機載外輻射源雷達雜波模型及特性分析

梁 龍 萬顯榮 程 豐 柯亨玉

（武漢大學電子信息學院，湖北 武漢430072）

引 言

機載外輻射源雷達（Airborne Passive Radar，APR）是當今外輻射源雷達領(lǐng)域的重要研究熱點之一.外輻射源雷達是利用第三方發(fā)射的電磁信號探測目標的雙／多基地雷達系統(tǒng)，具有無需頻率分配、無輻射、抗摧毀能力強、研制和維護成本低、設(shè)備體積小、機動性強等諸多優(yōu)勢［1-5］.APR由于接收機平臺升高，雷達作用距離不受地球曲率和地面遮擋的影響，具有“高瞻遠矚”的優(yōu)勢，可以彌補地基雷達存在的低空盲區(qū)［6］.相對傳統(tǒng)的主動體制機載雷達而言，APR受到更為嚴重的雜波影響，其主要難點體現(xiàn)在：1）由于所用外輻射源信號為連續(xù)信號，除受到多普勒擴展的強地海雜波的影響外，還將受到強直達波的影響.2）新一代的數(shù)字廣播電視多采用一種頻率和功率節(jié)約型的組網(wǎng)技術(shù)——單頻網(wǎng)技術(shù)，單頻網(wǎng)中若干發(fā)射機同時在同一頻帶發(fā)射相同信號，各站的直達波、地海雜波等均匯集于接收通道，構(gòu)成了更為復(fù)雜的多徑傳播環(huán)境［7-10］.因此，實用有效的雜波抑制方法是APR可靠工作的前提，其中雜波形成機理及其特性研究是各種雜波抑制技術(shù)的基礎(chǔ).

目前國內(nèi)外關(guān)于APR的研究才剛剛起步，總體處于理論研究和初期原理實驗階段［11-14］.有關(guān)利用數(shù)字廣播電視信號的機載雷達尚未見報道.本文基于我國數(shù)字廣播電視信號覆蓋現(xiàn)狀開展了研究.建立了基于單頻網(wǎng)結(jié)構(gòu)的APR幾何模型，分析了雜波的空時特性和雜波多普勒對距離的依賴性.并基于實際單頻網(wǎng)外輻射源參數(shù)模擬了APR的雜波信號.

1 APR幾何結(jié)構(gòu)與雜波特性分析

1.1 APR幾何模型

新一代的數(shù)字廣播電視多采用單頻網(wǎng)結(jié)構(gòu)，具有多個發(fā)射站，本文以3個發(fā)射站為例進行說明.其幾何配置結(jié)構(gòu)如圖1所示.T1，T2，T3分別為3個發(fā)射站.每個發(fā)射站與接收站的幾何關(guān)系具有等價性，因此首先單獨以T1為例介紹發(fā)射站與接收站的幾何關(guān)系，然后再綜合分析多基站的情形.如圖1所示建立xyz坐標系.接收機位于點R且距離地面x-y的距離為Hr，R點在地面投影為坐標原點O點.發(fā)射機位于點T且距離地面的距離為Ht，T點在地面的投影為Q點.接收機以速度vr沿x方向水平飛行，天線軸線與飛機飛行方向的夾角（偏航角）為?，發(fā)射機為城市中的外輻射源信號發(fā)射基站，速度為0.發(fā)射信號經(jīng)過發(fā)射斜距Rt到達地面的雜波點P點，反射信號經(jīng)過接收斜距Rr后由接收機接收.收發(fā)斜距之和即為雙基地距離和Rsum，且空間中所有到點R和點T距離之和相等的點構(gòu)成一個雙基等距離橢球體.ψ為雜波散射點相對于天線陣軸線的空間錐角.φr為接收波束與地面之間的俯仰角，θr為接收波束指向同x軸之間的方位角，β為雙基地位置參數(shù).不同β值可描述單頻網(wǎng)結(jié)構(gòu)的幾何配置.

根據(jù)三角形余弦定理，經(jīng)推算可得到以下關(guān)系：

圖1 單頻網(wǎng)APR幾何結(jié)構(gòu)

Rsum最小值為而當時，θr需滿足下式：

對于地雜波，等距離環(huán)上雜波塊多普勒如式（4）.

對于直達波多普勒fD計算為

歸一化多普勒計算公式為

ΨD是直達波入射錐角.對于特定的發(fā)射站，表達式中各量都是確定值，所以直達波的多普勒和入射錐角都是固定的，在空時二維譜上是一個點.

1.2 雜波空時關(guān)系和多普勒距離依賴性仿真結(jié)果

雜波的空時二維關(guān)系和多普勒-距離依賴性是應(yīng)用空時自適應(yīng)處理（Space Time Adaptive Processing，STAP）等空時雜波抑制算法的理論依據(jù)［15］.1.1節(jié)對雜波空時耦合關(guān)系進行了推導，本節(jié)主要對其以及多普勒-距離依賴性進行仿真分析.假設(shè)天線陣元全向接收信號，主要仿真參數(shù)如表1所示.

表1 主要仿真參數(shù)

對比圖2（a）、（c）、（e），當天線陣偏航角?＝0（即為正側(cè)視陣）時，不同距離單元的雜波空時二維分布為斜率為1的直線，且不同距離單元的空時二維點跡都重合于這條直線，表明了雜波具有距離非依賴性，此時雜波可以認為是平穩(wěn)的（圖中較大圓點對應(yīng)直達波空時關(guān)系）.且不同的雙基地位置參數(shù)具有相同的空時分布特性，所以對于正側(cè)視陣結(jié)構(gòu)在單頻網(wǎng)下的雜波依然具有統(tǒng)計平穩(wěn)性.對比圖2（b）、（d）、（f），當天線陣為前視陣的時候，不同距離單元的雜波空時二維分布為圓，且不同距離單元的空時二維點跡不重合，雜波空時分布存在嚴重的距離依賴性，使得獨立同分布的樣本數(shù)急劇減少導致雜波協(xié)方差矩陣估計不準確［16-18］.且近距離雜波的距離依賴性更明顯，當超過一定距離，雜波的統(tǒng)計特性又趨于平穩(wěn).由圖可見，每一個固定的入射錐角Ψ對應(yīng)兩個多普勒頻率，但是與單基地情況不同，兩個多普勒絕對值并不相等，這是因為天線前后對應(yīng)雜波的接收俯仰角φr不同造成的.對比圖2（b）、（d）、（f）可見，不同的雙基地結(jié)構(gòu)配置具有不同的空時特性，這樣在單頻網(wǎng)結(jié)構(gòu)下，同一時間各站的直達波、地海雜波等均匯集于接收通道，因此雜波構(gòu)成將會更加復(fù)雜，統(tǒng)計特性是非平穩(wěn)的.

圖3為雙基地位置參數(shù)β＝π／2，天線陣分別為正側(cè)視和前視陣時，雜波正多普勒與距離和Rsum的關(guān)系.可見當天線陣為正側(cè)視陣時雜波多普勒不隨距離和變化而變化.而當天線陣為前視陣時，雜波多普勒隨距離和變化而變化，且在近距離處變化較大，當超過40km時漸漸趨于平穩(wěn).

圖3 雜波多普勒-距離關(guān)系

2 基于單頻網(wǎng)數(shù)字廣播電視信號的雜波仿真分析

1.1 節(jié)和1.2節(jié)基于單頻網(wǎng)幾何結(jié)構(gòu)對雜波的特性進行了分析，本節(jié)在所建模型的基礎(chǔ)上，利用數(shù)字廣播電視信號產(chǎn)生雜波數(shù)據(jù)，驗證以上分析的正確性.

2.1 信號模型

本文基于數(shù)字電視信號標準仿真照射源信號，分別模擬了參考通道和監(jiān)測通道接收數(shù)據(jù).其中監(jiān)測通道接收信號包括直達波、地雜波和噪聲.監(jiān)測通道接收信號表示如下：

式中：y（n）為雷達接收陣列信號；sref為參考信號；分別為不同基站直達波幅度和多普勒偏移；α，α）分別表示不同基站直達波、雜波塊的空間導向矢量；別為第k個距離環(huán)第m個雜波塊的幅值和多普勒偏移；τq為不同基站直達波相對基站1直達波的到達時延；N為采樣點數(shù)；Na為陣元數(shù)；d為陣元間距；v（n）為監(jiān)測通道熱噪聲.

2.2 仿真實驗與分析

本次仿真天線陣工作于正側(cè)視結(jié)構(gòu)，天線陣元全向接收，主要仿真參數(shù)如表2所示.

表2 主要仿真參數(shù)

如圖4所示為仿真得到的空時功率譜，可見雜波在空時維為斜率為1的直線.三個基站的直達波在相應(yīng)的三個點處明顯可見.由于直達波能量很強，由其引起的距離旁瓣在相應(yīng)直達波方向，整個多普勒域擴展.并且使整個基底抬高，大特征值數(shù)目增多，將會消耗有限的空時自由度，不利于后期的目標檢測.因此在STAP抑制雜波前，先在時域內(nèi)進行預(yù)濾波，將直達波及近處強的地雜波濾除.預(yù)濾波后的空時功率譜以及特征值對比如圖5和圖6所示，可見預(yù)濾波后直達波被抑制，由直達波引起的多普勒脊也得到抑制，且整個基底下降，大特征值數(shù)減少為31個，再利用STAP可將剩余的雜波濾除.

圖4 雜波空時功率譜

圖5 預(yù)濾波后雜波空時功率譜

圖6 預(yù)濾波前后特征值對比

3 結(jié) 論

建立了基于單頻網(wǎng)結(jié)構(gòu)的APR雜波模型，分析了雜波的空時特性和雜波多普勒對距離的依賴性.當天線陣工作于正側(cè)視陣時，單頻網(wǎng)下的雜波依然保持統(tǒng)計平穩(wěn)性，而當天線陣工作于非正側(cè)視陣時，雜波將比單發(fā)射站情況下更為復(fù)雜，從不同基站接收到的信號將會相互影響.利用單頻網(wǎng)的廣播電視信號仿真產(chǎn)生雜波數(shù)據(jù)，重點分析了直達波對空時功率譜的影響，并對后期雜波抑制提供了參考.仿真結(jié)果驗證了模型的正確性，為將來APR的研究奠定了基礎(chǔ).

［1］GRIFFITHS H D.From a different perspective：prin-ciples，practice and potential of bistatic radar［C］／／International Radar Conference，Sept.3-5，2003：1-7.

［2］KUSCHEL H，O＇HAGAN D.Passive radar from history to future［C］／／International Radar Symposium（IRS），June 16-18，2010：1-4.

［3］HOWLAND P E，MAKSIMIUK D，REITSMA G.FM radio based bistatic radar［J］.IEE Proceedings on Radar，Sonar and Navigation，2005，152（3）：106-223.

［4］OLSEN K E，WOODBRIDGE K.Performance of a multiband passive bistatic radar processing scheme-PartⅠ［J］.IEEE Areosp Electron Syst Mag，2012，27（10）：16-25.

［5］OLSEN K E，WOODBRIDGE K.Performance of a multiband passive bistatic radar processing scheme-PartⅡ［J］.IEEE Areosp Electron Syst Mag，2012，27（11）：4-14.

［6］彭曉瑞，謝文沖，王永良.雙基地機載雷達雜波建模與仿真分析［J］.系統(tǒng)仿真學報，2011，23（2）：257-261.PENG Xiaorui，XIE Wenchong，WANG Yongliang.Modeling and simulation of clutter for bistatic airborne radar［J］.Journal of System Simulation，2011，23（2）：257-261.（in Chinese）

［7］WAN Xianrong，YI Jianxin，ZHAO Zhixin，et al.Experimental research of CMMB-based passive radar under multipath environment［J］.IEEE Trans Aerosp Electron Syst，2014，50（1）：70-85.

［8］萬顯榮.基于低頻段數(shù)字廣播電視信號的外輻射源雷達發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢［J］.雷達學報，2012，1（2）：109-123.WAN Xianrong.An overview on development of passive radar based on the low frequency band digital broadcasting and TV signals［J］.Journal of Radars，2012，1（2）：109-123.（in Chinese）

［9］ZHAO Zhixin，WAN Xianrong，ZHANG Delei，et al.An experimental study of HF passive bistatic radar via hybrid sky-surface wave mode［J］.IEEE Trans Antennas Propag，2013，61（1）：415-424.

［10］楊 博，周 宇，黃知濤.空基運動平臺照射源的無源雷達雜波建模［J］，電波科學學報，2009，24（6）：1099-1103.YANG Bo，ZHOU Yu，HUANG Zhitao.Modeling of the ground clutter on passive radar based on airborne illuminator［J］.Chinese Journal of Radio Science，2009，24（6）：1099-1103.（in Chinese）

［11］KULPA K，MALANOWSKI M.Passive radar for airborne platform protection［J］.International Journal of Microwave and Wireless Technologies，2012：1-9.

［12］BROWN J，WOODBRIDGE K，GRIFFTHS H.Passive bistatic radar experiments from an airborne platform［J］.IEEE Aerospace and Electronic Systems Magazine，2012，11（27）：50-55.

［13］TAN D K P，LESTURGIE M，SUN Hongbo，et al.Target detection performance analysis for airborne passive bistatic radar［C］／／IEEE Geoscience and Remote Sensing Symposium（IGARSS），July 25-30，2010：3553-3556.

［14］王 超，王永良.外輻射源機載預(yù)警雷達系統(tǒng)的信雜比［J］.雷達科學與技術(shù)，2006，4（4）：202-208.WANG Chao，WAGN Yongliang.On SCR of PCL AEW radar utilizing opportunity illuminators of fm broadcast［J］.Radar Science and Technology，2006，4（4）：202-208.（in Chinese）

［15］張丹丹，仇曉蘭，胡東輝，等.基于運動目標檢測的同步軌道星空雙站SAR雜波特性分析［J］.雷達學報，2（3）：348-356.ZHANG Dandan，QIU Xiaolan，HU Donghui，et al.Analysis of geosynchronous satellite-air bistatic SAR clutter characteristics from the viewpoint of ground moving target indication［J］.Journal of Radar，2013，2（3）：348-356.（in Chinese）

［16］劉錦輝，廖桂生，李 明.對運動目標約束的機載前視陣雷達雜波譜補償方法［J］.電波科學學報，2011，26（5）：910-916.LIU Jinhui，LIAO Guisheng，LI Ming.Moving target constraint clutter compensation method for forward-looking airborne radar［J］.Chinese Journal of Radio Science，2011，26（5）：910-916.（in Chinese）

［17］段 銳，汪學剛，陳祝明，等.機載雙基STAP非線性時變加權(quán)技術(shù)的研究［J］.電波科學學報，2009，24（1）：157-163.DUAN Rui，WANG Xuegang，CHEN Zhuming，et al.The study on air-borne bistatic STAP nonlinearly time-varying weighting techniques［J］.Chinese Journal of Radio Science，2009，24（1）：157-163.（in Chinese）

［18］孟祥東，吳建新，王 彤，等.機載雙基雷達雜波分析及其距離模糊雜波的抑制［J］.西安電子科技大學學報：自然科學版，2008，35（6）：992-998.MENG Xiangdong，WU Jianxin，WANG Tong，et al.Clutter analysis and range-ambiguous clutter suppression for bistatic airborne radar［J］.Journal of Xidian University，2008，35（6）：992-998.（in Chinese）