平流层飞艇载有源无源一体化雷达系统研究.pdf

第37卷 第2期2023年4月空 天 预 警 研 究 学 报Journal of Air&Space Early Warning ResearchVol.37 No.2Apr.2023收稿日期：2023-04-30作者简介：董鹏曙(1965-)，男，教授，主要从事雷达装备发展与运用研究通信作者：杨遵立(1990-)，男，助教，主要从事雷达装备发展与运用研究E-mail:平流层飞艇载有源无源一体化雷达系统研究董鹏曙，杨遵立，谢幼才，向龙（空军预警学院，武汉 430019）摘要：针对平流层飞艇载有源雷达辐射功率大、能源供给受限、难以全天时工作问题，提出了一种有源无源一体化雷达系统设计方案该系统基于圆阵天线的外辐射源雷达可与综合脉冲孔径雷达共用天线、馈线、接收、信号处理等设备，只需融合外辐射源雷达信号处理软件及配置资源即可，不需要额外增加硬件仿真分析表明，通过有源无源一体化雷达设计，不仅拓展了系统工作模式，而且还改善了系统可用度，提高了系统探测效能关键词：平流层飞艇；综合脉冲孔径雷达；外辐射源雷达；圆阵天线；一体化中图分类号：TN958文献标识码：A文章编号：2097-180X(2023)02-0105-05平流层飞艇具有悬空高度高、滞空时间长、载荷能力强、视线距离远等特点，非常适宜于搭建空中目标预警监视系统1-2平流层飞艇自身是多个系统的融合体，包括飞艇、环境感知、姿态控制、飞行控制、电源管理和通信导航等，不仅技术要求高，而且费用巨大，单个飞艇的费用达数千万元3-4为了提高作战效能，基于平流层飞艇的预警监视系统不应是单一手段的探测系统，而应是多种手段综合运用的探测系统文献5提出平流层飞艇载综合脉冲孔径雷达(SIAR)系统，通过平台升空和多输入多输出(MIMO)处理，提高系统探测能力；但存在辐射功率大、能源供给受限、难以全天时工作问题文献6提出基于圆阵天线的飞艇载外辐射源雷达系统，通过接收第三方照射的散射信号，提高系统反侦抗扰能力；但存在依赖性强、探测性能降低的问题为此，本文提出了一种平流层飞艇载有源无源一体化雷达系统，即将外辐射源雷达与 SIAR融合的设计方案，给出了系统性能分析1相关理论1.1SIAR探测原理SIAR 系统组成框图5如图 1 所示(DBF 为数字波束形成)假设发射阵和接收阵都为圆形稀布阵，发射阵元数为Mt，接收阵元数为Mr发射激励信号源e(t)是宽度为Te的脉冲，经过编码网络C(t)调制后，成为不同载频的信号，分别送往各发射阵元设Ck为第 k 个发射信号频率编码，Ck-Mt-1/20Mt-1/2，f0为载频中心频率，Df为发射信号之间的频率间隔，发射信号总带宽B=MtDf，第k个阵元的辐射信号Sk(t)为Sk(t)=rect(t)exp(j2fkt)k=01Mt-1(1)式中，rect(t)=1|t|Te/20其他；fk为第 k 个阵元发射信号的频率，表示为fk=f0+CkDf当TeDf为整数时，则各阵元的信号彼此正交，不会在空间叠加形成波束，发射能量覆盖是全向的理论上可以证明，采用任何一组傅里叶变换正交基做发射信号的频率调制，就可产生空间不形成波束的全向能量照射72233MtOCk(t)接收前端与A D转换Mr11接收D B F 多普勒滤波脉冲综合目标检测与跟踪发射阵子接收阵子Ck+1(t)e(t)图 1SIAR 系统组成框图对空中远场区点目标T，与天线阵列中心的距离为R0，方位角为0，仰角为0假设脉冲宽度较大，可忽略阵面上的包络时延差，则第i(i=01Mr-1)个接收阵元的接收信号xi(t)为xi(t)=i=0Mr-1rect(t-0)expj2fi(t-0)exp(j2fiD)(2)式中，0为目标与阵中心的时延，D为目标与各阵元相对与阵中心的时延差各接收阵元接收到的信号经放大和 AD 转换后，先进行 DBF 处DOI:10.3969/j.issn.2097-180X.2023.02.005空 天 预 警 研 究 学 报2023年106理，方位上形成所需的多个接收波束；然后通过多普勒滤波把总的信号按载频分离为Nt路，每一路做相位调整(补偿D)、求和，得到距离维上被压缩的回波，脉冲宽度为Te/Nt这就是综合脉冲与综合孔径将匹配滤波器调控到所需距离和方位进行空时匹配滤波的过程1.2外辐射源雷达探测原理外辐射源雷达利用商业无线电信号作为照射源来探测目标，选取合适的辐射源与接收圆阵天线可构成预警监视系统发射站、接收站和运动目标构成的双基地雷达的平面几何关系8-9如图 2 所示fvTxLPRxRrRttr图 2双基地雷达的平面几何关系设Tx和Rx分别表示该外辐射源雷达的辐射源和接收站；L为基线长度；v为探测目标移动速度；=r-t为双基地角，它是以目标为顶点，外辐射源、接收站与目标连线之间的夹角；t和r分别表示为双基地平面上以外辐射源和接收站为坐标原点的目标方位角(也称为双基地平面上的目标视角)；为目标速度方向与双基地角平分线的夹角；Rt和Rr分别为外辐射源和接收站到目标的距离由余弦定理可得R2t=R2r+L2-2RrLcos(-r)(3)令信号由外辐射源经过目标前向散射到接收站的距离和R=Rt+Rr，代入式(3)，可得Rr=(R2-L2)/(2(R+Lcosr)=L(1-e2)/(2e(1+ecosr)(4)式中e=L/R为等距离和椭圆的离心率外辐射源选定后，直达波方向是确定的，基线长度也是确定的假设辐射源参考信号和目标反射信号到达接收站的时间间隔为，则有R-L=c(5)式中c为光速米波圆阵天线通过 DBF 处理，形成直达波束，对准外辐射源，接收参考信号；同时形成多个探测波束，覆盖探测空域，接收目标反射的回波信号利用参考信号和回波信号进行相关处理，求得相关峰值对应的时延10，通过解算可求出R、Rt、Rr1.3圆阵同时多波束测角假设有 M 个阵元，均匀分布在半径为r的圆周上，其示意图如图 3 所示波束静态方向图函数可表示6为B()=m=0M-1wmexpj2r-1coscos(-m)(6)式中，wm为第m个阵元加权系数，一般用于波束整形(副瓣抑制)；为波长；和分别为目标回波的方位角和俯仰角；m为阵元空间采样间隔，在均匀分布圆阵列中m=2m/M231MzxyrO图 3圆阵天线布置示意图若在接收时需要调整波束指向，则需要给每一个阵元输出附加一定的相位因子，假设波束指向设定为(00)，则波束方向图函数变为B()=m=0M-1wmexpj2-1rcoscos(-m)-cos0cos(0-m)(7)式(7)可进一步改写为B()=m=0M-1wmWDBF(m)expj2-1rcoscos(-m)(8)式中WDBF(m)为波束形成时每一个阵元所需要的相位因子，可表示为WDBF(m)=exp-j2-1rcos0cos(0-m)(9)利用 DBF 同时形成多个接收波束，通过相邻两个波束进行比幅内插测角，可以确定接收信号所在方位角，实现目标的定位，圆阵多波束全向覆盖示意图如图 4 所示3 0 02 7 01.00.80.60.43 3 02 4 02 1 01 8 01 5 01 2 09 06 03 00图 4圆阵多波束全向覆盖示意图设天线阵列增益为Ga，天线单元增益为Ge，则圆阵天线增益可表示为G=GaGe(10)2有源无源一体化雷达系统本文将外辐射源雷达与 SIAR 有源雷达融合设计，提出一种平流层飞艇载有源无源一体化雷达系统，分析能源约束条件下的系统工作模式第2期董鹏曙，等：平流层飞艇载有源无源一体化雷达系统研究1072.1SIAR有源探测和外辐射源雷达探测1)SIAR 有源探测SIAR 雷达方程5为R4max=MrMtAtDG22N(4)3kTsBFnLomin(11)式中，Mt、Mr分别为发射天线、接收天线阵元个数，At为每部发射组件的峰值功率，D为脉压比，G为单个阵元天线的增益，为发射信号波长，为目标散射截面积(RCS)，N为相参积累脉冲数，k为玻尔兹曼常数，Ts为系统噪声温度，B为SIAR系统的有效带宽，Fn为接收机噪声系数，L为总的损耗，omin为最小可检测信噪比2)外辐射源雷达探测外辐射源雷达实质上是收发分置的双基地雷达，最大距离积11为(RtRr)2max=PtGtGr2B()F2tF2rg(4)3kTsBnFnominLtLr=b4(12)式中，Pt为外辐射源发射功率，Gt为发射天线增益，Gr为接收天线增益，为外辐射源波长，B()为目标散射截面积，Ft和Fr为方向图因子；g为积累增益，k为波耳兹曼常数，Ts为接收机噪声温度，Bn为接收机检波器前的噪声带宽，Fn为雷达系统噪声系数，omin为接收机输出端最小可检测信噪比，Lt和Lr分别是发射和接收系统的损耗；b 为系统退化到单基地雷达状态时的最大探测距离，定义为系统探测常数将式(12)进行变形并分离信号源参数，可得omin=PtGt4R2tB()Gr2F2tF2rg(4)2R2rkTsBnFnLtLr(13)定义t=PtGt/(4R2t)为外辐射源在目标位置的信号功率密度，t主要由外辐射源的发射功率、天线形式、外辐射源与目标距离决定可利用的外辐射源有FM广播、数字广播(DAB)、数字电视(DT-MB)、微波移动通信(GSM)信号、LTE 信号等123 个 FM 的外辐射源探测覆盖示意图如图 5所示假设 3 个照射源TX1、TX2、TX3分别位于y 轴上(0L0)、(0-L0)、(00)，接收站位于 x 轴上xyL0L0T X1(0,L0)T X2(0,-L0)T X3(0,0)R X(d,0)LLO图 53 个 FM 的外辐射源探测覆盖示意图(d0)，照射源TX1和TX2到接收站的基线距离为L，则有L=(L02+d2)1/2，设 m 为基线长度和探测常数比值，则有m=L/b2.2有源无源一体化雷达系统设计SIAR 具有全向照射、波束驻留时间长、能量利用效率高等特点，其辐射功率大，能源消耗高而外辐射源雷达自身不辐射电磁波信号，通过接收目标反射的外辐射源信号实现目标定位，能源消耗低，不易被侦察系统发现，具有较强的战场生存能力将两者融合设计，电能充足时可以采用有源雷达工作模式，电能不足时可以采用无源雷达工作模式，或根据作战需要灵活切换，以降低能源需求，提高系统探测效能选用调频电台作为照射源，采用软件无线电技术，外辐射源雷达可与平流层飞艇载 SIAR融为一体，共用 SIAR 的接收圆阵天线、接收前端及 AD 转换、信号处理、数据处理等设备，只需要增加外辐射源雷达配置资源和处理软件即可，不需要额外增加硬件该有源无源一体化雷达系统具有以下优势：SIAR 采用大口径、稀布圆形阵列天线发射正交频率编码信号，具备全时全向探测能力，能量利用效率比常规雷达更高SIAR 没有常规雷达所需的大功率伺服系统，降低了供电要求，在总能量一定的条件下可将这部分能量供给发射机，辐射更大的功率，可提高探测威力SIAR省掉天线机械扫描所需传动设备，比常规体制雷达减轻了重量，更适于浮空工作SIAR 天线振子可以兼作飞艇的部分骨架，可进一步降低重量，通过优化天线布阵形式，还有利于维持飞艇的平衡SIAR 能够进行长时间的脉冲积累，有效提高雷达的探测能力；将雷达平台升至平流层后，地面遮挡影响基本消除，低空探测性能可以得到较好改善；而且发射为全向，具有更好的隐蔽性能和抗干扰性能调频广播电台众多、发射功率大、资源丰富，建立调频广播电台数据库，优选不同调频台作为照射源，可增大外辐射源雷达探测范围根据作战需求及能源供给情况灵活切换工作模式2.3能源约束条件下系统工作模式平流层飞艇载雷达采用太阳能电源加储能电池供电模式由于地球的遮挡效应，太阳能电源系统在全天 24 h 中只有 12 h 左右能正常供电要保持雷达全天时工作，则要求电源能提供 12h的储能供电，对储能电池的容量及平流层飞艇的载重提出了极高的要求因此，平流层飞艇载雷达系统可用度受能源供给的影响较大空 天 预 警 研 究 学 报2023年1081)能源供给充足条件下系统工作假设 SIAR 工作时所需的功率为 P，太阳能电源系统的输出功率为P(其中为太阳能电源系统的供给系数)SIAR 工作，不考虑储能损耗，系统工作时间为12P/P=12，其可用度为12/24=0.5因此，只有当2时，SIAR可全天时工作2)能源供给不足条件下系统工作当2时，SIAR 不可能全天时工作在这种情况下，通过有源雷达、无源雷达合理调度运用，可实现系统全天时工作假设外辐射源雷达相对于 SIAR 的功率因子为(为远小于 1 的常数)，则外辐射源雷达单独工作时所需的功率为P有源、无源雷达交替工作，有源雷达工作x小时，无源雷达工作(24-x)h，由此得能源约束方程：12P=xP+(24-x)P010 x24(14)求解得有源雷达、无源雷达工作时间分别为t1=12(-2)/(1-)t2=12(2-)/(1-)(15)3仿真结果与分析3.1SIAR有源探测和外辐射源雷达探测的分析1)SIAR 有源探测分析设收、发天线单元数均为 25，单个天线增益为 6dB，每个发射组件的峰值功率为1 kW，收发组件数均为 25，发射通道、接收通道损耗均为 2dB，接收机噪声系数为 3dB；取发射信号中心频率为110MHz，时宽为 160s，脉冲综合后时宽为 5s；脉冲重复频率 300 Hz距离分辨单元为 750 m，音速径向飞行目标的驻留时间为 2.2s，取脉冲积累数 N 为 128SIAR 有源探测性能如图 6 所示135791 1最小可检测信噪比/d B1 0 02 0 03 0 04 0 05 0 0探测距离/k m=0.1=0.5=1.0=5.0=1 0.0图 6SIAR 有源探测性能由图6可知，目标散射截面积一定时，SIAR有源探测距离随着最小可检测信噪比omin增大而减小；当omin一定时，目标散射截面积越大，SIAR有源探测距离越大，当=10 m2，omin=11 dB，探测距离约为 350km2)外辐射源雷达探测分析以 FM 广播作为外辐射源，计算系统探测距离设发射天线增益Gt=8 dB，FM发射信号频率为100MHz，发射功率10kW，有效带宽为200kHz；共用 SIAR 的接收天线，25 个接收阵元，每个阵元的增益为 6，则接收天线增益Gr=21.8 dB；距离分辨单元 750m，径向音速飞行目标的驻留时间为 2.2s，取相干积累增益 24dB；omin为 11.2dB，噪声系数为 3dB，系统总损耗为5dB，目标散射截面积B()=10 m2，方向图因子为 1，则计算可得系统探测常数 b 为 290.5 km假设在 3 个 FM 场景中(见图 5)，L0=100 km，得到外辐射源雷达探测的总覆盖面积随 m 变化曲线，如图 7 所示通过优化可得，当m=0.944、d=255.4km 时，最大探测覆盖面积约3.25105km2.12 3456789 1 0m051 01 52 02 53 03 5探测覆盖面积/1 04k m2图73个FM照射源下外辐射源探测覆盖面积变化曲线3.2有源无源一体化探测分析取L0=100 km，b=290.5 km，m=0.944，B=10 m2，omin=11.2 dB，得到有源无源一体化探测时的覆盖情况，如图 8 所示当系统工作于有源雷达(SIAR)工作模式时，可计算最大探测距离为346.3km以 3 个 FM 调频广播电台作为外辐射源时，其覆盖范围为 3 个椭圆区域的叠加，最大探测探测距离约为 458.3km-2 0 0-1 0 01 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 6 0 0-4 0 0-3 0 0-2 0 0-1 0 01 0 02 0 03 0 04 0 0R Xy/k mx/k m0有源S I A R 工作模式T X1T X2 外辐射源雷达工作模式T X3图 8有源无源一体化探测时的覆盖情况由图 8 可知，系统工作于外辐射源雷达模式时，与有源雷达探测时相比，外辐射源一侧的探测范围增大了，有源雷达一侧的探测范围减小了，且其覆盖范围小于有源雷达时覆盖范围因此有源雷达是其主要工作模式，外辐射源雷达是其辅助工作模式3.3能源约束条件下的系统工作模式分析表 1 给出了能源供给受限条件下外辐射源雷达功率因子=0.1时，有源雷达、无源雷达工作时间分配图 9 给出了不同条件下有源探测第2期董鹏曙，等：平流层飞艇载有源无源一体化雷达系统研究109时间和无源探测时间与太阳能电源系统供给系数的关系表 1=0.1时有源无源雷达工作时间分配0.50.81.01.21.41.61.82.0有源探测时间/h4.08.010.713.315.018.721.324.0无源探测时间/h20.016.013.310.79.05.32.70.000.40.81.21.62.00481 21 62 02 40481 21 62 02 4有源探测时间/h无源探测时间/h供给系数=0.0 5=0.1 0=0.2 0=0.3 0图 9不同下有源和无源探测时间与的关系由图 9 可知，能源供给受限条件下，当一定时，越小，有源探测时间越长；当一定时，越大，有源探测时间越长通过有源探测和无源探测时间的合理分配，可充分发挥系统的探测效能4结论1)本文提出了一种平流层飞艇载有源无源一体化雷达系统设计方案基于圆阵天线的外辐射源雷达与综合脉冲孔径雷达共用天线、馈线，通过软件无线电技术共用接收、信号处理等设备，分析了有源和无源探测场景以及能源约束条件下的系统工作模式2)仿真结果表明，该雷达系统的主工作模式是有源雷达方式，辅助工作方式是无源雷达方式；能源受限场景下合理分配有源探测和无源探测时间，可有效发挥该系统的探测效能3)本文仅从体制论证、探测范围、工作模式等方面对平流层飞艇载有源无源一体化雷达系统进行了分析探讨，其系统结构设计、处理算法、资源管控、外辐射源优化等多方面还需进一步深入研究参考文献：1郑伟,杨跃能,吴杰.平流层飞艇飞行控制研究综述J.飞行力学,2013,31(3):193-197.2马宝林,桂先洲,赵勇胜.飞艇作为临近空间战主要作战平台的军事效能分析J.飞航导弹,2012(9):85-88.3张国华.临近空间目标探测分析J.现代雷达,2011,33(6):13-15.4韩庆,乔梁,秦琪.一种联翼式平流层飞艇的总体设计J.现代防御技术,2020,48(1):1-10.5董鹏曙,李宗亭,张朝伟.平流层飞艇载综合脉冲孔径雷达系统研究J.雷达科学与技术,2012,10(5):476-480.6董鹏曙,孟藏珍,花良发,等.基于圆阵天线的飞艇载外辐射源雷达研究J.现代雷达,2017,39(4):9-13.7李宗亭,董鹏曙,王得伟,等.稀布阵综合脉冲孔径雷达方程及应用分析J.空军雷达学院学报,2011,25(5):332-335.8孙仲康,郭福成,冯道旺,等.单站无源定位跟踪技术M.北京:国防工业出版社,2008:69-99.9王志纲,董鹏曙,吴琼.飞艇载无源雷达的外辐射源选择J.雷达科学与技术,2014,12(1):8-12.10 王俊林,游志刚,梁忞飞.外辐射源雷达系统中时延估计算法及仿真J.现代防御技术,2011,39(1):129-131.11 董鹏曙,孟藏珍,刘浩,等.一种外辐射源雷达探测范围快速计算方法J.现代雷达,2018,40(4):1-5.12 杨遵立,董鹏曙,张衡,等.一种多照射源被动雷达系统探测覆盖面积计算J.空天预警研究学报,2022,36(5):313-318.Research on stratospheric airship-borne active-passiveintegrated radar systemDONG Pengshu,YANG Zunli,XIE Youcai,XIANG Long(Air Force Early WarningAcademy,Wuhan 430019,China)Abstract：Stratospheric airship-borne active radar has the problems of large radiation power,limited energysupply and difficulty working all day.In order to solve the problems,this paper proposes a design scheme for ac-tive-passive integrated radar system.The proposed system based on passive radar with circular array antenna canshare antenna,feeder,reception,signal processing and other equipment with synthetic impulse and aperture radar(SIAR).It only needs to integrate the signal processing software and configuration resources of the passive radar,without the need to add any other hardware.Simulation analysis shows that the active-passive integrated radar de-sign not only expands the working mode of the system,but also improves the system availability and enhances thedetection efficiency of the system.Key words：stratospheric airship；synthetic impulse and aperture radar(SIAR)；passive radar；circular arrayantenna；integration