极化通道编码数字阵列雷达系统设计

王立兵,童 俊

(解放军63961部队, 北京 100012)

0 引 言

极化作为电磁波的本质属性,是幅度、频率、相位以外的重要基本参量,描述了电磁波的矢量特征,即电场矢端在传播截面上随时间变化的轨迹特性。随着目标极化特性越发受到人们重视,多极化乃至全极化雷达除了在气象探测、精确测控等领域外,逐步在各类雷达上得到应用[1-3]。多极化雷达通过对两路正交极化信号进行同步接收,依据使用需要分别经过数字采样后合成不同极化的探测结果,可有效增强对目标的检测性能、抗干扰能力和识别效果。

在提高雷达检测性能方面,对隐身目标或极化敏感目标,多极化探测可以有效解决目标闪烁问题。全极化的低频段雷达综合利用低频段谐振效应和多极化信息处理方法,利用多个极化通道并行联合检测,提高探测隐身目标的能力[4]。此外,利用极化信息改善低频段雷达角度测量精度和提高识别性能也被列为值得探讨的问题[5]。

在提高雷达抗干扰性能方面,极化域是除时域、频域、空域、能量域以外的第五个维度空间,可以加以利用,实现目标回波信号和干扰信号的分离。通过对发射极化和接收极化进行联合优化,并采用自适应极化对消器进行处理,可以改善雷达天线主瓣噪声压制式干扰下的目标信干比[6]。交叉极化抗干扰数字阵列是一种能够采集阵列口径上不同波达方向极化信息的天线,联合空域和极化域处理,具有良好的抗干扰性能[7]。此外,极化和相控阵技术相结合,还能改善相控阵天线的波束性能,从而使全极化相控阵导引头分辨率这一关键指标得到有效提升[8]。

在提高雷达识别性能方面,极化信息里蕴含了丰富的目标形状和结构属性信息,可以加以利用提取目标特征,实现目标识别功能。美国远程识别雷达在反导领域使用极化分集实现了罕见的S波段真假弹头识别能力[9]。研究表明,极化不变量特征反映目标几何结构上的差异,可用于识别形状差异较大的目标。由于姿态控制,弹头存在自旋、进动等微运动特征,引起相对于雷达视线姿态角的周期性变化,导致极化不变量特征并非固定值,而是呈现平稳时变特性;而碎片、球形诱饵等假目标受控程度较差,加之大气扰动等因素影响,呈现快速翻滚运动,导致极化特征呈现快速时变特性[10]。

为了获取不同极化信息的得益,相控阵雷达通常需要设置一对正交极化特性的天线进行信号接收。相比于传统单极化雷达,多极化/全极化雷达一般采用单一极化发射、正交双极化同时接收的方式,从而利用单帧波位的驻留时间获得极化散射矩阵的某一列元素。为了能够有效保留正交极化信息的无损传输,极化雷达在单极化雷达的组成基础上,需要增加一倍的接收通道数,以采集相互正交的两种极化分量,使得雷达阵面的体积过大、重量过重、成本过高,难以在各种领域普遍推广应用。因此,如何缩减极化雷达的接收通道数量,使其制造成本相较于常规单极化雷达不明显增加,成为极化雷达广泛工程应用的关键。

本文提出了一种极化通道编码(Pol-CC)数字阵列雷达系统的设计方法,该方法突破了传统极化雷达使用不同数字接收通道对不同极化的回波进行采样的设计思路,运用通道编码技术将不同极化信号进行正交编码调制混合后,通过一个数字通道进行接收采样,进而在数字域再对每个信号进行高保真恢复。该方法解决了极化雷达数字接收通道数量多、设计制造成本高的问题,具有较高的工程应用前景。

1 Pol-CC数字阵列雷达系统

1.1 通道编码技术

通道编码技术是在每个接收天线单元上对回波信号进行射频调制,各单元间采用正交码分复用和检测,然后对模拟合成的单通道信号进行下变频和采样处理,利用各通道之间的正交性恢复各单元级接收信号而不产生相互干扰,其原理如图1所示。

图1 通道编码数字阵列编解码原理图

其编码/解码过程如下:

1) 预先存储、加载射频通道1和射频通道2对应编码器中的编码。分别用c1(k)和c2(k)表示两个射频通道对应的编码序列,由于通道间的编码应是正交的,应满足

(1)

2) 对射频通道接收信号进行编码。假设射频通道1和射频通道2的接收信号分别为s1(t)和s2(t),那么第i个射频通道的接收信号经过通道编码后可表示为

(2)

式中:⊗为Kronecker积。

3) 通过合成网络直接将不同射频通道编码后的信号混合。忽略接收机中下变频、滤波等过程情况,接收机输出信号uout即为各通道信号经功分/合成器后的信号,可表示为

uout=s1(t)⊗c1(k)+s2(t)⊗c2(k)

(3)

4) 对混合信号进行解码。送至后端解码模块后,解码器按照固定的时序,使用编码时的通道编码序列对混合信号进行解码。对于第i个数字通道,解码时使用的解码序列即为编码序列ci(k),但不再计算Kronecker积,而是计算混合信号uout和编码序列ci(k)的互相关函数。第i个数字通道解码恢复可表示为

(4)

由式(4)可知,第i个数字通道解码恢复信号ui等于第i个射频通道接收信号si(t)的常数倍,且该常数K已知,因此可以完全恢复出原始信号的幅度和相位信息。

从上述的过程可以看出,通道编码技术可通过对不同天线单元接收的信号进行编码,利用编码信号的正交性在后端再次不失真地恢复出各天线单元通道信号。使用不同极化信号作为原始信号,即可实现对不同极化信息的统一采样传输,并在解码恢复后重新分为不同极化信息,进行极化合成与处理。

1.2 雷达系统架构

Pol-CC数字阵列雷达系统主要由正交双极化天线阵面、发射/接收(T/R)组件(含正交编码模块)、功分网络、接收机(含正交解码模块)和后端处理设备组成。为了实现正交双极化接收,T/R组件中选择一种极化作为发射/接收切换通道,另一种极化仅进行接收,但在各自的模拟通道中,均使用正交编码模块对信号进行调制,以确保相互之间的正交性,系统架构如图2所示。

图2 极化通道编码数字阵列雷达系统架构图

与传统极化雷达相比,Pol-CC数字阵列雷达系统在天线阵面T/R组件内的每个射频通道上均增加了一个编码模块,并且在模/数(A/D)采样后,需要使用解码模块进行信号恢复。但由于解码过程是在数字域完成的,因此仅消耗计算资源而不额外增加处理硬件。与此同时,Pol-CC数字阵列雷达系统可以仅使用1个A/D采样器完成所有通道信号的数字采样工作。考虑到编码器可以使用高速开关器件予以实现,而数字器件的价格明显高于编码器的价格,由此可看出该系统架构在经济性上的优势。

2 实验验证

为了充分验证本文所提的Pol-CC数字阵列雷达系统在使用极化信息进行探测时获得的增益,使用某雷达在暗室环境下对某型弹药进行雷达散射截面(RCS)测量的数据进行仿真验证。测量所使用的雷达工作于S频段,包含有水平极化和垂直极化一对正交极化天线。在2.6 GHz～3.9 GHz频率范围内,分别测量了某型弹药0°～180°的RCS幅度和相位。

选择某一角度下、某一个频点的双极化测量回波数据进行仿真实验,水平极化(H极化)和垂直极化(V极化)情况下的回波数据幅度分别如图3和图4所示。

图3 H极化接收通道信号幅度与相位图

图4 V极化接收通道信号幅度与相位图

使用模拟退火算法生成码长为40的正交四相编码序列,用于在模拟通道部分对上述的回波数据分别进行调制。用0～3分别代表0、π/2、π、3π/2的相位,则所选用的两条正交编码序列相位如表1所示。

表1 正交四相编码序列相位

图5a)～图5c)分别显示了所选正交四相编码序列的自相关函数和二者的互相关函数。从图中可以看出,两个序列之间正交性良好,互相关峰值约为-10 dB。

图5 所选正交相位编码序列的自相关和互相关函数

调制时,每一个数据点均与其中一条正交编码序列相乘,经过调制后的H极化回波和V极化回波幅度如图6a)和图6b)所示,二者矢量叠加求和后的幅度如图6c)所示,代表了不同通道经过调制后的混合信号。

图6 调制后不同极化接收通道信号及混合信号幅度

接着使用调制时的正交编码序列对叠加后的回波进行互相关解调恢复,解调后的信号幅度和相位如图7所示。

图7 解调后的不同极化信号幅度和相位

(5)

平均相位变化量eφ可以表示为

(6)

式中:angle(·)代表求复数的相位角;sX表示H极化或V极化的其中一种。

根据式(5)和式(6),统计其幅度和相位变化量的均值,如表2所示。

表2 通道编码调制前后信号幅度和相位平均变化量

可以看出,经过调制和解调后的信号回波基本没有发生变化,说明本文所提出的Pol-CC数字阵列雷达系统可以在将不同极化的信号经过编码调制后合并,通过一个A/D进行采样传输,并通过解码将其各自的幅度和相位恢复。

分别将2.6 GHz～3.9 GHz、0°～180°的H极化和V极化测量回波数据逐一经过上述调制-解调-脉冲压缩后,得到RCS测量结果,分别如图8a)和图8b)所示。

图8 某型号弹药RCS测量结果

可以看出,当观测角小于60°时,S频段对该型号弹药的RCS测量结果存在较明显幅度差异。为了更好地展现这种差异性,以-27 dB为门限,标记出上述测量结果大于-27 dB的区域,如图9a)和图9b)所示。

图9 测量结果中RCS>-27 dB情况分布图

由于H极化分量和V极化分量为一对垂直分量,因此可按照式(7)将恢复得到的两个极化分量进行合成。

(7)

式中:|sS|代表极化合成后的信号幅度。

根据式(7),合成后的该型号弹药RCS测量结果如图10所示。同样,以-27 dB为门限标记出的结果如图11所示。

图11 合成极化结果中RCS>-27 dB情况分布图

分别统计H极化、V极化和合成极化下RCS>-27 dB的测量结果,结果如表3所示。三种极化方式下,H极化探测时目标RCS最小。合成极化方式相比于H极化测量结果,RCS>-27 dB的占比数提升了9.1%;相比于V极化测量结果,则提升了6.5%。

表3 不同极化测量结果中RCS>-27 dB的统计情况

合成极化测量结果比垂直极化测量结果提升的情况如图12所示。图中深蓝色区域为无变化区域,浅蓝色区域对RCS测量的提升效果在5 dB以下,绿色区域则提升了5 dB～10 dB,黄色区域提升10 dB以上。经统计,在20°～40°观测角范围内有7.4%的区域RCS提升效果大于5 dB。

图12 合成极化相对于V极化的提升效果

上述实验表明,使用本文所提出的Pol-CC数字阵列雷达系统,可在一对正交极化通道仅使用一个数字采样的情况下,获得明显的雷达探测增益,有效提升雷达效费比。

3 结束语

本文所提出的Pol-CC数字阵列雷达系统可有效降低全极化雷达的制造成本,生成的全极化信息提升了雷达对于目标极化特性的利用能力,可较大程度提升雷达对目标的探测性能和抗干扰性能。该方法突破了传统极化雷达需通过各自对应的数字接收通道进行模/数变换的设计思路,解决了多极化雷达数字接收通道数量多、设计制造成本高的问题,促进了极化信息在雷达中的普遍应用,在几乎不增加成本的情况下,提升了雷达在极化域的灵活性,具有较大的工程应用前景。