基于DRM數(shù)字調(diào)幅廣播的高頻外輻射源雷達(dá)實(shí)驗(yàn)研究

萬(wàn)顯榮 趙志欣 柯亨玉 程 豐 饒?jiān)迫A 龔子平

(武漢大學(xué)電子信息學(xué)院無(wú)線電探測(cè)研究中心 武漢 430079)

1 引言

利用高頻電磁波(HF,3～30 MHz，又稱短波)沿導(dǎo)電海面繞射傳播特性和沿電離層返回散射傳播機(jī)理可分別構(gòu)建地波雷達(dá)、天波雷達(dá)和天地波混合雷達(dá)[1－6]，3類雷達(dá)均具有作用距離遠(yuǎn)、超視距、反隱身等突出優(yōu)點(diǎn)，是用于戰(zhàn)略預(yù)警、國(guó)土防空、海洋權(quán)益維護(hù)的重要裝備，此外該雷達(dá)還可作為遠(yuǎn)程大面積海洋表面動(dòng)力學(xué)參數(shù)(風(fēng)、浪、流)監(jiān)測(cè)和大區(qū)域電離層環(huán)境遙感的有力手段?，F(xiàn)有該頻段雷達(dá)多采用主動(dòng)輻射信號(hào)的有源體制。

高頻外輻射源雷達(dá)(HF Passive Bistatic Radar,HFPBR)是一種利用第三方發(fā)射的高頻電磁信號(hào)探測(cè)跟蹤目標(biāo)的雙/多基地雷達(dá)系統(tǒng)，該體制雷達(dá)本身并不發(fā)射能量，而是被動(dòng)地接收目標(biāo)反(散)射的非協(xié)同式輻射源的電磁信號(hào)，對(duì)目標(biāo)進(jìn)行跟蹤和定位。該雷達(dá)除具備上述傳統(tǒng)高頻天/地波雷達(dá)優(yōu)點(diǎn)外，還集成了雙/多基地外輻射源雷達(dá)的多種優(yōu)點(diǎn)，主要包括：(1)無(wú)需頻率分配、無(wú)輻射污染；(2)抗有源定向干擾、反輻射導(dǎo)彈、抗摧毀能力強(qiáng)；(3)研制和維護(hù)成本低、設(shè)備體積小、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、易于部署等。因此該雷達(dá)為某些特殊需求(如不希望有主動(dòng)發(fā)射源)的用戶或“反隱身飛機(jī)網(wǎng)”提供了一種新的選擇。

相對(duì)于VHF/UHF波段外輻射源雷達(dá)的研究[7－9]，HF波段外輻射源雷達(dá)發(fā)展相對(duì)滯后。但隨著DRM(Digital Radio Mondiale)數(shù)字短波在全球覆蓋范圍逐步擴(kuò)大，節(jié)目播出時(shí)間增長(zhǎng)，為研究高頻波段外輻射源系統(tǒng)提供了極為便利的條件。DRM數(shù)字廣播標(biāo)準(zhǔn)是目前被國(guó)際電聯(lián)廣播業(yè)務(wù)組(ITU-R)確定為全球短波數(shù)字聲音廣播的唯一制式，從2003年6月16日日內(nèi)瓦召開(kāi)ITU無(wú)線電行政大會(huì)開(kāi)始，國(guó)際上不少專業(yè)廣播機(jī)構(gòu)的部分發(fā)射臺(tái)以 DRM 方式正式投入廣播運(yùn)行。這些發(fā)射臺(tái)主要分布在歐洲，包括 BBC(英國(guó))，DW(德國(guó))，VOR(俄羅斯)，RNW(荷蘭)等，因此在歐洲從事HFPBR研究具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。英國(guó)倫敦學(xué)院是國(guó)際上知名的無(wú)源雷達(dá)研究機(jī)構(gòu)，從上世紀(jì)80年代初開(kāi)始從事無(wú)源雷達(dá)的研究[10]，隨著DRM數(shù)字廣播在歐洲的播出，H.D. Griffiths 教授等人[11－13]近年開(kāi)始探索 DRM信號(hào)作為雷達(dá)照射源的可行性，他們直接利用AOR公司AR7030短波通信接收機(jī)中頻輸出，采集了某26 MHz短波電臺(tái)的 OFDM(正交頻分復(fù)用)信號(hào)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，初步證實(shí)了OFDM信號(hào)具有圖釘型模糊函數(shù)，而且距離分辨率與節(jié)目?jī)?nèi)容無(wú)關(guān)。澳大利亞阿德雷德大學(xué)Coleman等人[14]與英國(guó)巴斯大學(xué)合作，采用類似 Griffiths教授的方法，利用ICS554B數(shù)字接收機(jī)采集了DRM電臺(tái)信號(hào)并分析了模糊函數(shù)，列舉了 DRM信號(hào)的可能應(yīng)用。澳大利亞DSTO超視距雷達(dá)專家G.A. Fabrizio近期也撰文介紹了在 HF無(wú)源雷達(dá)上的研究進(jìn)展[15]，不過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是基于機(jī)會(huì)高頻雷達(dá)輻射源采集的，文中也提出了將來(lái)利用數(shù)字調(diào)幅廣播照射源的設(shè)想。我國(guó)的數(shù)字廣播在技術(shù)上是緊跟世界潮流的，數(shù)字廣播取代傳統(tǒng)模擬廣播是大勢(shì)所趨，我國(guó)現(xiàn)已在長(zhǎng)沙開(kāi)始了中波DRM廣播，但短波DRM廣播在我國(guó)發(fā)展比較緩慢，目前還停留在試驗(yàn)層面，但短波通過(guò)電離層超視距傳播，國(guó)內(nèi)現(xiàn)已具備開(kāi)展該研究的條件[16,17]。本文主要敘述了利用武漢大學(xué)新近研制的有/無(wú)源一體化高頻地波雷達(dá)設(shè)備，在我國(guó)進(jìn)行外輻射源探測(cè)的研究進(jìn)展，包括系統(tǒng)理論與關(guān)鍵技術(shù)、探測(cè)設(shè)備和初步試驗(yàn)結(jié)果等。

2 高頻外輻射源雷達(dá)理論及關(guān)鍵技術(shù)

2.1 HFPBR的傳播機(jī)理和雷達(dá)方程

與有源雙基地高頻雷達(dá)傳播機(jī)理類似，根據(jù)DRM 廣播發(fā)射站和接收站部署位置及高頻電波傳播特點(diǎn)，HFPBR可利用的主要傳播模式有 4種：地波模式、天波模式、天地波混合和天波/視距直達(dá)波傳播模式。為描述方便，本文主要討論前3種模式如圖1所示。若短波廣播輻射的高頻電磁波沿導(dǎo)電海洋表面?zhèn)鞑?、在與目標(biāo)作用后又沿導(dǎo)電海洋表面繞射至接收站，則可構(gòu)建地波模式HFPBR(黑色虛線)；若依靠電離層兩次或多次反射到達(dá)接收點(diǎn)，可構(gòu)建天波模式HFPBR(綠色實(shí)線)；如電波經(jīng)電離層反射后再沿導(dǎo)電海面繞射傳播到達(dá)接收點(diǎn)，則被稱為天地波混合傳播模式HFPBR(藍(lán)色點(diǎn)劃線)。

圖1 HFPBR 3種傳播模式示意圖

3種傳播模式對(duì)應(yīng)的雷達(dá)方程可統(tǒng)一表達(dá)為

其中，Pt為發(fā)射天線功率，Gt為發(fā)射天線增益，σ為目標(biāo)散射截面，Gr為接收天線增益，λ為工作波長(zhǎng)，T為累積時(shí)間，傳播距離R1,R2和傳播損耗因子Lp在3種模式下的對(duì)應(yīng)量如表1所示，Ls為系統(tǒng)損耗因子，K為波爾茲曼常數(shù)，T0為環(huán)境溫度，F(xiàn)a為大氣噪聲系數(shù)。

2.2 信號(hào)處理關(guān)鍵技術(shù)

2.2.1 探測(cè)信號(hào)結(jié)構(gòu)與波形特性修正

DRM廣播信號(hào)采用正交頻分復(fù)用(OFDM)調(diào)制技術(shù)，可以很好地對(duì)抗頻率選擇性衰落，其標(biāo)準(zhǔn)中定義了5種不同的魯棒模式(A～E)，允許發(fā)射端根據(jù)不同的傳輸信道與服務(wù)質(zhì)量動(dòng)態(tài)地調(diào)整信號(hào)參數(shù)。DRM廣播信號(hào)傳輸以超幀為單位，每個(gè)超幀由多個(gè)傳輸幀組成，每個(gè)傳輸幀又包含多個(gè)OFDM符號(hào)，其基帶信號(hào)可表示為[18]

表1 3種模式對(duì)應(yīng)的R1,R2和Lp

其中，k為子載波序號(hào)，Kmin與Kmax為k的上下限；Ns表示一個(gè)傳輸幀里的OFDM符號(hào)個(gè)數(shù)；s為每幀符號(hào)序號(hào)；r為傳輸幀序號(hào)；cr,s,k為第r幀中第s個(gè)符號(hào)的第k個(gè)子載波的復(fù)調(diào)制數(shù)據(jù)；Tu表示OFDM符號(hào)有效部分時(shí)間長(zhǎng)度，Tg表示OFDM符號(hào)循環(huán)前綴時(shí)間長(zhǎng)度，Ts表示一個(gè)完整OFDM符號(hào)時(shí)間長(zhǎng)度。DRM標(biāo)準(zhǔn)中常用模式B對(duì)應(yīng)的各參數(shù)如表2所示。

模糊函數(shù)是研究雷達(dá)波形的有效工具，它描述了雷達(dá)系統(tǒng)所采用波形具有的距離分辨力、雜波抑制能力等潛在性能。由于外輻射源雷達(dá)波形并非為雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)專門(mén)設(shè)計(jì)，對(duì)其模糊函數(shù)的分析顯得尤為重要。DRM模糊函數(shù)可表示為

表2 DRM模式B的OFDM參數(shù)

其中，τ是時(shí)延，fd為多普勒頻移，其模糊函數(shù)如圖2(a)所示，可見(jiàn)DRM信號(hào)具有圖釘型模糊函數(shù)，但除零距離和零多普勒處的主峰外，還出現(xiàn)了很多有規(guī)律的副峰，因此需要基于DRM信號(hào)結(jié)構(gòu)對(duì)波形特性進(jìn)行修正。分析不同副峰的規(guī)律和形成機(jī)理并對(duì)相應(yīng)部分處理后，副峰均被抑制，如圖 2(b)所示，可見(jiàn)經(jīng)修正后的信號(hào)具有理想的圖釘型模糊函數(shù)。文中模糊函數(shù)圖和距離-多普勒(RD)譜上的距離為相對(duì)于直達(dá)路徑的距離差，多普勒為雙基地角平分線多普勒。

圖2 DRM模糊函數(shù)及其特性修正

2.2.2 直達(dá)波抑制

外輻射源雷達(dá)目標(biāo)檢測(cè)采用相干處理技術(shù)，即在接收系統(tǒng)中至少要設(shè)置2個(gè)通道：監(jiān)測(cè)通道和參考通道，分別用來(lái)接收目標(biāo)回波信號(hào)和參考信號(hào)；然后通過(guò)監(jiān)測(cè)通道與參考通道的互相關(guān)模糊函數(shù)(2D-CCF，即匹配濾波)求解獲取RD譜，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的檢測(cè)與跟蹤。DRM數(shù)字調(diào)幅廣播外輻射源雷達(dá)通過(guò)將陣列接收天線波束分別指向發(fā)射臺(tái)和目標(biāo)方向以得到參考通道和監(jiān)測(cè)通道信號(hào)。而由于波束寬度和副瓣的影響，監(jiān)測(cè)通道信號(hào)中會(huì)不可避免地存在直達(dá)波和多徑雜波，而直達(dá)波和多徑雜波往往比目標(biāo)回波強(qiáng)很多，其旁瓣使得目標(biāo)在回波譜上被掩蓋。因此，直達(dá)波和多徑雜波的有效抑制是各種體制外輻射源雷達(dá)的主要難點(diǎn)之一，其解決方法大致可分為時(shí)域方法[19－21]和空域方法[22－24]。時(shí)域方法主要是基于維納濾波理論，即依據(jù)不同的準(zhǔn)則尋找M階最優(yōu)權(quán)系數(shù)W求解表達(dá)式，其中s(n)為監(jiān)測(cè)通道樣R本，sref(n)為M個(gè)參考通道樣本構(gòu)成的向量；根據(jù)不同的準(zhǔn)則，可分為L(zhǎng)MS,NLMS,RLS算法和LS算法。空域方法是多徑雜波抑制常用的方法，普通雙通道無(wú)源雷達(dá)系統(tǒng)可通過(guò)降低監(jiān)測(cè)天線的副瓣來(lái)實(shí)現(xiàn)直達(dá)波抑制，多通道陣列無(wú)源雷達(dá)可通過(guò)自適應(yīng)波束形成深零陷以抑制多徑雜波。

2.2.3 參考信號(hào)重構(gòu)

與有源雷達(dá)的探測(cè)波形先前已知不同，外輻射源雷達(dá)系統(tǒng)的參考信號(hào)是未知且隨機(jī)的，如單純通過(guò)波束形成得到的參考通道信號(hào)不可避免也會(huì)面臨多徑和噪聲污染，因此純凈參考信號(hào)的提取是系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)相干檢測(cè)的關(guān)鍵，其中基于重構(gòu)的信號(hào)提純方法可獲得更為干凈的參考信號(hào)，其處理流程如圖3所示，其中各步驟所包含的具體內(nèi)容也在圖中給出。接收信號(hào)的解調(diào)誤碼率對(duì)參考信號(hào)的重構(gòu)質(zhì)量有一定影響，而重構(gòu)質(zhì)量卻直接影響了時(shí)域直達(dá)波抑制的能力，如圖4所示仿真結(jié)果可見(jiàn)，誤碼率越低，直達(dá)波抑制效果越好。

圖3 參考信號(hào)獲取與重構(gòu)流程

圖4 誤碼率與抑制能量關(guān)系統(tǒng)計(jì)

2.2.4 目標(biāo)定位

目標(biāo)定位主要針對(duì)天波和天地波混合模式，因?yàn)榇四Ｊ较孪到y(tǒng)得到的實(shí)際上是目標(biāo)在自由空間、電離層及海洋表面?zhèn)鞑サ娜郝窂脚c直達(dá)波路徑之差，而目標(biāo)距接收站的實(shí)際地面距離才是我們關(guān)心的，因此在天波和天地波混合模式下必須考慮目標(biāo)的定位問(wèn)題。

對(duì)于最簡(jiǎn)單的均勻球?qū)ΨQ結(jié)構(gòu)電離層情況，天地波混合模式下的目標(biāo)與雷達(dá)系統(tǒng)位置關(guān)系可簡(jiǎn)化為平面幾何關(guān)系[5]。利用三角函數(shù)公式可推出目標(biāo)定位方程為

其中R為目標(biāo)相對(duì)于接收站的距離，D0為從發(fā)射站到接收站的基線距離，h為電離層等效虛高，θ為目標(biāo)與收發(fā)基線之間的夾角，d為天地波混合路徑距離，可以由時(shí)延差和直達(dá)路徑距離得到。同理可以求得天波模式下的目標(biāo)定位方程。但實(shí)際中電離層是隨時(shí)間空間變化的，因此要實(shí)現(xiàn)目標(biāo)精確定位就要依賴實(shí)時(shí)電波環(huán)境參數(shù)和部分先驗(yàn)信息并運(yùn)用復(fù)雜的電離層傳播理論、靈巧的電離層重構(gòu)技術(shù)和精確的射線追蹤技術(shù)來(lái)處理。

3 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

武漢大學(xué)新近研制的主被動(dòng)一體化高頻地波雷達(dá)基于軟件無(wú)線電思想設(shè)計(jì)，發(fā)射和接收均采用全數(shù)字方案，具有很好的通用性和可擴(kuò)展性，是一部兼容多基地、多頻率、多波形并且可實(shí)現(xiàn)多功能探測(cè)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。系統(tǒng)工作頻段8-25 MHz，發(fā)射可采用對(duì)數(shù)周期天線或三元組合單極天線，接收天線單元采用寬頻帶2 m高無(wú)源單極螺旋天線，接收系統(tǒng)可靈活配置為16-32通道。收發(fā)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。

圖5 收發(fā)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

本次實(shí)驗(yàn)共設(shè)計(jì)了兩種探測(cè)模式，接收陣列沿海岸布置，接收的DRM 廣播信號(hào)分為真實(shí)外輻射源和自主外輻射源。真實(shí)外輻射源探測(cè)實(shí)驗(yàn)直接接收國(guó)外對(duì)華廣播的DRM 信號(hào)。自主外輻射源探測(cè)實(shí)驗(yàn)主要用于解決兩方面的問(wèn)題：一方面可以用于外輻射源信號(hào)的分辨性能和接收系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究，因DRM廣播的OFDM波形并非專為雷達(dá)探測(cè)設(shè)計(jì)，用于雷達(dá)探測(cè)時(shí)會(huì)遇到傳統(tǒng)探測(cè)波形(如線性調(diào)頻，相位編碼)所未曾面臨的問(wèn)題，如探測(cè)波形特性需要修正、需要更大動(dòng)態(tài)范圍的接收機(jī)系統(tǒng)等；另一方面用于如上所述的關(guān)鍵信號(hào)處理算法前期研究。自主式外輻射源探測(cè)收發(fā)采用雙基地結(jié)構(gòu)，由頻率合成器模擬產(chǎn)生 DRM 廣播信號(hào)通過(guò)功率放大器后由天線發(fā)射，接收系統(tǒng)在信號(hào)處理時(shí)采用兩種方式，(1)假設(shè)發(fā)射波形未知，則系統(tǒng)工作在無(wú)源探測(cè)模式；(2)假設(shè)發(fā)射波形已知，則系統(tǒng)工作在有源探測(cè)模式。在數(shù)據(jù)分析時(shí)因發(fā)射波形實(shí)際上事先已知，可以將兩種不同處理方法的結(jié)果進(jìn)行比對(duì)。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4.1 自主式外輻射源探測(cè)實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)中自主式高頻外輻射源探測(cè)采用雙基地地波傳播模式，發(fā)射站位于青島沿海，接收站位于煙臺(tái)沿海，實(shí)驗(yàn)布局如圖6所示，收發(fā)站間的距離約為50 km。通過(guò)頻率綜合器模擬產(chǎn)生DRM標(biāo)準(zhǔn)B模式信號(hào)，經(jīng)由1 kW功率放大器輸出。接收天線為32元雙排線陣，發(fā)射信號(hào)主要經(jīng)過(guò)地波傳播模式到達(dá)接收陣列。圖7(a)～ 7(f)給出了地波模式的探測(cè)結(jié)果，可見(jiàn) DRM 外輻射源雷達(dá)可實(shí)現(xiàn)對(duì)不同目標(biāo)(飛機(jī)、艦船、海洋和電離層)的探測(cè)：圖 7(b)的RD譜上電離層回波具有寬多普勒擴(kuò)展特性，幾乎覆蓋了整個(gè)多普勒分析帶寬；經(jīng)過(guò)空時(shí)域自適應(yīng)處理(如自適應(yīng)數(shù)字波束形成等)濾除直達(dá)波后，被掩蓋的目標(biāo)得以顯現(xiàn)；且連續(xù)跟蹤到了飛機(jī)和艦船目標(biāo)；由于同時(shí)存在地面多徑回波和海洋回波，雜波環(huán)境復(fù)雜，雜波的有效抑制方法是一大技術(shù)難題。

4.2 真實(shí)外輻射源探測(cè)實(shí)驗(yàn)

圖6 自主式高頻外輻射源探測(cè)實(shí)驗(yàn)布局圖

圖7 自主式高頻外輻射源探測(cè)結(jié)果

真實(shí)DRM外輻射源雷達(dá)采用同樣的接收陣列，在不同時(shí)段分別接收德國(guó)和俄羅斯的 DRM 廣播信號(hào)，其中俄羅斯DRM對(duì)華廣播的電波覆蓋如圖8所示。由于距離達(dá)幾千公里，發(fā)射信號(hào)被電離層反射傳播到達(dá)接收陣列。圖 9給出了利用俄羅斯 15 MHz DRM廣播電臺(tái)的探測(cè)結(jié)果，圖9 (a)和圖9 (b)分別對(duì)應(yīng)天地波混合模式和天波模式的回波譜。根據(jù)2.1節(jié)所述不同傳播模式下的雷達(dá)方程，目標(biāo)與雷達(dá)系統(tǒng)位置關(guān)系簡(jiǎn)化為平面幾何關(guān)系，下面給出圖8所示收發(fā)配置在典型傳播條件下的最大地面探測(cè)距離結(jié)果：電臺(tái)發(fā)射功率Pt=3 0 kW，發(fā)射天線增益Gt=1 2 dB，收發(fā)系統(tǒng)地面距離為2020 km，接收陣列增益Gr=1 5 dB，系統(tǒng)損耗Ls=1 0 dB,Fa=3 7 dB。艦船目標(biāo)散射截面σ=3 0 dBm2，其與接收站連線同收發(fā)基線夾角為 90°，累積時(shí)間T=218 s，設(shè)定最小目標(biāo)檢測(cè)信噪比為 11.2 dB(檢測(cè)概率 0.5，虛警率 1 0?6)時(shí)，天地波混合模式下設(shè)電離層等效反射高度為250 km，天波路徑傳播衰減為8 dB，五級(jí)海態(tài)，其相應(yīng)的最大地面探測(cè)距離約為180 km；天波模式下設(shè)兩次天波路徑電離層等效反射高度分別為220 km和280 km,Lp=12 dB，其相應(yīng)的最大地面探測(cè)距離典型值為1500 km。對(duì)于相同幾何位置、散射截面σ=2 0 dBm2的飛機(jī)目標(biāo)，累積時(shí)間T=2 0 s ，其在天地波混合模式下的最大地面探測(cè)距離約為160 km。高頻雷達(dá)是一種典型的環(huán)境依賴型設(shè)備，此處僅給出了典型參數(shù)和簡(jiǎn)單模型下的部分探測(cè)性能。

圖8 真實(shí)高頻外輻射源探測(cè)實(shí)驗(yàn)布局圖

圖9 真實(shí)外輻射源實(shí)驗(yàn)15 MHz信號(hào)探測(cè)結(jié)果

5 結(jié)論

高頻外輻射源雷達(dá)集成了傳統(tǒng)高頻天/地波雷達(dá)和雙/多基地外輻射源雷達(dá)的多種優(yōu)點(diǎn)，具有廣闊的應(yīng)用前景；該雷達(dá)的研究除面臨傳統(tǒng)高頻天/地波雷達(dá)和雙基地?zé)o源雷達(dá)的難點(diǎn)外，還涵蓋了數(shù)字通信技術(shù)與雷達(dá)技術(shù)交叉而引入的一系列新問(wèn)題。本課題組在國(guó)家自然科學(xué)基金多個(gè)項(xiàng)目資助下，利用武漢大學(xué)新近研制的全數(shù)字有/無(wú)源一體化高頻地波雷達(dá)系統(tǒng)，開(kāi)展了我國(guó)首次基于DRM數(shù)字調(diào)幅廣播的高頻外輻射源探測(cè)實(shí)驗(yàn)，并對(duì)探測(cè)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了前期研究，給出了HFPBR的3種傳播模式很有意義的探測(cè)結(jié)果。據(jù)作者知識(shí)所及，上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果報(bào)道在國(guó)際上尚屬首次，后期工作將進(jìn)一步完善HFPBR不同傳播模式下的探測(cè)理論模型以及深入研究目標(biāo)信息獲取關(guān)鍵技術(shù)。