基于MIMO体制的协同探测雷达网技术研究 |
| 2012-06-21 11:35 作者：熊年生 来源：硅谷网-《硅谷》杂志 HV： 编辑： 【搜索试试】
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摘要：针对未来信息化战争对预警探测系统的需求，提出一种基于MIMO体制的雷达协同探测技术，给出一种可行系统的组成并分析其特点。该探测网以二维相控阵雷达作为核心组网单元，以无源被动探测系统为重要补充，通过宽带信息传输网络将各节点的探测信息输入到协同融合中心，完成多个雷达节点在航迹级、点迹级和信号级的多层次融合，具有发现能力强、定位精度高、工作模式灵活等性能优势。
关键词：MIMO雷达；雷达组网；协同探测；信息融合
中图分类号：TN957文献标识码：A文章编号：1671—7597（2012）0510
0引言
【《硅谷》杂志2012年5月刊文】
随着电子信息技术的发展和武器装备信息化水平的提高，现代战争的作战样式和作战方法都发生了深刻的变化，网络中心战将成为未来信息化战争下的主要作战模式。雷达作为作战部队的神经中枢，不仅能够获取、传输和处理攻击敌方所需信息，而且还担负着己方的火力和电子防护的探测、指挥功能。作战样式的转变要求雷达系统应由单平台向网络中心的多平台探测体系转变。
雷达组网[1，2]是一种常见的多平台预警探测系统，它将多部雷达的探测信息依据需求进行融合处理，构成一个全方位、立体化、多层次的战斗体系，具有全频段、多体制、多重叠系数等技术性能，能有效提高武器的战斗和生存能力。然而，传统的雷达组网技术强调集中指挥、层次分工，雷达网的整体系统功能发挥不够，如在雷达网的自适应能力（包括优化部署和自组网）、情报自动融合能力（包括目标跟踪、航迹滤波、平滑、预测、关联和融合）等方面；而且目标定位是基于数据融合的方法未能全面提升雷达网对目标的定位精度[3，4]。近年来提出的MIMO雷达[5，6]为雷达网的发展提供了一种新的思路。本文将MIMO思想推广到雷达组网探测中，提出一种基于MIMO思想的雷达网发展构想（以下简称MIMO雷达网），进一步增强和完善组网雷达的协同探测能力，提高系统的综合探测性能。
1MIMO雷达基本原理
如图1所示，MIMO雷达由M个发射天线和N个接收天线构成，发射信号相互正交，即
（1）
图中发射天线间距和接收天线间距分别为和，发射天线和接收天线与目标的距离分别为和，目标尺寸为，并且满足
（2）
（表示波长）以使MIMO雷达各通道（发射天线—目标—接收天线）的回波信号相互独立，即各天线能从不同角度独立观测目标。接收时，基于（1）式所给的正交特性，分离出不同发射单元的信号并进行集中处理，以提取目标信息。
（a）MIMO雷达与目标几何关系示意图
（b）MIMO雷达接收信号处理
图1MIMO原理框图
同传统体制雷达相比，MIMO雷达采用空间分集和波形分集技术，接收天线能够处理多个发射天线的目标回波，通过收发端的协同工作，并可将信息融合的层次提高到信号层，从而有效提高雷达对目标的发现性能和参数估计精度。
2MIMO雷达网系统组成
MIMO雷达网由雷达节点、协同融合中心以及信息传输网络组成，能够将来自各个雷达节点的探测信息和节点本身的栅格信息构成一个体系进行处理，提升系统综合探测能力。
2.1雷达节点
MIMO网内的雷达节点是以二维相控阵雷达作为核心组网单元，以无源被动探测系统为补充。
二维相控阵雷达的收发端在方位和俯仰上均采用数字波束形成技术，具有以下性能优势：1）复杂的波形产生与灵活的波束调度能力，便于实现雷达节点间的空间同步，同时能够将自身的单基地回波信息与接收到其他雷达节点的双基地回波联合处理，综合利用网络多节点的能量，提升雷达探测性能和信息质量；2）具备低副瓣、大动态范围以及强的反杂波性能；3）未来数字阵列雷达将由两部分构成，一是微波子系统，即集成收发组件和天线单元的高度集成模块，二是通用数字信号处理机[7]，将具有多功能、一体化、智能化等特点，可以根据战术目的和要求选择各阵元的分组与动态重构。因此选取二维相控阵雷达作为核心组网单元，可满足信息化战争条件下对雷达节点多功能和多样化任务的需求。
民用调频广播信号、电视信号、移动通信信号以及卫星信号等信号源部署广泛，具有多频段、全方位的特点，十分适合构建多发多收探测系统，并且该系统成本低、寂静探测、生存能力强，可以充分利用空间分集和频率分集特性降低目标起伏的影响和改善雷达的抗干扰性能，能成为有源雷达的重要补充。
此外，要实现MIMO雷达网内多节点的协同探测，还需要进行时间同步设计。设计时，主要考虑以下两点：
1）时间源采用一致：所有雷达统一使用统一时间源，如北斗或GPS等，保证时间源本身不带来精度上的误差。
2）时间提取原理一致：要求所有雷达时间提取的原理一致，如均利用秒脉冲对齐，形成点迹数据时插入时标等，以保证所有雷达的点迹时间产生一致，减小误差。
2.2协同融合中心
协同融合中心包括计算设备、控制设备和信息传输设备。在进行融合处理时，根据实际任务需求，各节点通过宽带信息传输网络，选择传输原始回波数据、目标及背景杂波的特征统计量、点迹或航迹等信息到协同融合中心，实现多部雷达在航迹级、点迹级或信号级的多层次融合处理。协同融合中心则通过对雷达节点的天线扫描方式、波束驻留时间、发射波形选择以及开关机等控制，统筹运用各节点探测信息，完成预警探测、态势综合、威胁评估、资源管控和信息分发等。
2.3信息传输网络
信息传输网络是信息获取和共享的基础，以光纤通信为主要手段，以卫星、微波以及短波通信为补充，具有实时性、高质量以及网络拓扑结构可动态重构等特征。在进行信息传输网络设计时，可通过多种措施提高系统的通信能力。以点迹传输为例，可增加点迹自适应控制单元，根据通信速率，自动控制传输的点迹等信息，避免数据过多堵塞通信链路，具体的方法有：
1）数据滤波技术应用：减少大量的虚假点迹，以减轻通信负担；
2）2）TBD技术应用：在数字滤波技术基础上对大量的点迹和暂时航迹进行多帧累积相关，逐一去掉虚假点迹、虚假航迹，减轻通信负担；
3）3）点迹区域控制：设置点迹窗，仅传输窗口内的点迹数据，其他区域不传输，以减轻通信负担。
3MIMO雷达网性能优势
3.1多视角探测，目标发现能力强
目标RCS具有明显的闪烁特性，目标在姿态和方向上的微小变化，可能导致雷达目标回波强度5~20dB的起伏[5]。MIMO雷达网利用这一特性，通过优化网内资源，使多个雷达节点协同工作，从不同视角同时观测目标，利用在处理时将目标多方向的散射回波能量在信号层叠加，从而提高网络的发现能力，这在防空作战中有重要的应用价值，一方面可以减小对单个节点雷达功率孔径积的要求，降低成本；另一方面有利于发现隐身目标，因为采用外形隐身的目标通常在鼻锥方向正负30度内有较小的RCS，其侧向散射能量并未减小，在某些角度反而增大，如F-117A有12个强散射方向，B-2有四个强散射方向[8]。
3.2多节点协同定位，提高防空系统协同作战能力
MIMO雷达网可以利用雷达测距精度高的特性，通过对网内雷达的波束调度等措施，使多个雷达节点对同一目标的近同时交叉探测，实现对空中目标高精度的定位，即令、和为目标在给定坐标下的坐标，为雷达节点的坐标，为多个雷达对同一目标的测量量（单基地距离、方位角、仰角、双基地距离和等），则目标坐标值与测量量的关系可以表示为
（3）
基于上述方程可解算出目标的坐标。
协同定位在反隐身作战领域有广阔的应用前景。当采用低频反隐身技术时，受到天线孔径尺寸的限制，单部雷达具有角精度低的弱点，采用多部雷达协同定位，可克服测角精度差对定位性能影响，有利于实现协同交战的精确引导。
3.3对等式的网络结构，提高防空系统的生存能力
MIMO雷达网采用波形分集技术，网内雷达节点除了进行单基地探测外，还可以同时接收目标对其它节点发射信号的双基地回波，即节点具备融合中心的能力，整个系统实质上是一个对等网络。因此，系统生存能力强，并可根据感知环境信息，实时其调整工作参数与模式，实现MIMO体系结构下的单传感器性能优化。
3.4分布式部署和灵活的工作模式，提高系统的抗干扰能力
敌方难以对MIMO雷达网内的空间、时间、极化方式、工作频率不同分布的多部雷达进行同时干扰，而且网内雷达可以采用交替开机等措施实现干扰抑制；另外波形分集技术使网内雷达可以采用灵活的工作模式，如采用发射机在后、接收机前置部署的双/多基地模式，能有效对付各种有源、无源干扰以及欺骗式假目标干扰。
4结束语未来的作战样式和作战方法都会随着武器装备信息化水平的提高发生深刻的变化，以平台为中心的作战系统和指挥体系将难以应对未来信息化战争的挑战。MIMO雷达网技术具有强大的信息感知能力、战场适应能力以及生存能力，值得开展深入研究。
参考文献：
[1]樊海博，陆基雷达网络化改造技术研究[J].火控雷达技术，2006，35（9）：34-39.
[2]陈之刚，警戒雷达组网的几个关键技术研究[D].国防科学技术大学博士论文，2007.
[3]李文锋、梁健，网络中心战下的雷达自组网技术，信息化研究，2009（11）：42-44.
[5]葛建军，传感器网络及其目标几何定位方法[J].雷达科学与技术，2009（2）：81-84.
[6]A.M.Haimovich,R.S.Blum,andL.Cimini.MIMOradarwithwidelyseparatedantennas[J].IEEESignalProcessingMagazine,vol.25,no.1,pp.116-129,Jan2008.
[7]E.Fishler,A.Haimovich,R.Blum,L.Cimini,D.ChizhikandR.Valenzuela.Spatialdiversityinradars-modelsanddetectionperformance[J].IEEETransactionsonSignalProcessing,vol.54,no.3,pp.823-838,Mar2006.
[8]吴曼青，数字阵列雷达的发展与构想[J].雷达科学与技术，2008，6（6）：401-405.
[9]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.
作者简介：
熊年生（1971-），男，安徽潜山人，1993年毕业于大连理工大学，中国电子科技集团公司第三十八研究所高级工程师，曾获得国防科技进步一等奖1项，二等奖1项，长期从事雷达系统工程与总体设计工作。（注：本文版权归作者本人和硅谷杂志所有，禁止他人未经授权转载）
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