無源雙基雷達(dá)技術(shù)發(fā)展

閆 萌

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十研究所，陜西 西安 710068）

0 引言

常規(guī)雷達(dá)探測(cè)的主要作用機(jī)理在于：發(fā)射定向波束照射目標(biāo)，利用所接收的目標(biāo)回波進(jìn)行相關(guān)脈壓處理，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的跟蹤、定位。但其大功率發(fā)射系統(tǒng)作為輻射源，若被敵方的偵察系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)、定位就有被摧毀的風(fēng)險(xiǎn)。

無源雷達(dá)本質(zhì)上是雙(多)基地雷達(dá)。無源雷達(dá)的特征在于無需輻射電磁波，其工作機(jī)理在于利用外輻射源（包括照射雷達(dá)的發(fā)射信號(hào)、存在于空間的各種無線信號(hào)等）實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的探測(cè)、跟蹤，故與常規(guī)雷達(dá)相比，具有優(yōu)良的四抗能力和隱蔽性。此外，無源雷達(dá)無需配置發(fā)射機(jī)，可完成低成本的便攜裝備；無需考慮能量覆蓋的設(shè)計(jì)，故不存在理論上的探測(cè)盲區(qū)。這些特性都使得無源雷達(dá)在現(xiàn)代電子戰(zhàn)中占據(jù)重要地位，也是近年來雷達(dá)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)頻[1]。

1 無源雷達(dá)的特點(diǎn)

根據(jù)輻射源的不同，無源雷達(dá)可分為可見光無源探測(cè)(電視探測(cè))雷達(dá)、無線電無源探測(cè)雷達(dá)和紅外線無源探測(cè)雷達(dá)三種類型。這些無源雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)主要通過目標(biāo)輻射的電磁能量、熱能或反射的可見光能進(jìn)行探測(cè)和定位。這些系統(tǒng)本身不輻射能量，因而不可能被敵方偵察和定位，從而無從實(shí)施干擾和攻擊，這類雷達(dá)的弱點(diǎn)在于：容易受到無線電靜默、云層、天氣等氣象條件影響[2]。

無源雷達(dá)主要通過將目標(biāo)散射回波信號(hào)與外輻射源的直達(dá)波信號(hào)進(jìn)行相關(guān)處理后得到目標(biāo)信息，從而完成對(duì)目標(biāo)的檢測(cè)、定位和跟蹤。所利用的外輻射源包括各種存在于空間的無線信號(hào)（如民用電視、廣播、移動(dòng)通信、GPSWIFI 等），隱蔽性和抗摧毀性能好。這些系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)低成本網(wǎng)絡(luò)布防、廣闊覆蓋、布設(shè)靈活等特點(diǎn)，并且低頻段段外輻射源雷達(dá)還可實(shí)現(xiàn)反隱身、低空探測(cè)、抗“無線電靜默”。其缺點(diǎn)在于：非合作發(fā)射信號(hào)帶來的信號(hào)同步、雜波干擾等問題[3]。

2 無源雷達(dá)探測(cè)技術(shù)分析

無源雷達(dá)在現(xiàn)代化信息戰(zhàn)場(chǎng)中具有巨大的潛力和優(yōu)勢(shì)，無源雷達(dá)在目標(biāo)探測(cè)與電子對(duì)抗中的優(yōu)勢(shì)主要包括[4]：

2.1 抗電子偵察

沒有發(fā)射機(jī)的無源雷達(dá)具有便攜性、隱蔽性，難以被偵察；可利用多個(gè)外輻射源的信號(hào)作為發(fā)射信號(hào)，故敵方很難偵察無源雷達(dá)系統(tǒng)的功能參數(shù)。

2.2 抗干擾能力

一般來說，強(qiáng)方向性的后向干擾主要是瞄準(zhǔn)發(fā)射機(jī)的，故該方式的干擾很難起到作用；若敵方采用寬頻帶的全方干擾，其信號(hào)功率密度和干擾效果便大打折扣。因此無源雷達(dá)具有抗有源壓制干擾的能力。另外，對(duì)于無源雷達(dá)來說，有源欺騙干擾也不適用。

2.3 抗摧毀能力

無源雷達(dá)的接收機(jī)是無線電靜默的，可以避免遭受導(dǎo)彈攻擊；發(fā)射源是民用調(diào)頻廣播信號(hào)，電視廣播信號(hào)，手機(jī)信號(hào)及衛(wèi)星信號(hào)等等，覆蓋比較廣，遭受敵方攻擊概率也比較小。因此無源雷達(dá)有較強(qiáng)的生存能力。

2.4 抗超低空突防

由于大部分民用電視、廣播發(fā)射塔都比較高，或者建造在高山上，且低空輻射功率強(qiáng)，發(fā)射的信號(hào)有利于對(duì)低空目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)和跟蹤。

2.5 反隱身

一般來說，調(diào)頻廣播、電視等信號(hào)一般工作于P 波段，故利用此類信號(hào)作為輻射源信號(hào)的無源雷達(dá)可以用于反隱身探測(cè)。這主要是由于隱身裝備的吸波涂層和吸波材料頻帶較窄，主要應(yīng)用于厘米波信號(hào)的吸收，而對(duì)米波信號(hào)的吸收能力較弱；此外，無源雷達(dá)屬于多基雷達(dá)體制，另隱身裝備無法在收發(fā)同一方向上完成對(duì)微波信號(hào)的吸收，故無源雷達(dá)在反隱身方面具備一定的優(yōu)勢(shì)[5]。

3 無源雷達(dá)探測(cè)關(guān)鍵技術(shù)

無源雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)的工作原理如圖1 所示。接收機(jī)主要包含兩部接收天線，其中一部指向輻射源，主要用于接收發(fā)射機(jī)的直達(dá)波，從而為完成目標(biāo)回波分相關(guān)處理提供參考信號(hào)；另一部用來接收目標(biāo)散射回波信號(hào)。無源雷達(dá)探測(cè)的關(guān)鍵技術(shù)主要包含以下幾點(diǎn)：

圖1 無源雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)示意圖

3.1 輻射源信號(hào)的分析與選擇

由于直達(dá)波信號(hào)的模糊函數(shù)特性決定了多普勒分辨力、距離分辨力、旁瓣水平以及模糊間隔，故無源雷達(dá)的設(shè)計(jì)首先要選擇、確定其輻射源的直達(dá)波信號(hào)。典型的輻射源信號(hào)的模糊函數(shù)應(yīng)近似于理想的“圖釘型”，即在多普勒和距離的二維域上沒有較高的旁瓣電平，常用的輻射源信號(hào)如表1 所示。這些信號(hào)的調(diào)制模式固定，無法同時(shí)滿足無源雷達(dá)對(duì)輻射源信號(hào)的要求。另一方面，為提高系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)的跟蹤精度，需增加輻射源的個(gè)數(shù)，在選擇數(shù)個(gè)輻射源時(shí)，需要綜合考慮輻射功率、空間布局和瞬時(shí)帶寬等。

表1 幾種典型照射源信號(hào)的屬性

3.2 信號(hào)同步技術(shù)

為了使無源雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)發(fā)揮其優(yōu)越的探測(cè)性能，必須使系統(tǒng)與輻射源信號(hào)特征實(shí)現(xiàn)同步和匹配。而對(duì)實(shí)際的探測(cè)系統(tǒng)而言，設(shè)計(jì)者往往只能獲知輻射源信號(hào)波形的某些參數(shù)，其余參數(shù)需通過估計(jì)得到。在無源雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)實(shí)際工作時(shí)，首先需經(jīng)過頻率搜索和空域?yàn)V波獲得直達(dá)波的信息，再利用以上獲得的頻率信息和發(fā)射脈沖實(shí)現(xiàn)頻率同步和時(shí)間同步，最后通過天線波束形成完成空域同步。

3.3 直達(dá)波信號(hào)的提取技術(shù)

無源雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)中通常設(shè)置參考信道，其接收天線直接指向輻射源發(fā)射站。參考信道所接收的直達(dá)波信號(hào)的作用主要有三個(gè)方面：偵察信道所接收到的目標(biāo)回波信號(hào)中含有大量的直達(dá)波信號(hào)，一般情況下，其功率大于雜波功率，應(yīng)采用對(duì)消算法去除直達(dá)波信號(hào)，因此需要純凈的直達(dá)波信號(hào)作為自適應(yīng)對(duì)消算法的參考信號(hào)；目標(biāo)回波信號(hào)中含有功率較強(qiáng)的雜波信號(hào)；采用對(duì)消算法去除雜波的過程中同樣需要直達(dá)波信號(hào)作為參考信號(hào)直達(dá)波信號(hào)為空時(shí)二維相關(guān)檢測(cè)提供參考信號(hào)。

然而，在傳輸過程中多徑雜波必然會(huì)混入直達(dá)波中，因此需要有效抑制多徑干擾。目前提取直達(dá)波的方法有空間投影法和盲均衡法?？臻g投影法是通過將參考信道的接收信號(hào)投影到與多徑雜波正交的子空間上，達(dá)到提取直達(dá)波信號(hào)的目的。這種提取直達(dá)波信號(hào)的方法缺點(diǎn)在于計(jì)算量大。盲均衡法主要依據(jù)輻射源波形所具有的恒模特性實(shí)現(xiàn)對(duì)直達(dá)波信號(hào)的提取。這種方法簡(jiǎn)單且利于實(shí)現(xiàn)，缺點(diǎn)是性能有待進(jìn)一步提高。

3.4 微弱信號(hào)的檢測(cè)技術(shù)

無源雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)中的目標(biāo)信號(hào)檢測(cè)是通過相關(guān)處理（即匹配濾波）來實(shí)現(xiàn)的，其過程為：在最大限度的抑制雜波后，為了進(jìn)一步提高檢測(cè)性能，需要采用長(zhǎng)時(shí)間相干積累技術(shù)以達(dá)到有效檢測(cè)所需的信噪比和信雜比。此外，研究者們針對(duì)目標(biāo)回波信號(hào)的特征，提出了基于循環(huán)相關(guān)譜的檢測(cè)技術(shù)。然而，所有嘗試對(duì)弱信號(hào)檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展所做的貢獻(xiàn)十分有限，使得微弱信號(hào)檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展緩慢。

3.5 參數(shù)估計(jì)技術(shù)

在檢測(cè)到觀測(cè)區(qū)域中的目標(biāo)后，需要估計(jì)目標(biāo)的距離、空間位置和速度等參數(shù)。參數(shù)估計(jì)的原理如下：主要通過回波信號(hào)的時(shí)延估計(jì)距離，由目標(biāo)回波的到達(dá)角估計(jì)空間位置，由信號(hào)的多普勒頻移估計(jì)速度。目標(biāo)到達(dá)角的估計(jì)技術(shù)由基于幅度和相位估計(jì)的方法發(fā)展到基于空間譜估計(jì)的方法。現(xiàn)階段主流的時(shí)延估計(jì)方法主要包括：基于高階統(tǒng)計(jì)量的方法、時(shí)頻分析法、廣義互相關(guān)法和基于循環(huán)譜分析的方法。近幾年，融合多維域和多種特征的處理方式逐漸成為熱點(diǎn)，通過多維信息綜合處理的方式可以大大提高參數(shù)估計(jì)的精確度。

4 無源雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)新技術(shù)

現(xiàn)階段無源雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)的研究工作已取得了一定成果，但這一技術(shù)領(lǐng)域中的許多新技術(shù)尚有待大家進(jìn)一步開發(fā)。

4.1 多頻段輻射源的融合

輻射源信號(hào)和接收信道的時(shí)變特性使得目標(biāo)檢測(cè)過程同樣具備時(shí)變特性。為增加檢測(cè)魯棒性、克服目標(biāo)檢測(cè)的不確定性，未來可采用多頻段輻射源協(xié)同探測(cè)的方式，利用多頻段的探測(cè)結(jié)果，進(jìn)行參數(shù)融合等信號(hào)處理，從而得到完整而準(zhǔn)確的目標(biāo)特性信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的精確探測(cè)。

4.2 雜波建模與雜波抑制

偵察信道所接收的微弱目標(biāo)回波信號(hào)通常被強(qiáng)地、海雜波所淹沒?，F(xiàn)有的去雜波算法主要針對(duì)不具有多普勒頻移特性的地、海雜波，而實(shí)際的地、海雜波情況更為復(fù)雜。未來可采用空時(shí)二維自適應(yīng)濾波等更為先進(jìn)的算法來解決此類問題。

4.3 參數(shù)估計(jì)

參數(shù)估計(jì)的精度直接決定了目標(biāo)定位的精度。而采用多信號(hào)進(jìn)行目標(biāo)定位或多目標(biāo)的定位問題更為復(fù)雜，在實(shí)際目標(biāo)探測(cè)中還需實(shí)現(xiàn)時(shí)延、方位和多普勒頻移等參數(shù)間的匹配。現(xiàn)階段主要存在兩種解決方法匹配算法和參數(shù)聯(lián)合估計(jì)法。前者首先通過單參數(shù)估計(jì)算法得到目標(biāo)回波的參數(shù)，而后再選擇適當(dāng)?shù)钠ヅ渌惴▽?shí)現(xiàn)目標(biāo)回波多參數(shù)之間的匹配。然而匹配算法需要在較高的信噪比下實(shí)現(xiàn)，故該算法的實(shí)用性不強(qiáng)。而后者可同時(shí)得到目標(biāo)多個(gè)特性參數(shù)的估計(jì)值，故可有效實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的精確定位，具有廣闊的應(yīng)用前景。

4.4 無源定位技術(shù)

目前主要有如下幾種基本定位算法包含橢圓定位法、雙曲線定位法等。然而在不同的信道條件下，各定位參數(shù)的測(cè)量值表現(xiàn)出不同的誤差特性，因此采用的定位算法具有不同的性能。在實(shí)際應(yīng)用過程中每種算法都各有利弊，僅依賴單一定位算法幾乎不可能取得最優(yōu)定位性能。此時(shí)，混合定位方法應(yīng)運(yùn)而生。利用多種定位方法進(jìn)行組合定位可吸收不同定位方法的優(yōu)點(diǎn)，利用多種定位信息，提高了信息的飽和度，這是定位研究的新趨勢(shì)。

5 總結(jié)

無源雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)利用外輻射源（包括照射雷達(dá)的發(fā)射信號(hào)、存在于空間的各種無線信號(hào)等）的信號(hào)，將目標(biāo)散射回波信號(hào)與外輻射源的直達(dá)波信號(hào)進(jìn)行相關(guān)處理后得到目標(biāo)信息，從而完成對(duì)目標(biāo)的檢測(cè)、定位和跟蹤。此類雷達(dá)具有優(yōu)良的四抗能力和隱蔽性；無需配置發(fā)射機(jī)，可完成低成本的便攜裝備；無需考慮能量覆蓋的設(shè)計(jì)，故不存在理論上的探測(cè)盲區(qū)。發(fā)展新體制多基地?zé)o源探測(cè)雷達(dá)，適應(yīng)未來戰(zhàn)場(chǎng)的信息探測(cè)需求，已成為我國(guó)軍工發(fā)展的必然趨勢(shì)。

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