杜 科, 刘爱华, 周 焯, 蒋兵兵, 黄 飞
(上海无线电设备研究所,上海 201109)
雷达导引头作为导弹的“千里眼”、“顺风耳”,是精确制导武器系统的重要组成部分,是导弹武器系统探测识别性能大幅提升的关键[1]。相控阵雷达导引头的成功应用是对传统雷达导引头的一次技术革命。相控阵雷达导引头具有辐射功率大、波束控制敏捷及波束赋形灵活等特点。当前主要军事强国相继突破了相控阵雷达导引头关键技术,并争先将相控阵雷达导引头应用于精确制导武器。
随着雷达及其干扰设备在现代战争中的广泛应用,战场的电磁环境愈发复杂。电磁空间作为陆、海、空、天作战空间之外新兴的第五维空间,已成为攻防双方必争的技术高地。随着各国武器装备的升级迭代,电磁对抗手段的不断发展,现代化战争中新型角度欺骗干扰、支援式主瓣压制干扰、大功率旁瓣干扰和组合干扰等复杂干扰样式的出现,使得雷达导引头面临的电磁环境日益复杂,给雷达导引头在目标探测及干扰对抗方面带来了巨大的挑战[2]。
近年来,多通道相控阵的理论研究及工程化应用的突破,促进了阵列信号处理技术在通信、雷达、声纳、地震勘探等领域的飞速发展[3]。相控阵雷达为阵列信号处理技术的应用提供了硬件基础,先进阵列技术凭借其在干扰对抗方面的优势,为雷达导引头在目标探测、干扰对抗及抗杂波等方面的能力提升提供了有力支撑。先进阵列技术在雷达导引头后续发展中拥有巨大的提升潜力和广阔的应用前景。
阵列雷达导引头普遍工作在微波波段,微波技术的发展不断推进着阵列雷达导引头的升级换代。雷达导引头中的新型天线及天线阵列、大功率发射机、新型发射/接收(T/R)组件、接收机、高性能信号处理及高集成信号传输网络等技术的发展,很大程度上促进了阵列雷达导引头研制水平的提升。
相控阵雷达导引头技术研究始于20世纪80年代。美国、英国、德国及日本等国目前已经研制了多种相控阵导引头,并开展了多通道阵列雷达导引头抗干扰验证试验,充分体现了阵列雷达技术的优势[1]。
美国通过联合双任务导弹(JDRADM)、下一代空空导弹(NGM)、三类目标终结者(T3)等项目开展了基于相控阵的多模导引头研究,完成了样机研制和演示验证试验。美国正在用空空导弹AIM-260替换现役空空导弹AIM-120,有可能采用有源相控阵雷达导引头替换平板缝隙阵机扫雷达导引头,提升导引头的反隐身能力。
美国休斯公司在欧洲申请的专利EP621654A2中介绍了用于相控阵雷达导引头的主动电子扫描阵列[2],通过模块化设计获得低成本和高孔径能量。通过自适应波束形成技术调整阵列中单个阵元的增益和相位,形成实时的波束零陷,可以有效对抗干扰机施放的干扰。阵列可以被拆分成多个子阵,子阵可以通过合适的信号处理,实现多目标跟踪和攻击。该系统充分体现了多通道相控阵技术的优势。
英国QinetiQ公司对其X波段电扫描阵列(AESA)天线进行了闭环试验,验证该阵列可在干扰方向形成零陷,有效对抗空中或地面干扰。该系统采用了多通道阵列,结合自适应数字波束形成技术,提升了导引头的抗旁瓣干扰能力[3]。
德国EADS公司正在研发一种空空导弹用新型Ka波段相控阵雷达导引头[3]。采用该相控阵雷达导引头的空空导弹可对多个目标进行跟踪。该雷达导引头为多通道体制,采用接收多波束技术实现对多个目标的跟踪,增强了导引头对抗目标实施的自卫干扰的能力。
日本新一代空空导弹AAM-4B采用了Ka波段有源相控阵雷达导引头。日本正在开发采用氮化镓(GaN)T/R组件的相控阵雷达导引头,有望进一步提高发射功率,提升导引头的探测距离。2014年,英国与日本开展合作,计划将AAM-4B导弹的相控阵雷达导引头集成到“流星”超视距空空导弹中。该改进型号称为联合新型空空导弹(JNAAM),2016年完成可行性论证,目前该项目已转入研发阶段。
相控阵雷达导引头不仅为制衡隐身技术提供了一种新的技术途径,而且提升了雷达导引头的抗干扰性能。目前,相控阵雷达导引头正朝着多通道阵列方向快速发展,在精确制导武器反隐身、抗复杂干扰领域具有广阔的应用前景。
2.1 先进阵列雷达类型
目前研究较为广泛的先进阵列雷达主要包括多通道雷达、分布式多输入多输出(MIMO)雷达、集中式MIMO雷达[4-8]、频控阵雷达[9]及可重构阵列雷达等。
多通道雷达通过合适的子阵划分,在接收端获取目标多通道回波数据,可灵活高效地使用数字波束形成、自适应数字波束形成、空时自适应处理等阵列信号处理技术,提升雷达抗干扰及抗杂波性能。
分布式MIMO雷达收发天线的各个子阵相距很远,使得子阵的目标观测角各不相同。由于在不同子阵观测角下的目标回波不相关,分布式MIMO雷达可获得目标的空间分集增益,克服目标雷达散射截面积闪烁效应,提高对目标的探测性能。
集中式MIMO雷达收发天线的各子阵相距较近,各子阵具有相同的目标观测角。但由于每个子阵发射不同的信号波形,可以获得波形分集增益。集中式MIMO雷达在接收端进行匹配滤波处理,实现发射信号分离。通过收发联合处理,MIMO雷达具有虚拟孔径扩展能力及更灵活的功率分配能力。利用集中式MIMO雷达可提升系统的能量利用率、测角精度、杂波抑制能力及低截获能力等。
频控阵雷达和相控阵雷达一样,在发射端发射相参信号,不同的是频控阵雷达在各个发射子阵上附加很小的频偏(频偏远远小于其载频),使辐射信号的频率中心有所偏移,但其主要频率成分是重叠的。频控阵在雷达导引头中的重要应用潜力是可以对目标距离和方位角进行二维联合估计。
可重构阵列雷达基于可独立收发的子阵,利用可动态配置的阵列结构及大带宽频率资源,实现天线子阵结构的动态配置、子阵工作模式及工作频点的灵活控制。通过配置各个子阵的发射波形及发射模式,可重构阵列雷达可兼容多通道阵列、集中式MIMO阵列,频控阵列等多种工作模式,支撑多子阵、多频段同时工作,以及多频段交替工作等多种工作方式。可重构阵列雷达导引头可根据不同的作战场景,选择最合适的工作模式,综合提升雷达导引头的低截获性能及抗干扰能力。
2.2 先进阵列雷达关键技术
(1)数字波束形成技术
在雷达领域,为提升广域空间内信号的截获概率,需在雷达搜索范围内同时形成多个波束,数字多波束技术应运而生。数字波束形成是基于相控阵多通道天线,利用同一天线孔径形成多个接收波束。
多通道阵列雷达导引头的多个子阵间发射正交波形,各子阵的发射波束在空域不叠加,实现宽波束发射。在接收端采用多波束同时处理,形成多波束凝视探测能力,可实现多目标同时探测与跟踪。
(2)波束赋形技术
波束赋形是根据波的干涉原理,在给定的阵列孔径、阵元个数等条件下,通过对天线阵元的选择,对阵元位置、激励电流幅度与相位的设计,使得天线方向图在期望角度实现相长干涉,而在干扰、杂波等角度实现相消干涉,形成方向图零陷,以实现满足需求的方向图。通过波束赋形不仅可降低信号被侦收截获的概率,也可实现抗干扰、抗杂波功能。
(3)自适应数字波束形成技术
自适应数字波束形成是自适应天线阵列处于复杂干扰环境时,依据不同的最优化准则,利用相应的自适应算法,对各阵元的输出做加权求和,使得阵列方向图在期望方向上获得最大增益,并且在干扰方向生成零陷,从而达到增强有用信号,并抑制干扰的目的。
自适应数字波束形成与常规数字波束形成最大的区别在于,能够自适应地在干扰方向形成零陷,从而有效抑制干扰。目前使用最广泛的自适应波束形成算法为基于线性约束最小方差准则的最优加权值算法。该算法通过最小化阵列输出功率来降低干扰和噪声的增益,同时通过对期望信号方向的增益附加线性约束来保持波束对期望信号增益不变,从而提高波束形成后的信(干)/噪比,实现对干扰的自适应抑制。
(4)空间谱估计技术
在多通道阵列雷达导引头接收端,空间谱估计算法首先对阵列各子阵通道采样数据求取协方差矩阵,对协方差矩阵进行特征值分解,获取信号子空间和噪声子空间;再利用信号方向性矢量与噪声子空间的正交特性,构建待搜索角度的阵列方向性矢量,通过求取其与噪声子空间的相关系数,获取角度搜索区域的空间谱。当搜索的角度与目标的方向一致时,构建的阵列方向性矢量与噪声子空间正交,此时在空间谱上形成极大值。通过搜索空间谱的极大值点对应的角度,获取信号角度估计值。相比传统的单脉冲测角方法,空间谱估计方法分辨性能不受瑞利极限约束,可实现天线主波束内多目标的角度分辨和测量。
(5)空时自适应处理技术
空时自适应处理利用多通道阵列提供的多个空域通道信息和相干脉冲串提供的时域信息,通过空域和时域两维自适应滤波,实现对强杂波与干扰的有效抑制。
目前,雷达导引头作战需求正向着大空域探测、多目标跟踪、智能干扰对抗等方向发展。先进阵列技术在雷达导引头中的应用包括广域目标探测、制导引信一体化、抗干扰及抗杂波。
3.1 广域目标探测
随着导弹对目标探测距离增加,且末制导阶段预装信息误差大,导致雷达导引头搜索预装空域方位及俯仰覆盖范围将超过20°。可能存在由预警机、战斗机、电子战飞机等多架飞机构成的多目标场景,如图1所示。雷达导引头探测时将面临搜索空域大、空域内目标数量多等严峻挑战。
图1 多目标场景
在阵列雷达导引头发射端采用波束赋形技术展宽波束,实现宽波束发射;在接收端采用数字多波束技术,形成多个窄波束同时接收,如图2所示。图中实线表示发射的宽波束,虚线表示多个接收窄波束。宽波束发射提升了导引头发射波束覆盖范围,可实现导引头搜索大空域覆盖,解决广域目标搜索问题。多个窄波束接收提升了目标角度估计精度,形成了多波束凝视探测能力,可实现广域多目标同时探测。在数据处理端采用多目标航迹处理技术,可有效保证不同接收波束内多目标的稳定跟踪。
图2 宽波束发射、多窄波束同时接收示意图
3.2 制导引信一体化
现代战场中,敌我双方作战能力快速提升,威胁目标的种类、运动特征多变,使得弹目交会情况愈加复杂。基于相控阵雷达导引头波束赋形的制导引信一体化技术,可综合利用弹目交会等信息,提高引战配合效率。
制导引信一体化通过与雷达导引头共用硬件和信息,实现引信功能。雷达导引头末制导阶段完成目标跟踪任务后,进入引信工作区域并转入引信工作模式。随着目标的临近,弹目视线角高动态变化。为确保目标始终处于波束内,近距时采用波束赋形技术实现宽波束方向图,与调整波束中心方向相结合,保证对目标的有效照射,实现导弹对远距目标和近距目标探测的无缝衔接。
由于雷达导引头波束窄、探测区域小、探测范围有限,为满足弹目交会段目标探测的要求,利用基于相控阵赋形的引信波束形成方法,实现约90°的碗状喇叭前向探测波束,解决了高速小目标探测的引信波束形成问题。基于阵列综合理论,以期望的波束形状为参考,采用加权最小均方误差算法迭代优化幅相加权值,完成主瓣波束展宽的引信波束赋形,满足引信探测要求。制导引信一体化的引信波束赋形示意如图3所示。
图3 制导引信一体化中引信波束赋形示意图
3.3 抗干扰
(1)自适应数字波束形成抗角度欺骗干扰
在对空领域雷达导引头抗干扰应用场景中,典型的干扰包括远距离支援式干扰和投掷式干扰。这两类干扰一般通过从旁瓣方向辐射大功率压制干扰,实现对导引头主瓣内目标载机的掩护。对于支援式干扰,目前的机械扫描雷达导引头及传统三通道相控阵雷达导引头没有有效的对抗措施,只能在弹目距离达到导引头的烧穿距离时,才截获目标。对大功率支援式干扰,导引头的作用距离将大大降低。在雷达导引头接收端,利用自适应数字波束形成技术,实时动态调整天线方向图,使导引头天线主瓣方向始终对准目标,零陷方向对准干扰,可实现旁瓣干扰的有效抑制,提升雷达导引头抑制旁瓣干扰的能力。自适应数字波束形成抗干扰效果如图4所示。
图4 自适应数字波束形成抗干扰效果示意图
针对自适应幅相加权对单脉冲测角算法中和、差波束的扰动问题,可采用自适应方向图保形技术提高单脉冲测角精度,如自适应差波束单脉冲测角算法。该算法的基本思想是:假设和波束的主瓣没有变化,对差波束的主瓣进行约束,使得鉴角曲线的斜率保持不变。自适应波束形成仿真方向图如图5所示。在实际应用中,由于快拍数有限、阵列误差、接收数据中包含期望信号等因素存在,传统的自适应波束形成算法性能将会下降。通常采用对角加载技术可提高算法稳健性。
图5 自适应波束形成仿真方向图
(2)空间谱估计抗主瓣假目标干扰
随着干扰技术的发展,敌方战机装备了新型拖曳式诱饵干扰和投掷式诱饵干扰,该类诱饵具备角度欺骗能力。敌方干扰系统通过侦测雷达导引头的距离速度跟踪波门,施放多重假目标诱饵,在跟踪波门内对目标进行距离和多普勒遮蔽。由于目标所在的距离速度分辨单元包含了干扰信号,导引头利用单脉冲测角方法获取的角度测量值为目标回波和干扰信号叠加后等效散射单元的角度值。该角度值与目标所在方向存在偏差,导致导引头被诱偏。利用空间谱估计方法的角度超分辨能力,可以实现同一距离速度分辨单元内目标回波和干扰信号的角度分辨,同时获取目标和干扰的角度测量值,提升导引头抗主瓣内多重假目标干扰的能力。多通道空间谱角度超分辨抗主瓣干扰示意如图6所示,其仿真效果如图7所示。
图6 多通道空间谱角度超分辨抗主瓣干扰示意图
图7 主瓣内目标干扰角度超分辨仿真结果
空间谱估计方法的分辨性能主要受雷达导引头阵列通道之间的幅度和相位误差影响。在工程应用中,一般通过多通道幅相校准方法降低通道间的幅相误差。空间谱估计方法能同时分辨的最大信号数量受限于天线子阵的数量。雷达导引头在阵列设计中需要确保天线具备足够的自由度,保证天线通道数量大于待分辨的信号数量。空间谱角度估计精度受阵面孔径、信号回波信噪比及协方差快拍数影响。在工程应用中,可利用相参积累后的数据提升目标回波信号的信噪比,从而提升目标估计精度。空间谱估计方法的计算量与阵列的通道数量及搜索角度数量相关,可通过限定搜索角度范围、降低搜索计算量,提升算法的实时性。
3.4 抗杂波
(1)空时自适应处理抗地海杂波
导弹在打击下视目标时,会受到海面/地面强杂波的影响,运动目标信号常被淹没在主瓣杂波中。为提高雷达导引头目标检测性能,必须对杂波进行有效抑制。多通道相控阵雷达导引头可利用空时自适应处理技术来抑制强杂波[10-11]。
当雷达导引头采用下视工作方式时,面临杂波强度大、分布范围广、频谱展宽严重等问题。以对地导弹为例,导引头回波中目标、干扰、杂波能量在空间频率及多普勒频率二维平面的分布如图8所示。
图8中干扰仅来自一个方向,在时频域呈现条状分布,而杂波呈对角分布。由于杂波强度大,无论在时间响应维还是空间频率维上,目标信号都会被杂波的投影所掩盖。传统雷达导引头采用的杂波抑制方法仅在时域或频域一维处理,难以有效抑制杂波,导致弱小目标信号仍淹没在剩余杂波中无法被检测到。因此,杂波抑制是雷达导引头研制过程中需解决的技术难题。
空时自适应处理技术充分利用多通道雷达提供的多个空域通道信息和相干脉冲串提供的时域信息,通过空域和时域二维自适应滤波,在空频二维平面的对角线上形成凹口,实现杂波的有效抑制,解决雷达导引头的杂波抑制难题。空时自适应处理前后的目标回波的空频二维图如图9所示。空时自适应处理前,由于强杂波的存在,目标回波信杂比低,不利于检测,如图9(a)所示。通过空时自适应处理,地杂波被抑制,目标回波信杂比提高,容易检测,其效果如图9(b)所示。
图9 空时自适应处理前后目标回波空频二维图
工程应用时,空时自适应处理面临计算量大的问题。由于导弹飞行速度快,对信号处理实时性要求高,而弹上空间有限,无法装载重量和体积较大的运算设备,使得自适应处理技术在雷达导引头上的应用变得尤为困难。但是随着弹载处理平台计算能力的不断提升,不断推进着空时自适应处理技术在弹载平台上的应用,实现雷达导引头的抗地海杂波能力提升。
(2)波束赋形低副瓣抗杂波
雷达导引头在低空巡航或下视尾追目标时,低俯仰角区域杂波进入天线副瓣。此时,若不进行杂波抑制,传统的目标检测方法将难以从杂波中分离出目标信号,致使目标检测性能大幅下降。抗副瓣杂波最直接的方法是采用低副瓣技术。相控阵导引头低副瓣技术为全空域低副瓣技术,该技术存在波束展宽明显、天线增益降低等问题。针对上述问题,利用相控阵天线的非对称副瓣技术仅对波束对地副瓣区域进行低副瓣处理,通过降低对地方向波束副瓣电平,减小导引头下视尾追时地海杂波的影响。该方法针对整个对地副瓣区域进行低副瓣处理,较之全空域低副瓣技术,缩小了低副瓣区域范围,降低了波束低副瓣对天线波束宽度及增益的影响。
多通道雷达导引头通过增加虚拟杂波源个数及宽杂波零陷,构造虚拟接收数据协方差矩阵,自适应地在影响目标信号识别的杂波角度特定区域形成宽零陷,使波束形状与战场环境匹配,抑制地面副瓣杂波。该方法将强地海杂波所处的区域作为虚拟杂波源的来波方向,强杂波所处的大致区域范围可根据预装的导弹速度、目标速度以及弹体下视角获得,或是通过导引头变换低副瓣区域并比较信号处理数据确定。较之非对称副瓣方法,自适应低副瓣技术波束赋形更灵活,针对性更强,强杂波区域副瓣更低,杂波抑制能力更强。通过波束赋形技术,可以有效降低副瓣杂波,提升雷达导引头对尾追目标的探测能力。波束赋形低副瓣仿真结果如图10所示。
图10 波束赋形低副瓣仿真图
随着雷达导引头探测及抗干扰、抗杂波需求的不断发展,阵列雷达导引头的先进阵列处理技术,包括MIMO阵列处理技术、频控阵列处理技术及可重构阵列处理技术,将进一步提升雷达导引头目标探测、抗干扰及抗杂波能力。
4.1 MIMO阵列处理技术
相比相控阵雷达导引头,MIMO阵列雷达导引头在相同天线孔径条件下可综合出更大的虚拟孔径,提升导引头的角度分辨能力和测角精度。MIMO雷达导引头可利用MIMO收发联合处理,通过自适应数字波束形成技术提升导引头的抗旁瓣干扰能力及多目标分辨能力。MIMO阵列雷达导引头通过合理设计发射波形,得到适当宽度的发射波束覆盖范围,并通过增加脉冲积累时间,提高杂波抑制性能及多普勒频率分辨率,提升对低空目标的探测能力。利用MIMO阵列雷达波形的低截获特性,还可提升雷达导引头抗干扰能力。
MIMO阵列的关键技术包括部分相关波形MIMO雷达信号处理方法、快速发射波形优化设计技术、对多普勒频率稳健的MIMO阵列雷达波形设计技术及低复杂度信号处理技术。
4.2 频控阵列处理技术
频控阵雷达波束增益表现为时间、距离和方位的函数。通过自适应调整频控阵雷达的频率增量,来最大化雷达导引头接收机的输出信噪比和信干比,达到最佳的杂波和干扰抑制效果。未来有望构建具有环境认知能力的频控阵雷达导引头,实现杂波和干扰的自适应抑制应用,提升雷达导引头的环境认知能力与目标探测能力。
在干扰对抗方面,频控阵列可通过对各阵元的频偏进行特殊编码,使阵列瞬时辐射功率在距离-方位空间尽可能均匀分布,并通过相位调制降低发射信号被截获解调的概率,最后在接收端通过波束的相位解码和接收波束形成,恢复综合出高增益的发射阵列方向图。在保持雷达导引头对目标有效探测的同时,降低发射信号被截获的概率,提升雷达导引头干扰对抗能力。
频控阵列处理关键技术包括频控阵波束的距离方位角去耦技术、频控频率编码技术及基于频控阵列的杂波抑制技术。
4.3 可重构阵列处理技术
基于独立可收发的子阵,通过配置子阵发射波形及发射模式,可重构阵列可兼容多通道阵列、集中式MIMO阵列,频控阵列等多种工作模式。雷达导引头利用可重构阵列处理技术,根据作战场景自适应改变工作模式,结合相应的波形处理方法和阵列信号处理算法,可获得最优的目标探测及干扰对抗效果,提升对复杂作战场景的适应能力。
先进阵列雷达导引头具有波束控制灵活、自适应抗干扰、抗杂波等特点,可有效提高导弹的探测能力和复杂电磁环境下的抗干扰能力。随着阵列信号处理技术的发展和实用化,以及集成电路和信号处理技术的飞速发展,先进阵列雷达导引头在目标探测、抗干扰、抗杂波方面的优势将日益突显,必将成为未来雷达导引头发展的重要方向。
猜你喜欢子阵副瓣赋形C波段高增益低副瓣微带阵列天线设计成都信息工程大学学报(2022年4期)2022-11-18相干多径环境下的毫米波大规模MIMO混合波束赋形方案重庆邮电大学学报(自然科学版)(2022年4期)2022-08-29低副瓣AiP 混合子阵稀布阵设计电子技术与软件工程(2022年8期)2022-07-08非均匀间距的低副瓣宽带微带阵列天线设计北京航空航天大学学报(2021年9期)2021-11-02子阵划分对相控阵设备性能影响舰船电子对抗(2019年4期)2019-09-10基于SRS遍历容量的下行波束赋形性能研究计算机应用与软件(2019年2期)2019-04-01雷达副瓣跟踪机理分析电脑与电信(2018年11期)2018-02-16S波段低副瓣平面阵列天线设计雷达与对抗(2015年3期)2015-12-09具有散射对消功能的赋形阵列天线优化电子设计工程(2014年18期)2014-02-27一种平面阵的非均匀子阵划分方法火控雷达技术(2012年3期)2012-06-05