全息凝视雷达系统技术与发展应用综述_郭瑞.pdf

全息凝视雷达系统技术与发展应用综述郭瑞张月田彪肖钰胡俊徐世友陈曾平*(中山大学深圳电子与通信工程学院深圳518107)摘要：全息凝视雷达是一种同时覆盖全空域、同时多功能的阵列雷达，该文首先明确全息凝视雷达定义，并概述全息凝视雷达特点、性能优势以及处理难点；然后，较为全面地介绍了全息凝视雷达的发展历程，归纳了当前的主要应用方向，并对中山大学在全息凝视雷达系统研究方面的进展情况进行了介绍，给出了实际场景下目标探测结果，展示了全息凝视雷达在低空目标监视等方面的应用潜力；接着较为全面地介绍了全息凝视雷达相关关键技术的研究进展，包括系统设计、收发波束控制、目标积累检测以及参数估计等方面；最后总结了全息凝视雷达的发展趋势。关键词：数字阵列雷达；全息凝视雷达；全时空探测；同时多功能；多普勒分辨率中图分类号：TN958文献标识码：A文章编号：2095-283X(2023)02-0389-23DOI:10.12000/JR22153引用格式：郭瑞,张月,田彪,等.全息凝视雷达系统技术与发展应用综述J.雷达学报,2023,12(2):389411.doi:10.12000/JR22153.Reference format:GUORui,ZHANGYue,TIANBiao,et al.Reviewofthetechnology,developmentandapplicationsofholographicstaringradarJ.Journal of Radars,2023,12(2):389411.doi:10.12000/JR22153.Review of the Technology,Development and Applications ofHolographic Staring RadarGUORuiZHANGYueTIANBiaoXIAOYuHUJunXUShiyouCHENZengping*(School of Electronics and Communication Engineering,Shenzhen Campus of Sun Yat-sen University,Shenzhen 518107,China)Abstract:Holographicstaringradarisanarrayradarthatcontinuouslylookseverywhereandperformsmultiplefunctionssimultaneouslyinsteadofsequentially.First,thispaperclarifiesthedefinitionofholographicstaringradarandsummarizesthefeatures,performanceadvantages,andaccompanyingrisksofholographicstaringradar.Then,theresearchhistoryandmainapplicationdirectionsofholographicstaringradararereviewed.Next,theholographicstaringradarseriesofSunYat-senUniversityinChinaisintroduced.Thetargetdetectionresultsofthisholographicstaringradararegiven,showingtheapplicationpotentialofaholographicstaringradarsysteminlow-altitudetargetmonitoring.Next,theresearchprogressofrelatedkeytechnologiesisexamined,includingsystemdesign,beamcontrol,targetdetection,andparameterestimation.Finally,thedevelopmenttrendsofholographicstaringradararediscussed.Key words:Digitalarrayradar;Holographicstaringradar;Detecteverywherecontinuously;Multifunctionalsimultaneously;Dopplerresolution收稿日期：2022-07-18；改回日期：2022-10-20；网络出版：2022-11-02*通信作者：陈曾平*CorrespondingAuthor:CHENZengping,基金项目：国家自然科学基金(U2133216)，深圳市科技计划资助(GXWD20201231165807008,20200828174754001,KQTD20190929172704911)，深圳市基础研究资助项目(JCYJ20180307151430655)，广东省科技技术项目(2019ZT08X751)FoundationItems:TheNationalNaturalScienceFoundationofChina(U2133216),ShenzhenScienceandTechnologyProgram(GXWD20201231165807008,20200828174754001,KQTD20190929172704911),Shenzhen Fundamental Research Program(JCYJ20180307151430655),GuangdongProvinicalScienceandTechnologyProgram(2019ZT08X751)责任主编：杨建宇CorrespondingEditor:YANGJianyu第12卷第2期雷达学报Vol.12No.22023年4月JournalofRadarsApr.2023 1 引言为了应对不断变化的目标环境、电磁环境和地形环境的挑战，雷达从发明之初到现在不断发展进步，特别是数字化技术在雷达上的应用，为雷达技术的发展打开了广阔空间。近年来，半导体技术的发展推动了高集成度阵列、高性能计算、大带宽数据传输与大容量存储等技术在数字阵列雷达方面的应用，促进了雷达感知探测理论的完善，全息凝视雷达的概念也因此逐渐成型。全息凝视雷达(Holo-graphicstaringradar)又称泛探雷达(UbiquitousRadar)、同时多波束数字波束形成(DigitalBeamForming,DBF)雷达或泛照灯雷达(FloodlightRadar)1,2，2017年，IEEE雷达定义标准3首次给出全息雷达定义，全息雷达是一种同时覆盖全空域、同时多功能的雷达，其特点在于发射采用宽波束，接收采用凝视阵列同时形成多个窄波束覆盖发射区域，每个波束输出包含单独的接收和处理系统用于实现任意波束的同时独立多功能。本文对全息凝视雷达系统技术与发展应用进行了概述，介绍全息凝视雷达发展历程，并结合系统特点梳理全息凝视雷达应用方向。在此基础上，对全息凝视雷达系统的关键技术进行了概括与分析，并对发展趋势进行了探讨。2 全息凝视雷达概念与特点全息凝视雷达概念示意如图1所示，全息凝视雷达采用独立的数字化的收、发阵面，不需要波束扫描。从空间维度来看，全息凝视雷达宽波束发射，能量均匀照射到广阔空域，接收采用数字波束形成技术，同时获得多个窄波束覆盖发射区域实现对整个发射空域的连续探测，从而尽可能多地利用发射信号能量。从时间维度来看，全息凝视雷达采用长时间相参积累，尽可能利用雷达过去发射的信号能量，如此可在相同功率口径积条件下，提高雷达发射功率利用率，改进雷达探测性能和目标信息获取能力4。“全息”概念，一方面指雷达获取目标信息的完整性(距离、速度、角度、微多普勒等)；另一方面指全时空探测，即对探测区域进行连续时空覆盖。全息凝视雷达具有以下优势：(1)具有数字化、软件化特点。作为数字阵列雷达的子类，全息凝视雷达收发阵面都采用全数字阵面，雷达收发前端具有组件化、参数化、可编程的特点。雷达功能主要由后端软件化处理机实现，系统功能软件可定义，易于扩展、升级；(2)全息凝视雷达具有同时多功能特点。与传统多功能雷达同一时间仅能处理单个任务相比，全息凝视雷达同时形成多个接收波束，每个波束可针对不同目标选择不同驻留时间并单独处理，从而实现多任务并行处理；(3)全息凝视雷达能够提高强杂波背景下弱小目标的检测和识别能力。与传统的目标监视雷达相比，全息凝视雷达无需波束扫描，通过长时间积累获得更高的增益和多普勒分辨率，实现了运动目标与杂波的有效分离，且高多普勒分辨率有助于提取目标的微多普勒特征，从而为目标分类识别提供了新的维度；(4)全息凝视雷达易于实现集群目标探测。全息凝视雷达可实现全时空覆盖，无需波束扫描和复杂的资源调度，即可实现大批量目标的同时检测跟踪，目标容量大，更新速率高；(5)全息凝视雷达可实现目标远距离低截获概率探测。全息凝视雷达采用低功率全向或宽波束发射、全数字多波束凝视接收体制，发射能量分布在宽的方位区域上，接收利用雷达过去发射的信号能量提高目标信息获取能力，同时方便实现低截获波形设计、发射时间、能量与频率控制，使得己方雷(a)发射宽波束(a)Broad transmit beam(b)接收同时多波束(b)Multiple receive narrow beam simultaneously图1全息凝视雷达体制概念示意图Fig.1Schematicdiagramofholographicstaringradar390雷达学报第12卷达对威胁目标的探测距离大于对方截获接收机对雷达发射信号的侦察截获距离，实现对目标“射频隐身”探测。与此同时，全息凝视雷达工作特点也会带来以下处理难题：(1)发射增益低。全息凝视雷达宽波束发射不可避免地带来发射增益降低问题，需要通过更多的脉冲积累来获取与波束扫描雷达相当的增益，这就对较长时间范围内回波间的相参性提出了更高的要求，积累时必须考虑目标机动、多普勒模糊、其他扰动以及相位噪声带来的积累增益下降问题；(2)计算量大。接收时多波束同时处理将显著增加系统对信号处理资源的需求；(3)多径效应。复杂环境下宽波束发射更容易带来多径问题，严重时将为目标检测以及参数估计带来十分不利的影响。全息凝视雷达模式、相控阵雷达模式以及MIMO雷达模式可以看作同一个数字阵列雷达硬件平台的不同工作模式5,6，它们具有各自不同的特点与适用场景。全息凝视雷达从波束方面进行定义，强调的是宽发和同时多波束凝视接收，而MIMO雷达则是从波形角度，强调的是波形分集，一般同时也具有全息凝视特点。表1总结了数字阵列雷达各工作模式的对比。3 全息凝视雷达研究历程与应用情况全息凝视雷达的历史可追溯至雷达发明之初，世界上第一部军用雷达英国ChainHome雷达即采用“泛光灯照射”(floodlightillumination)工作模式发射电磁波，通过检测目标回波实现空中威胁目标方位和距离探测，并在第二次世界大战中发挥重要作用1。然而，在之后的雷达发展过程中，波束扫描雷达由于其在系统结构、实现成本等方面的优势，成为雷达系统发展的主要方向。直到20世纪80年代，法国国家航空航天研究院(ONERA)与Thomson-CSF提出合成脉冲孔径雷达(RadaraImpulsionetAntenneSynthetique,RI-AS)概念810，凝视工作体制再次被提及。为了在保持一定的角度分辨率前提下增加波束驻留时间，RIAS采用“宽发窄收”工作模式，发射波形相互正交，接收利用数字波束形成技术同时获取多个波束以实现半球形范围内所有检测目标的持续跟踪。RIAS工作于VHF频段，一方面是为了对抗隐身目标，另一方面是为了适应当时技术水平，减少阵元数目从而降低系统复杂性和计算能力需求。1989年，为应对反辐射导弹(Anti-RadiationMissile,ARM)威胁，德国应用科学研