿高速运动成 分 。Zhang Oongchen等提出用Radon.Wigner检 测器估计目标速度,进而提出了三天线干涉ISAR 方法来实现高速空间目标三维成像 J。 3.3.4分析与讨论 SIAR实际上就是一种典型的M1MO雷达。相 控阵MIMO雷达可以看成是特殊的MIMO雷达,双 站雷达可以看成是MIMO雷达的一种退化:单发单 收。因此,可以认为除了单站雷达外,目前报道的 其他用于高速目标探测的雷达均具有多发多收体 制。多发多收体制的一个优点是能够同时发射多 够积累的信息量,从而有助于目标探测效果的改善。 由于可以从多个角度观测目标,多站雷达将有 助于对高超声速目标大范围机动的跟踪,但是在多 站雷达中应用的信号波形及信号处理技术仍需要 考虑高超声速和目标RCS小对应的需求特点。 3.4高速目标探测技术结构 通过3.1~3.3的归纳整理,目前对高速目标探 测的技术可分为三个层次:雷达体制、信号波形和 信号处理。每种雷达体制会存在多种信号波形,每 种信号波形有多种处理方式。结合上述介绍内容, 应用雷达探测高速目标的相关技术的内在逻辑结构 如下图4所示。图中, 1虚线左下方部分对应3.1节 的内容, 虚线与 1虚线之间的部分对应3.2节 的内容, 虚线右侧的部分对应3.3节的内容。 从图4可以看出,单站雷达体制下的信号波形 及其相应的处理方式已经有了较为全面深入的工 作,但诸如MIMO雷达等新体制雷达的相关信号形 式设计以及相应的信号处理技术还需要深入全面 研究。上述技术若应用到高超声速目标探测中,则 在目标电磁散射特性和运动特性方面的针对性研 究显得不够充分,而高超声速目标电磁散射特性和 运动特性对于目标探测的影响是显著的。 4 高超声速目标的雷达探测技术趋势预测 在探讨高超声速目标的雷达探测技术趋势之 前,简单总结目前对临近空间高速目标的探测体系 研究情况。 文献[45]较早提出用天基雷达系统探测临近 空间飞行器,并设计了星座设计方法;文献[46]综 述了国外临近空间武器的发展现状和主要特点,指 出了预警探测技术应对临近空间武器的关键技术 和技术途径;文献[47]和[48]总结归纳了临近空间 高超声速飞行器的特点和现状,介绍了目前国外应 对临近空间目标的探测体系;文献[49]则在总结临 近空间高超声速特点基础上,指出了防御临近空间 高超声速目标的难点,进而分别从预警探测、指挥 控制和拦截武器三个角度阐述了对抗策略。 第1期 汪连栋等:临近空间高超声速目标雷达探测技术现状与趋势 79 雷达体制 ^_l_……—_ :信号波形 图4高速目标探测技术结构图 Fig.4 Configuration of detecting technology for high velocity target 日标  .发射 接收部分 (陆基 基/天基 台1 图5 一种应用于高超声速目标探测的多站雷达系统示意图 Fig.5 Sketch map of multi—static radar system for detecting hypersonic target in near space 文献[45]~[49]是目前为数不多的涉及临近 讨论其探测技术的发展趋势。 空问高超声速目标探测的文献,其中[46] ̄[49]主 高超声速目标雷达探测效果受四个因素的影 要是从临近空间防御系统的角度出发开展相关讨 响:首先是目标自身的特性,其次是所使用的雷达 论,并未以雷达传感器为焦点,文献[45]主要考虑 的体制,第三是雷达中工作的信号,第四则是相应 了临近空间目标的运动特征,没有涉及到临近空间 的信号处理方法。相应的,在应用雷达探测高速目 目标表面的等离子体这一特点。下面以雷达为主 标还需要研究以下三个方面的内容:一是等离子体 要传感器,充分考虑临近空间高超声速目标特点, 目标特性;二是支持快速观测的多站雷达系统,包 信 号 处 理 第30卷 括新雷达体制以及相应信号的快速采集;三是融合 相干积累的机动检测。 4.1等离子体目标特性 前文提及,临近空问中高超声速目标的表面会 覆盖等离子体。处于静态的等离子体,会对电磁波 产生折射效应,同时会吸收电磁波的功率,且折射 和吸收的效果受多种因素影响,主要有:电磁波的 频率、极化方式以及等离子体自身的离子分 布 儿如J。而对于临近空间中高超声速目标表面的 等离子体,其离子分布情况是动态的,原因有两点, 一是目标的高度变化会导致所处的大气密度变化, 进而影响等离子体的离子浓度;二是目标的高速运 动,导致等离子体的物理形态属性复杂。等离子的 物理形态需要用流体力学等方面的理论来描述 , 只有先对其物理形态建立流体力学模型,才能够研 究等离子体对各种频率、极化方式信号的作用模型。 因此,为了实现对临近空间中高超声速目标的 探测,首先需要研究目标表面的等离子体物理特 性,分析各种信号在等离子体中的传播特性,选择 合适的信号频段,进而结合雷达系统的其他需求寻 找合适的信号形式和处理方式。 按照目前对等离子体中电波传播特性的研究 结论,信号频率越高,其受到的折射效应越小_3 J,从 而在充分考虑电波传播大气“窗口”特性的情况下, 使用毫米波波段,如美国Haystack雷达即将或已经 使用的w波段中的92GHz~100GHz (52j。 4.2支持快速观测的多站雷达系统 目标速度的不断提升,留给防御方的反应时问 越来越短,这就要求雷达能够快速观测,且所使用 的工作信号能够迅速采集、处理,以实现目标的有 效检测。此外,等离子体能够产生隐身效果,为了 克服隐身效果,需要采用类似于组网雷达的多站雷 达系统进行观测 i。因此,需要研究支持快速观测 的多站雷达系统,并为多站雷达系统设计相应的信 号形式及其相应的快速采集方式。 4.2.1多站雷达体制 前文提到的MIMO雷达有分散型和紧凑型两 种 ,对于分散型MIMO雷达也可以看成是一种特 殊的多站雷达系统。MIMO雷达能够在一次脉冲时 间内得到多路回波信号,相比于常规雷达一次脉冲 只有一路回波的情况,MIMO雷达具有快速观测的 能力,且目前已经有相关文献讨论其对高速目标的 搜索策略问题 。深入研究分散型MIMO雷达的 工作原理,探索其灵活多变的布站方式 ,提高或 改进其工作效率将有助于对高速目标的探测。对 于紧凑型MIMO雷达,其主要优势在于改善参数估 计的性能,而不是目标检测,因此,不适宜应用于临 近空间高超声速目标探测。 除了分散型MIMO雷达,其他如双站前向散射 雷达、双站逆合成孔径雷达均是可以用来改善或提 升对高超声速目标观测速度的雷达体制 。j 。 4.2.2信号形式设计及其压缩采样 多站雷达体制需要相应的信号形式,如分散型 MIMO雷达系统,需要设计正交信号集,以保证从每 个接收阵元中分离来自不同发射阵元的信号。而 为了提高雷达的分辨率,还需要每个信号具有一定 的带宽。 除了信号自身的性能外,为了提高多站雷达系 统的观测速度,还要求信号能够快速采集和传输。 压缩采样是近年来提出的一种针对稀疏信号的新 型采样体制 [ 。。,其基本原理是:对于在某 个函数基上具有稀疏表示的信号,用随机矩阵将其 降维投影到一个较短的矢量上,在原信号矢量长度 和投影结果矢量长度与原信号稀疏度满足一定关 系的情况下,原信号矢量可以从投影结果矢量中几 乎无损地重构出来,且这种投影方式不需要随着信 号的不同而做出对应性调整。利用压缩采样方法, 可以有效地降低需要采集的数据量,从而降低了数 据传输的压力,这对于数据的快速采集和传输是有 利的。针对MIMO雷达系统而言,每个接收阵元收 到来自不同发射阵元的信号后,需要进行分离处 理,在引入压缩采样后,可将信号分离与压缩采样 结果的稀疏重构相结合处理,以提高数据处理的 速度。 虽然压缩采样能够显著降低采集的数据量,但 存在的前提是信号具有稀疏表示,因此,在多站雷 达体制信号形式设计的基础上,需要探索所设计信 号的稀疏表示,为应用压缩采样技术提供条件,在 条件满足后,还需要研究相应的稀疏重构和处理 方法。 4.2.3一种多站雷达系统结构设计 结合上述对雷达体制的讨论,下面设计一种多 第1期 汪连栋等:临近空间高超声速目标雷达探测技术现状与趋势 81 站雷达系统,其结构如图5所示,其中发射部分由 个阵元组成,接收部分由Ⅳ个阵元组成。这个结构 是在MIMO雷达典型结构 基础上发展而来的,其 主要特点是在接收部分,将压缩采样技术应用到每 个阵元的信号接收中,以降低数据传输速率,同时, 在信号处理时,将压缩采样信号重构处理与常规 MIMO雷达信号处理中必须的信号分离进行了结 合。此外,在图5的结构中,发射部分内部阵元之间 以及接收部分内部阵元之间保留足够的距离,以使 得相对于远处的目标,呈现为分散型MIMO雷达 结构。 除了融入压缩采样技术外,针对高超声速目标 表面存在等离子体的特点,考虑将发射部分的阵元 安置在陆基平台上,而将接收部分安置在海基和天 基两种平台上。 对于图5给出的多站雷达系统的结构,其工作 频率可选用前面提到的92GHz—IOOGHz。考虑到 目标检测对带宽的要求并不高,因此,其信号形式 可以选频率分集正交信号 引。 4.3融合相干积累的机动检测 临近空间高超声速目标的RCS小,因此,在前 面雷达体制和信号形式研究设计的基础上,检测此 类目标还需要进行相干积累,通过对多次回波中的 目标能量进行积累,以提高目标检测概率 。对于 图5的多站雷达系统,每个发射阵元和接收阵元组 成一路观测通道,从而构成MxN路观测通道,观测 通道之间的信号是正交的,但对每个观测通道,前 后脉冲时刻的信号可以做相干积累。 前文提到,临近空间目标的轨道富于变化,即 临近空间目标存在多次机动的情况。每次机动一 般对应着一次目标状态变化,因此检测目标机动具 有重要意义 [63 3。针对空间或临近空间高速目标 RCS小的特点,为了提高机动检测的准确率,需要 将相干积累融入到机动检测中,文献[63]利用高分 辨一维多普勒像进行机动检测的方法体现了相干 积累的思想,但该文献针对单站雷达体制,而对于 多站体制以及相应的信号形式,融合相干积累的机 动检测仍是需要研究的问题。对于图5的多站雷达 系统,只能对每个观测通道进行相干积累,同时,在 保证频率分集正交的前提下,每个发射阵元的信号 带宽尽可能大,以提高分辨性能。 5 总结 临近空间高超声目标探测对于临近空间预警 监视具有重要价值。本文首先介绍了典型临近空 间高超声速目标的基本运动特征和电磁特征,接着 从信号处理、信号波形和雷达体制三个方面总结了 目前应用雷达探测高速目标所做的工作,并给出了 探测技术结构框图。在技术现状的总结和高超声 速目标的特征陈述的基础上,指出还需要从等离子 体目标特性、支持快速观测的多站雷达系统和融合 相干积累的机动检测三个方面进一步推进高超声 速目标探测技术的发展。 临近空间高超声速目标,将是对雷达的一种巨 大挑战和严重威胁。无论是从空间安全还是雷达 自身安全出发,研究雷达对临近空间中高超声速目 标的探测问题都十分必要,可能是由于部分非技术 原因,目前针对临近空间中高超声速目标探测的文 献还较少,本文试图在分析高速探测技术现状的基 础上,对此领域今后的趋势做了一个粗略预测,相 关内容还需要开展大量的探索性研究工作。 参考文献 [1]姜卫东,曹敏,聂镭,付耀文.空间目标动态电磁测 量数据仿真方法研究[J].系统工程与电子技术, 2009,31(9):2042-2045. 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