雷达学报 Journal of Radars ISSN 2095 -283X,CN 10-1030/TN      《雷达学报》网络首发论文  题目：  全息凝视雷达系统技术与发展应用综述 作者：  郭瑞，张月，田彪，肖钰，胡俊，徐世友，陈曾平 收稿日期：  2022 -07 -18 网络首发日期：  2022 -10 -31 引用格式：  郭瑞，张月，田彪，肖钰，胡俊，徐世友，陈曾平．全息凝视雷达系统技术与发展应用综述[J/OL] ．雷达学报. https://kns.cnki.net/kcms/detail/10.1030.TN.20221031.0909.002.html        网络首发：在编辑部工作流程中，稿件从录用到出版要经历录用定稿、排版定稿、整期汇编定稿等阶段。录用定稿指内容已经确定，且通过同行评议、主编终审同意刊用的稿件。排版定稿指录用定稿按照期刊特定版式（包括网络呈现版式）排版后的稿件，可暂不确定出版年、卷、期和页码。整期汇编定稿指出版年、卷、期、页码均已确定的印刷或数字出版的整期汇编稿件。录用定稿网络首发稿件内容必须符合《出版管理条例》和《期刊出版管理规定》的有关规定；学术研究成果具有创新性、科学性和先进性，符合编辑部对刊文的录用要求，不存在学术不端行为及其他侵权行为；稿件内容应基本符合国家有关书刊编辑、出版的技术标准，正确使用和统一规范语言文字、符号、数字、外文字母、法定计量单位及地图标注等。为确保录用定稿网络首发的严肃性，录用定稿一经发布，不得修改论文题目、作者、机构名称和学术内容，只可基于编辑规范进行少量文字的修改。 出版确认：纸质期刊编辑部通过与《中国学术期刊（光盘版）》电子杂志社有限公司签约，在《中国学术期刊（网络版）》出版传播平台上创办与纸质期刊内容一致的网络版，以单篇或整期出版形式，在印刷出版之前刊发论文的录用定稿、排版定稿、整期汇编定稿。因为《中国学术期刊（网络版）》是国家新闻出版广电总局批准的网络连续型出版物（ISSN  2096-4188，CN 11-6037/Z ），所以签约期刊的网络版上网络首发论文视为正式出版。  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(2022)x-0001-23DOI: 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. doi:10.12000/JR22153.Reference format: GUO Rui, ZHANG Yue, TIAN Biao, et al. Review of the technology, development andapplications of holographic staring radar[J]. Journal of Radars. doi: 10.12000/JR22153.Review of the Technology, Development and Applications ofHolographic Staring RadarGUO Rui      ZHANG Yue      TIAN Biao      XIAO Yu      HU Jun     XU Shiyou      CHEN Zengping*(School of Electronics and Communication Engineering, Shenzhen Campus of Sun Yat-sen University,Shenzhen, 518107, China)Abstract: Holographic staring radar is an array radar that continuously looks everywhere and performs multiplefunctions simultaneously instead of sequentially. First, this paper clarifies the definition of holographic staringradar and summarizes the features, performance advantages, and accompanying risks of holographic staringradar. Then, the research history and main application directions of holographic staring radar are reviewed.Next, the holographic staring radar series of Sun Yat-sen University in China is introduced. The targetdetection results of this holographic staring radar are given, showing the application potential of a holographicstaring radar system in low-altitude target monitoring. Next, the research progress of related key technologies isexamined, including system design, beam control, target detection, and parameter estimation. Finally, thedevelopment trends of holographic staring radar are discussed.Key words: Digital array radar; Holographic staring radar; Detect evergwhere continuously; Multifunctionalsimultaneously; Doppler resolution  收稿日期：2022-07-18；改回日期：2022-10-20*通信作者： 陈曾平 chenzengp@mail.sysu.edu.cn        *Corresponding Author: CHEN Zengping, chenzengp@mail.sysu.edu.cn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)Foundation Items: The National Natural Science Foundation of China (U2133216), Shenzhen Science and Technology Program(GXWD20201231165807008, 20200828174754001, KQTD20190929172704911), Shenzhen Fundamental Research Program(JCYJ20180307151430655), Guangdong Provinical Science and Technology Program (2019ZT08X751)责任主编：杨建宇     Corresponding Editor: YANG Jianyu雷  达  学  报Journal of Radars网络首发时间：2022-10-31 16:37:19网络首发地址：https://kns.cnki.net/kcms/detail/10.1030.TN.20221031.0909.002.html 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-graphic staring radar)又称泛探雷达(UbiquitousRadar)、同时多波束数字波束形成(Digital BeamForming, 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. 1  Schematic diagram of holographic staring radar2 雷  达  学  报 第11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。全息凝视雷达是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Chain Home雷达即采用“泛光灯照射”(floodlight illumination)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19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(Radar a Impulsion et Antenne Synthetique，RI-AS)概念[8–10]，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，一方面出发点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，德国应用科学研究所(FGAN)Wirth提出了发射采用连续波、宽波束设计，将雷达辐射功率在时间/空间上进行分散，降低时空功率密度，接收端采用同时多波束，实现连续空域覆盖，即提出泛照灯雷达(Floodlight Radar)的概念[11–13]。为验证系统的有效性，FGAN建立了全向低截获雷达试验系统(Omnidirectional LPI, OLPI)。OLPI工作于S波段，发射连续波，发射功率10 W，方位覆盖120°范围，俯仰覆盖20°范围。如图2(b)所示，接收阵列为64列偶极子天线组成的平面阵列，接收时首先采用64通道Butler矩阵实现方位向同时多波束，然后再对每个波束进行数字化，多波束间交叠正交，波束宽度约为2°。OLPI采用模拟波束形成方式，验证了全息凝视体制用于实现低截获探测的表 1 相控阵雷达、全息凝视雷达和MIMO雷达对比Tab. 1   The comparison of phased array radar, holographic staring radar and MIMO radar对比项 相控阵雷达 全息凝视雷达 MIMO雷达工作模式示意图[7]接收波束 发射波束 接收波束 发射波束 接收波束 发射波束正交波形发射波束特点 单个集中波束发射 发射宽波束 多个发射天线发射分集波形接收波束特点 单个集中波束接收 同时多波束接收 同时多波束接收相同发射总功率、积累时间输出信噪比[6,7]SNRPASNRPA/e(e为波束展宽倍数) SNRPA/N(N为发射阵元数)角度分辨率[6]由接收天线孔径决定 由接收天线孔径决定 由发射阵列与接收阵列卷积得到虚拟阵列孔径决定优势 相同孔径发射增益大多目标跟踪能力强、同时多功能、多普勒分辨率高、射频隐身性高等多目标跟踪能力强、虚拟孔径扩展测角精度高、多普勒分辨率高、射频隐身性高等劣势 相同孔径观测范围小相同孔径发射增益低、计算量大、不适合单目标跟踪相同孔径发射增益低、计算量大、脉冲综合距离副瓣高、不适合单目标跟踪郭  瑞等：全息凝视雷达系统技术与发展应用综述 3性能优势。1993年，我国科研人员基于RIAS相同概念建造了综合脉冲孔径雷达(Synthetic Impulse andaPerture Radar, SIAR)并开展相关关键技术研究[14–17]，SIAR的脉冲综合保持了对某些方向的计算，等效于把雷达波束固定在某些方向，SIAR中不存在波束扫描概念，积累时间只受目标运动和雷达参数影响，与波束对目标的扫描时间无关，实验及相关分析验证了SIAR具有反隐身、反侦察、抗ARM和抗干扰的性能优势，同时文献[18]也指出满足多波束实时处理所需的计算能力是建造综合脉冲孔径雷达系统的难点之一。在这个阶段，尽管接收阵列稀疏布阵，但由于当时实际信号处理能力的限制，实际的SIAR系统很难做到接收波束对发射波束空间的全部覆盖，相当于对能量利用率作出一定牺牲。1999年，美国海军研究实验室(Naval ResearchLaboratory, NRL)Skolnik提出泛探雷达(Ubiquit-ous radar)概念[19–21]，即采用全向或者很宽的发射波束，接收采用数字波束形成同时形成多个窄波束覆盖发射区域，可实现对观测空域的时域、空域的连续观测。Skolnik总结泛探雷达的主要优势在于可实现同时多功能并能够提高雷达抗截获性，并指出该性能主要依赖于数字波束形成与数字信号处理能力。随后NRL完成泛探雷达系统研制[22]，并基于该系统验证了泛探雷达性能优势，同时指出，全息凝视雷达长时间积累必须解决跨距离单元和跨多普勒单元现象带来的积累增益下降问题。2003年，美国林肯实验室对全息凝视模式和MIMO模式进行对比，并指出数字阵列雷达发射分集波形可进一步发挥全息凝视雷达性能优势，并研制L波段MIMO体制泛探多功能数字阵列雷达用于技术验证[7]，泛探模式与MIMO的结合进一步增加系统时间-能量管理的灵活性，以适应不同场景的目标探测。近年来，随着高速总线及高性能处理系统发展，全息凝视雷达计算量问题对系统的限制越来越小，全息凝视雷达频段不断扩展，系统规模不断增大；同时与智能信号处理、分布式等新技术结合，使得凝视体制应用范围进一步扩展，总的来说主要包括以下方面：(1) 空中/地面/海面监视雷达2010年以来，英国Aveillant公司采用了泛探雷达的思想研制出图3所示不同威力、不同空域覆盖的系列化产品[23]，相关参数如表2所示。该类产品可实现全空域、全时间的连续探测，且利用长时间相参积累带来的高多普勒分辨率，实现目标的微多普勒测量。基于该系列产品，已完成风力发电厂涡轮杂波抑制[24]、无人机探测识别[25–32]、鸟类探测识别[27,33]、非合作目标监视[34,35]、智能信号处理[36,37]、分布式探测[38–40]等试验验证，证明了该系统应用于鸟类、无人机等“低慢小”目标探测识别具有独特优势。2015年，QinetiQ公司推出采用泛探思想的图4(a)所示的Alarm凝视雷达[41,42]，主要用于小型基地防御。该雷达方位覆盖120°。仰角覆盖30°，工作频段C波段(4～6 GHz)，发射功率100 W，已装备于英国部队，可实现火箭弹探测与告警以及悬停无人机探测等功能。处理过程中，该系统先进行俯仰维数字波束形成，再进行方位维数字波束形成，文献[41,42]给出了该系统试验结果，在火箭弹由远及近向雷达方向飞行时过程中，俯仰测量的最低角度约3°。随后该公司又推出Obsidian凝视雷达[43]，天线采用无活动部件的全固态印制电路结构，降低维护成本，每个系统包含5个阵列天线，工作时同时形 (a) 发射天线(a) The transmit antenna(b) 接收天线(b) The receiving antenna 图 2 OLPI雷达[12]Fig. 2  OLPI radar[12]4 雷  达  学  报 第11卷成16个固定波束。发射波形为调频连续波，工作频率约10 GHz，方位覆盖180°。仰角覆盖90°，距离分辨率3 m，具有良好的多普勒分辨率，可对低速旋翼无人机目标、高机动固定翼目标有效探测识别。2017年，意大利芬坎特里集团公司旗下SEA-STEMA公司推出图5所示新型OMEGA360全息凝视雷达[44–46]，采用216列组成的环形结构天线，每列包含8个辐射单元和1个8通道无源带状线功分器，各列具有单独的接收通道用于射频信号放大、表 2 Aveillant公司全息雷达系统参数[24–30]Tab. 2   Basic technical parameters of Aveillant's holographic radar[24–30]参数名称 原理样机 Gamekeeper 16U Theia 64A QUAD (128)频率 L波段 L波段 L波段 L波段带宽 ～2 MHz ～2 MHz ～2 MHz ～2 MHz发射功率 ～1 kW ～1 kW ～10 kW \接收通道数 8×8 4×16 32×8 \方位覆盖范围 90° 90° 90° 360°俯仰覆盖范围 90° 30° 90° 90°PRF \ ～7.5 kHz ～3.8 kHz \更新率 \ ～0.25 s ～0.5 s ～1 s探测距离 5海里(@RCS 1 m2) 5km(@RCS 0.01 m2) 20海里(@RCS 0.01 m2) 40海里(@RCS 0.01 m2)探测距离精度\ \<50 m\ 探测方位精度 <250 m速度分辨率 <0.5 m/s(b) QUAD (128)全息雷达(b) QUAD (128) holographic radar(d) Theia 64A全息雷达(d) Theia 64A holographic radar(a) 息雷达原理样机(a) Holographic radar prototype(c) Gamekeeper 16U全息雷达(c) Gamekeeper 16U holographic radar 图 3 Aveillant公司全息雷达系统[24–30]Fig. 3  Holographic staring radars of Aveillant[24–30]郭  瑞等：全息凝视雷达系统技术与发展应用综述 5滤波下变频以及数字采样，4个接收通道组成1个单独的Q-Pack模块。采集数据送到中央处理单元进行实时处理，同时形成192个接收波束(波束宽度约为2°)实现方位维360°范围内凝视探测。OMEGA360工作频段为X波段，发射波形为线性调频信号，带宽为5 MHz，其可在严重杂波干扰下探测水面目标和低空目标，包括潜望镜、小艇、浮标、小型无人机、直升机、掠海导弹等。中山大学智能感知团队在系列国家项目资助下，与国外同步开展了全息雷达技术研究与系统研制工作[47–53]，经过十余年的研究发展，已成功研制了图6和图7所示L, S等频段全息雷达产品，相关参数如表3所示。团队基于所研制的全息凝视雷达系统，开展了较为丰富的外场试验验证工作。如图8所示，在空中目标监视方面，团队与中国民航科学技术研究院合作开展基于全息雷达开展的外场鸟情感知探测实验，证明了全息凝视雷达在低空目标监视识别方面的优势。一方面，全息雷达的高速度分辨率可为距离和方位都无法分辨的集群目标提供了分辨手段，如图9所示，图中横坐标代表目标速度，其中出现的两个尖峰即为全息凝视雷达对集群中个体目标的速度分辨结果；另一方面，全息凝视雷达连续探测和高驻留时间工作方式有助于提取目标的微多普勒，从而提高目标识别准确率[54–58]，实测数据验证表明，综合利用目标微多普勒特征、运动特征、RCS特征等可实现低慢小目标97.62%的识别准确率[59–61]。在边境地区的安全防控应用方面，团队在云南等地基于L波段全息凝视雷达开展了针对边防应用的外场探测实验，图10为相关实验场景与结果，经验证，L波段全息凝视雷达可穿透10～20 m中等密度树林，实现了6 km外人员、车辆目标探测。在海防应用方面，团队与海军航空大学海上目标探测课题组合作开展基于S波段全息凝视雷达的海面目 (b) Obsidian凝视雷达(b) Obsidian staring radar(a) Alarm凝视雷达(a) Alarm staring radarTransmitterReceiverarray 图 4 QinetiQ公司全息雷达系统[41–43]Fig. 4  Holographic staring radars of QinetiQ[41–43] (a) OMEGA360雷达(a) OMEGA360 radar(b) 收发波束图(b) Receiving and transmitting beams(c) 目标跟踪结果(c) Target track on PPIDBFD.Ant.E54Q-Packs216columnsTransmittedbeams192 RXbeams90°60° 120°150° 30°0° 180°210° 330°300° 240°270° 图 5 OMEGA360全息凝视雷达[44–46]Fig. 5  OMEGA360 holographic staring radar6 雷  达  学  报 第11卷表 3 中山大学全息雷达系统参数Tab. 3  Basic parameters of the holographic staringradar developed by SYSU参数名称 L波段全息凝视雷达 S波段全息凝视雷达频率 L波段 S波段带宽 2-16 MHz 2-10 MHz发射功率 ～500 W ～400 W接收通道数 8×8 4×16方位覆盖范围 90° 90°俯仰覆盖范围22.5°, 30°, 45°, 60°(可设定)30°PRF ～5 kHz ～7.5 kHz更新率 ～1 s ～1 s探测距离10 km(@RCS 0.01 m2)8 km(@RCS 0.01 m2)探测距离精度 <10 m <15 m方位角分辨精度