走进“MIMO雷达”,带你了解其背后的原理

 新葡亰仪器仪表     |      2020-04-06 01:28

雷达是利用无线电作为探测手段的传感设备,其已有一百多年的发展历史。雷达发射电磁波对目标进行照射并接收其回波,由此获得目标至电磁波发射点的距离、距离变化率(径向速度)、方位、高度等信息。随着数字信号处理技术的飞速发展以及相应的硬件水平不断提升,当前雷达系统已应用普及到诸多领域,如汽车辅助驾驶、遥测遥感、地质勘探、大气探测等。  然而,随着电磁环境逐渐复杂,各种干扰技术层出不穷,具有灵活对抗干扰能力、更强的目标检测性能、适应多变环境的新体制雷达成为各大应用领域的迫切需求。多输入多输出(Multiple-input Multiple-output)雷达就是把无线通信系统中的多个输入和多个输出技术引入到雷达领域,并和数字阵列技术相结合而产生的一种新体制雷达,简称“MIMO雷达”。  2003年,美国林肯实验室的Bliss和Forsythe首次提出MIMO雷达的概念,其是指同时发射多种雷达信号波形,一般采用的是多个天线同时发射不同的波形,“Multiple-output”是指多个天线同时接收回波信号,并通过多路接收机输出以获得多通道空间采样信号。根据发射和接收天线中各单元的间距大小,可以将MIMO雷达分为分布式MIMO雷达和集中式MIMO雷达两类。分布式MIMO雷达中收发天线各单元分布式布局,带来对目标的多角度探测视野, 提高雷达对目标的探测性能;集中式MIMO雷达的收发天线各单元相距较近,,各个天线单元对目标的视角近似相同,但是每个阵元可以发射不同的信号波形, 从而获得波形分集,通过不同波形的特征来集中分析目标特性。这就带来许多优良特点,如改善系统的能量利用率、提高测角精度、提高杂波抑制能力及低截获能力。  MIMO雷达改良了传统雷达的相关缺陷,具有良好的应用发展前景。早期的扫描雷达只发射一种频率的信号波形,配合单一的接收机接收,可以看做单输入单输出雷达;单脉冲雷达只发射一种信号波形, 一般有两路(和波束与差波束或者左波束和右波束)接收机输出,,其属于单输入双输出雷达。MIMO雷达综合了上述雷达的优缺点,在输入输出端都采用了多路收发技术,具有极大的应用潜力。

如果要增大天线,飞机上的空间不允许;如果要提高电波频率和发射功率,器件水平又不允许,而且,早期的电子技术,无法直接在一个较高的频率上产生电流振荡,如果要让雷达工作频率提高,就只能采用一级一级的电路逐级提高工作频率,这无疑又会增加设备的数量、重量和体积。因此,早期的机载雷达发展面临严重的困难。

不过,对雷达来说,还需要在收发开关的基础上,再配置接收机保护装置。这是因为,天线和传送电流至天线的通道之间的电路不能做到绝对匹配,因此,天线不能完全吸收由发射机送过来的电流能量,其中的一小部分会被天线反射回来,从而会造成一部分发射机能量损耗———就像光线在穿透一块玻璃时,总有一部分光线会从玻璃上反射回来一样。由于双工器完全根据能量的流向执行其开关功能,因此,从天线反射回的这部分能量会“欺骗”双工器,仍然会进入接收机。虽然这个能量很少,但仍然比雷达的回波强很多,足以烧坏接收机。

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1939年11月,第一种生产型机载空海监视雷达ASV-1开始试验,1940年初投入使用,装备英国空军海防总队的3个海上巡逻机中队,用以在北海跟踪护航舰队。1940年末,随着希特勒“海狮计划”的破产,纳粹空军对英国的空中威胁大大减弱,不过德军潜艇的活动却越发猖狂。到1941年春,德军潜艇已经击沉一百多艘盟军商船,极大破坏了英军物资保障体系。于是,英国开始围绕海上交通线大举开展反潜战,机载雷达成为盟军反潜的利器。它能在更远的距离上发现水面航行的潜艇,并引导飞机发起攻击。

1940年2月,英国科学家发明磁控管,第一次使得雷达工作频率从米波提高到分米波,从而使得雷达终于进入微波时代(雷达波长如果短至分米以下,则称为微波波段)。雷达工作在微波波段带来的好处是巨大的。由于频率提高、波长缩短,所以可以允许天线在做得比较小的情况下仍然有很强的方向性,另外磁控管也解决了雷达工作频率提高以后的功率放大难题,首次让雷达工作在分米波长上并产生高达1千瓦的功率。

此时人们想到,能否把整个发射机分散到各个天线单元后面去,变成若干多个小的发射机,每一个小的发射机只需要工作在很低的电压上,而从天线射出的波束,是每一个小发射机输出功率之和。这样,即使一个小发射机坏了,也不会影响别的发射机,对整个射出的功率也不会产生多大影响。由于原来各个天线单元后面还要有移相器,那就要把移相器和发射机集成到一起。而又由于在集中式发射机情况下,收发通道是共用的,现在发射机被分散到天线单元后面去了,接收通道也可以一起挪过去,这样,发射机、移相器和接收机全部做到一起,这就是收发组件,实际上相当于一个个小的雷达。有多少个天线单元,就得有多少个收发组件。由于这样的相控阵雷达其天线单元具备独立发射功率的能力,也就是天线单元是有源的,因此称为有源相控阵。

之所以雷达的发射、接收和天线系统成为大一统过程中的“顽固分子”,是因为雷达自身的特殊性所决定的。从发射机来说,雷达自身发射电磁波,为了获得足够的回波功率,需要自身提供非常强大的功率,而飞机上的其他传感器要么自身不辐射功率,要么辐射的功率远远小于雷达;从接收机来说,雷达的接收机非常灵敏,要求能够接收信号的功率仅为发射功率的几十亿分之一;从天线来说,天线的性能与工作频段息息相关,而雷达的工作频率与其他电子设备的频率相差很远,要想天线共用,必须让天线在宽达20吉赫兹以上的频率范围内工作,而目前的技术,让天线在宽达1吉赫兹以上的频率范围内正常工作,就已经非常不容易。

雷达对角度的测量,则要复杂一些。由于雷达的波束有一定宽度,为了覆盖全方位,雷达波束就需要旋转起来,正像人的眼睛有一定的视角范围,为了看清身体两侧和身后的物体,就必须转身一样。

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由于相位在雷达能量合成的过程中有些类似于矢量相加过程中的矢量方向角的作用(矢量相加遵循平行四边形法则),所以,相位一般用角度来表示。反过来说,为了形成具有一定宽度的波束,在设计天线时,必须使得组成天线的各个辐射单元所辐射出的电磁波在空间的某些方向上同相位或接近同相位相加,这样就能获得较大值,这些方向上分布的能量就会较多,这些方向就是主瓣区域;而在空间的某些方向上反相位或者接近反相位相加,这样就能在其它方向上获得较小值,这些方向上的能量分布较少,就是副瓣区域。

在20世纪40年代之初,磁控管让机载雷达在经历了3年的徘徊和困难时期后有望解决在飞机上的适装性问题。同时在这一阶段,另一重要元件的发明——电子收发开关,使得雷达不再需要分置的两个天线,将用于接收和用于发射的天线合二为一。那么,雷达发展的早期,为什么发射和接收要用不同的天线呢?

蝙蝠,虽然像人一样拥有双眼,但它看起东西来,用到的却不是眼睛。蝙蝠从鼻子里发出的超声波在传输过程中遇到物体后会立刻反弹,根据声波发射和回波接收之间的时间差,蝙蝠就可以轻易地判断出物体的位置。这一工作原理与人类发明的雷达如出一辙。

平面阵列天线从外观上看,象是一块平板,而不象抛物面那样是一个曲面。波导缝隙(又称“裂缝”)阵列天线就是用得最多的平面阵列天线。顾名思义,“波导缝隙阵列”就是把波导——根根排列起来组成阵列,并且在阵列上开出缝隙。波导是电磁波从发射机输送到天线以及从天线输送到接收机的通道。波导中以电流或电磁场形式传输的电磁波,在“缝隙”处辐射出去并在空间进行合成,以在某个方向上形成窄波束;而在接收时,则在雷达发射电波的方向上收集返回的大部分雷达能量,当然,每个缝隙所接收到的电磁波也要合成,以便形成接收波束。

到了20世纪80年代,军事强国对机载雷达的设计工作已经得心应手,新型号的研制速度很快。随着半导体集成电路和计算机技术的发展,雷达迅速迈向多功能化的同时也在不断瘦身——1973年,历时10年研制成功的AN/AWG-9雷达,采用机械旋转天线,其直径0.91米,雷达重量高达612千克,是当时最大的机载火控雷达,工作模式不到10种,可靠性只有数小时。到了2005年F-22的AN/APG-77雷达采用有源相控阵技术,天线直径为1米,重量只有200千克,可靠性达到2 000小时,有20种以上的工作模式。

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通过顺序扫描或圆锥扫描的方法,雷达对角度的测量可以达到波束宽度的几分之一。不过,顺序扫描或圆锥扫描虽然提高了测角的准确度,但是由于这种测角方法需要利用波束先后两次照射到目标后的回波,两次回波的强度可能会变化很大,难以使两次的回波强度相同,所以,测角效果有时候并不是很理想。我们都有这样的生活经验,在明媚的阳光之下,垂杨柳边,一片平静的湖面,在微风的吹拂下,波光摇曳。这些粼粼的波光有时候会让我们觉得晃眼,有时候却又很温柔地进入我们的视线。这种情况实际上表示,阳光照射到湖面以后,由于微风吹动了湖水,水面的姿态在变化和起伏,从而使水波反射进入人眼的阳光强度发生了变化。目标对雷达的反射有如此理。在雷达的波束先后两次照射到目标的时间间隔内,由于目标在此期间的姿态或其它物理特性的变化,雷达两次收到的回波的强度会有很大的不同,专业上叫作“目标闪烁”或“目标起伏”,这对雷达确定目标的位置是非常不利的。所以,雷达在确定目标的位置时,要想测得准一些,总是希望克服目标闪烁的影响。20世纪50年代,雷达工程师想到了单脉冲技术,也就是让天线“同时”产生两个波束照射目标而不是“先后”利用两个波束照射目标,以克服先后两个波束照射的间隔中目标回波强度的变化;而且理论上,这种方法只需要两个波束在一次照射时间内(也就是1个脉冲,故称为单脉冲)返回的能量就能把角度测出来,而测量的准确度却可以提高1个数量级(达到波束宽度的1/10至1/20)。

天线上的各个缝隙之间到底间隔多大的距离排布,有一个简单而重要的规律,那就是必须相隔半个波长,无论是高度方向上还是水平方向上,都服从这个规律。如果间距太大,各个缝隙射出的电波能量在空间合成时不容易汇聚到一起,因此,各个缝隙需要“紧密团结”;可如果各个缝隙太“亲近”,也就是间距太小,各个缝隙射出的电磁波又容易互相干扰、互相打架,正所谓“距离产生美”,因此,间距半波长为宜。

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未来,渗透与被渗透

雷达有两大基本功——测距和测角。

缝隙除了开在波导上以外,也可以开在微带传输线上。微带传输线和波导一样,都是传送电流或电磁场的通道,一根根的微带传输线也可以象波导一样排成阵列。所以,很多时候,人们将波导缝隙或微带缝隙天线统称平面缝隙阵列天线。

雷达的首要功能是测距,通过测量发射电波和接收回波之间的时间差,并将其除以2后再乘上电波传输速度(光速),就得到目标距雷达的距离。大部分雷达采用脉冲方式工作,也就是雷达发射一段时间的电磁波(通常为数毫秒以内),然后歇一会儿(通常为几百毫秒以内),然后再发射,如此往复。雷达停止发射的时间段内,就在接收回波。由于从发射机送出的功率极大(地面雷达的功率可达兆瓦以上),而进入接收机的雷达回波通常非常微弱(最多为发射机送出的功率的几百亿分之一),为接收到微弱的回波,接收机要求非常灵敏。在电子收发开关没有发明之前,为使发射机的能量不至于进入接收机并烧坏接收机,只能把收发天线以及相应收发通道分开。有了电子开关之后,在用一个天线既做发射又做接收的情况下,发射时用于保证巨大的雷达电波能量仅仅送入天线而不送往接收机;接收时则保证可以让微弱的雷达电波能量送入接收机而不是送往发射机,使接收到的能量不至于被发射机送出的能量所淹没。

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在脉冲多普勒技术发明之前,雷达要检测到目标,是利用目标的回波强度。如果目标的回波足够强,强过接收机中根据电子随机起伏而产生功率(即“电子噪声”,简称“噪声”),雷达就可以发现目标的存在。这种方式就是“普通脉冲”方式,它并没有利用目标的速度信息。而由于雷达下视时,地面的反射回波强度要比目标的回波强度强很多,所以,在雷达显示屏上,操作员只能看到白花花的一片,目标回波淹没在杂波中,雷达就因为“晃眼”而“暂时失明”。脉冲多普勒技术发明以后,雷达在发现目标时,不仅仅利用目标的回波强度,也利用目标和地面的速度信息,因为两者相对于雷达有不同的速度,从而目标和地面相对于雷达有着不同的径向速度,进而有着不同的多普勒频率。利用这一点可以把目标回波和地面反射回波进行区分。这就是脉冲多普勒技术蕴含的简单道理。

雷达在战争中展露头角,使得英国人也想把雷达装上飞机。在空战中,如果在晴朗的白天,飞行员一般都能比较顺利地发现敌机,但如果天气不好或者是在夜晚,发现目标就会变得困难。把雷达装上飞机就能帮助飞行员穿透迷雾和黑夜进行空中拦截作战——空中截击雷达(AI雷达)的概念就出现了。然而,以当时的技术水平,哪个工程师要是被军方派去开发AI雷达,绝对是一种不幸。先不说本土链雷达的巨大天线,仅仅是巨大的耗电量就是个难以解决的事儿了。那么,怎么样才能把雷达做得足够“迷你”够“环保”却又看得足够远呢?

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雷达天线不再分置,减少了飞机上的空间占用,使机载雷达更加紧凑,设备在机身上的安置更加集中。随后,也是在这个十年间,雷达天线形式开始由钉子状的单个或多个天线振子、鱼骨状的八木天线阵列向锅状的抛物面反射天线进化。抛物面天线的增益是八木天线的十倍以上,也就是抛物面天线的波束宽度普遍要比八木天线的窄很多,从早期的十几度甚至几十度演变到当时的几度,这样,功率相对小一些的发射机,也能让电波传得很远。

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小玩意儿的大玄机

脉冲多普勒是指雷达在以脉冲方式工作的同时,利用多普勒效应来区分目标和杂波。什么是“多普勒效应”呢?我们有过这样的生活体验,站在火车站台上时,如果一列火车鸣笛接近站台,我们会觉得其声音逐渐尖锐,而火车逐渐远离站台时声音逐渐低沉。火车的鸣笛从尖锐到低沉的变化,实际上是进入人耳的笛声声波频率的变化,而这种变化的产生正是由于火车存在相对于人的接近或远离的运动,这就是多普勒效应。

普通的平板天线中的每一个缝隙,其辐射出的电磁波相位在出厂时就是固定好、不能调整的,此时,从天线平面中心辐射出的具有一定形状的波束一定始终垂直于平板的方向。所以,如果要想使天线波束能够覆盖全方位空域,就只能让平板天线旋转起来。

化整为零,从无源到有源

如何提高发射机的功率呢?可以对一定振荡频率(可以认为与雷达在空间辐射的电磁波的频率相同)的电流通过放大器放大,然后再送至天线。实际上这是发射机最主要的功用。但是,放大器的放大能力与电磁波的工作频率直接相关。频率越低,放大越容易。早期的雷达,其电磁波频率只能在300兆赫以下(对应的电磁波波长大于1米,称为米波),本土链雷达的工作频率只有11.5兆赫,波长26米。当然,如果器件水平只允许雷达工作在较低的频率,而雷达工作在较低频率上又没有什么坏处的话,那就让它工作在低频段上好了,但情况并没有那么简单。雷达电磁波的工作频率还直接影响到雷达把能量集中到空中去发射的能力,即天线性能。人们把雷达电波从天线辐射出来的能量在空间的分布用波瓣图来表示。雷达能量最集中的区域称为主瓣,其余的区域就叫副瓣,又叫旁瓣。雷达天线把能量集中到主瓣宽度内发射的能量和雷达向全方位同等辐射能量的比值,称为天线的增益。雷达能量在空间越集中,主瓣宽度(一般为几度以下)就越小,增益就越高。在天线尺寸一定的情况下,雷达波长越长,主瓣波束宽度越宽,增益越小;或者说,在雷达波长选定以后,为了获得尽量窄的波束宽度和尽量高的增益,应该尽量把天线个头做大。

21世纪的机载雷达,将在不断完善自身的同时,逐渐与飞机上的其他航电系统融为一体。美国空军在上世纪80年代初提出了“数字航空电子综合系统”、“宝石柱”和“宝石台”计划,数航系统已在上世纪80年代设计的雷达型号上实现;2005年的F-22服役,则标志着“宝石柱”计划已在新世纪得以推行。在第一阶段,雷达失去了自己的显示器,与飞机上的其他仪表系统集成在一起;在第二阶段,随着计算机技术的发展,雷达又失去了信号处理和数据处理分系统,只剩下发射、接收和天线三个分系统。通用信号处理器(CIP)将雷达同F-22飞机上的光电、红外、无源和电子战系统的信息一起处理。同时,飞机航电系统的数据开始在光纤传输上传输,传输速率可达10吉比特/秒以上,而传统的1553总线传输速率只有1兆比特/秒。各种航电系统挂在基于光纤传输的总线上集成起来,并且多达60余种本应由硬件实现的功能都已经由软件实现。

相位在雷达中的作用,有如此理。以平板缝隙天线为例,每一个缝隙就是一个小的天线单元。从平板天线发射出来的有一定宽度的波束,实际上是每个缝隙所辐射出来的具有一定幅度(功率或能量,相当于每个桨手的力量)和一定相位(相当于桨手划桨的方向和时机)的电波的叠加,而不仅仅是幅度的叠加。在主瓣方向上,所有的天线单元辐射出的能量相加能够达到最大,而在其他方向上,所有天线单元辐射出的能量则远远小于最大值,这就是因为在其他方向相加时,各个天线单元辐射出的能量不是同相位相加的。因此,在雷达天线里,相位是用来衡量各个天线单元相互配合程度的。

磁控管的发明,收发天线的共用,以及天线形式的演变,使雷达逐渐变得更适合在飞机上安装,到上世纪40年代中期,雷达已经具备了机载应用的条件。

1935年,英国科学家罗伯特.沃森.瓦特爵士(发明蒸汽机的那位瓦特先生的后代),显然继承了其祖先的优秀基因,成为世界上第一部雷达的研制者。当时正值第二次世界大战前。那时的轰炸机在战争中已经扮演了重要的角色,为了发现入侵的轰炸机,最初只能利用光学(如探照灯)或声学的手段,显然,这种方法提供的预警时间太短,不能满足防空需要。为了缓解巨大的防空压力,英国人可谓绞尽脑汁。

正式试飞开始以后,结果有些出乎意料。雷达在空中没有发现任何空中飞机,却把海面上的几艘船看得清清楚楚。于是瓦特又特地安排这架飞机做观察英军舰船的进一步实验,结果令人鼓舞。很快,机载雷达的研发重点就从空-空截击转向空-海监视。这种情况发生的原因是,舰船反射雷达回波的能力要比飞机反射回波的能力强几十倍以上。因此,在海情良好的情况下,机载雷达发现舰船的距离要比发现飞机的距离远得多。但当海情恶劣时,舰船回波容易受到海浪的干扰,雷达发现距离会大幅度下降。