新体制机载雷达波形优化设计研究综述

随着现代电子战技术的发展, 机载雷达面临的战场环境日趋复杂。传统机载雷达往往发射固定的波形, 很难在复杂多变的电磁环境和动态时变杂波的环境下有效完成目标的检测和跟踪任务。以认知雷达和多输入多输出(multiple-input multiple-output, MIMO)雷达为代表的新体制雷达, 通过发射端灵活设计与环境相匹配的波形, 提升了机载雷达在复杂战场环境下的适应能力。对新体制机载雷达波形优化设计的研究与发展进行了综述。首先, 系统阐述了认知雷达的基本原理, 并概述了新体制机载雷达波形优化设计; 然后, 分别从先验条件和收发处理的角度对新体制机载雷达波形优化设计的研究成果进行了梳理; 最后, 针对当前机载雷达波形优化技术存在的问题, 对未来新体制机载雷达波形优化设计的发展趋势进行了展望。

在现代复杂战场环境中, 战场态势瞬息万变, 如何及时、准确、全面地获取战场态势信息是夺取战争胜利的关键因素。机载雷达借助飞机平台的高度可以克服地球曲率的影响, 扩大了对空中、海上和陆地上各类低空和超低空目标的探测距离, 机载雷达是夺取战场主动权和赢得胜利的关键因素之一[1]。机载雷达利用空时自适应处理(space time adaptive processing, STAP)技术, 根据目标和杂波在空间-多普勒域上的分布差异对杂波进行抑制, 可以提高慢速目标的检测能力[2-6]。自1973年Brenann和Reed首次提出STAP理论以来[2], 经过学者们四十多年的探索和研究, STAP技术已经形成了比较成熟和完善的理论体系, 而且是当前国际雷达领域的研究热点[7-12]。

然而, 传统关于机载雷达杂波抑制和运动目标检测的研究, 大都基于雷达发射固定形状的脉冲序列, 在接收端进行STAP处理来检测运动目标[7-12], 而复杂电磁环境下机载雷达面临的战场环境瞬息万变, 传统发射固定波形的方式使得机载雷达无法有效完成复杂电磁干扰环境和高动态杂波环境下对低空、隐身等目标的检测、跟踪等任务。此外, 随着无线通信技术和雷达技术的快速发展, 战场上电子设备的种类也越来越多, 电子设备与机载雷达的频段相互重叠, 严重影响机载雷达的工作性能[13-14]。因此, 为提升机载雷达面对隐身/低空目标、复杂电磁对抗环境以及高动态杂波环境的探测性能, 扩展机载雷达对空和对地海一体化监视的功能, 使机载雷达融入现代化信息作战体系并成为核心的网络战枢纽, 必须发展新体制机载雷达、新体制机载雷达杂波及干扰抑制等新技术。

认知雷达和多输入多输出(multiple-input multiple-output, MIMO)雷达的出现为解决上述问题提供了一条崭新的途径。认知雷达充分利用了目标与环境信息, 将STAP从接收端延伸到了发射端, 构成了接收机、发射机与环境动态闭环的全自适应雷达处理系统[15-18]。认知雷达能够根据动态环境数据库中的先验信息以及雷达实时获取的目标及环境信息推理决策适合当前雷达工作场景的最优波形和信号处理参数, 自适应地调整优化雷达系统资源配置和发射信号波形, 从而适应复杂多变的工作环境, 实现对目标的最佳探测效果。MIMO雷达是近年来发展起来的一种新体制雷达, 引入多天线、多波形收/发技术和概念, 通过发射多个独立的波形/信号(即波形分集特性)来获得波形分集增益[19-23]。MIMO雷达分为集中式MIMO雷达和统计MIMO雷达, 收发天线分置的统计MIMO雷达通过空间分集增益可以克服目标散射截面积起伏所带来的性能损失[21]。与传统的相控阵雷达相比, MIMO雷达具有以下优势: 杂波及干扰抑制能力强[24-25]; 参数估计精度高[26-28]; 抗干扰能力强[29-30]; 反隐身能力强[21]; 反侦察、低截获性能高[31]; 抗摧毁能力强。

随着灵活波形产生器和高速信号处理硬件的快速发展, 雷达发射复杂的波形以动态适应其所面临的感知环境成为了可能[32]。作为认知雷达的关键技术之一, 近些年来, 认知雷达波形优化设计, 尤其是信号相关杂波或干扰背景下的认知雷达波形优化设计, 受到了国内外学者的广泛关注[33-45]。从目标检测的角度, 认知雷达波形优化设计就是以最大化目标的检测性能为优化准则, 同时考虑发射波形的实际约束条件, 吸收借鉴先进的优化方法, 来设计发射波形或接收滤波器。但机载雷达由于平台架设高以及平台运动，其回波模型不同于传统地基雷达。此外, 机载雷达面临的杂波环境是非均匀和非平稳的, 高脉冲重复频率下还存在杂波的距离模糊问题, 这也不同于地基雷达。考虑机载平台的特殊性, 将认知理论与机载MIMO雷达相结合, 充分利用MIMO雷达发射波形的自由度, 结合动态环境的先验信息, 开展机载MIMO雷达发射波形优化设计或发射波形与接收滤波器联合设计, 对于提升机载MIMO雷达在复杂电磁对抗环境以及高动态杂波环境下的目标检测性能而言具有重要意义, 也为机载认知雷达系统的发展提供了理论支撑。

本文介绍了当前新体制机载雷达波形优化设计的研究进展。具体而言, 阐述了认知雷达的基本原理, 对新体制机载雷达波形优化设计进行了概述; 从先验条件是否理想以及收发处理的角度, 对机载雷达波形优化设计的研究成果进行了总结归纳, 在此基础上进行总结和分析, 针对当前机载雷达波形优化设计存在的问题, 对新体制机载雷达波形优化设计的未来研究趋势进行了展望。