基于遠(yuǎn)程預(yù)警雷達(dá)的臨近空間無(wú)源相干定位系統(tǒng)

薄 超，吳 昊，李文魁

(中國(guó)航天科工集團(tuán)8511研究所，江蘇 南京 210007)

?

基于遠(yuǎn)程預(yù)警雷達(dá)的臨近空間無(wú)源相干定位系統(tǒng)

薄 超，吳 昊，李文魁

(中國(guó)航天科工集團(tuán)8511研究所，江蘇 南京 210007)

針對(duì)空中高價(jià)值隱身目標(biāo)的探測(cè)問(wèn)題，研究了基于遠(yuǎn)程預(yù)警雷達(dá)的臨近空間無(wú)源相干定位技術(shù)。對(duì)目標(biāo)探測(cè)距離進(jìn)行了簡(jiǎn)單分析計(jì)算，給出了系統(tǒng)工作信號(hào)處理流程，對(duì)其中的主要關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了梳理。該技術(shù)可應(yīng)用于無(wú)線電靜默狀態(tài)下的非協(xié)同探測(cè)定位系統(tǒng)項(xiàng)目，通過(guò)與電子偵察系統(tǒng)多傳感器融合可以進(jìn)一步完善防空體系無(wú)源探測(cè)網(wǎng)，完成對(duì)偵察目標(biāo)在電子靜默情況下的態(tài)勢(shì)判斷。

無(wú)源相干定位；遠(yuǎn)程預(yù)警雷達(dá)；臨近空間

0 引言

戰(zhàn)爭(zhēng)中，當(dāng)敵方雷達(dá)靜默關(guān)機(jī)時(shí)，電子偵察設(shè)備將無(wú)法偵收雷達(dá)輻射源，進(jìn)而導(dǎo)致偵察系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)態(tài)勢(shì)監(jiān)視的失敗，這會(huì)極大影響武器效能的發(fā)揮，從而對(duì)防御電子系統(tǒng)造成破壞。而空基無(wú)源相干定位系統(tǒng)可以提供大的監(jiān)視范圍和監(jiān)視?？罩写笮湍繕?biāo)，對(duì)機(jī)載系統(tǒng)不能進(jìn)入的地區(qū)進(jìn)行覆蓋，完成預(yù)警、遙感、控制、空間探索等任務(wù)，目前已受到廣泛關(guān)注。因此開(kāi)展空基對(duì)空大型目標(biāo)(預(yù)警機(jī)、反潛機(jī))進(jìn)行非協(xié)同偵察探測(cè)具有較大應(yīng)用價(jià)值。無(wú)源相干定位系統(tǒng)是一種利用第三方發(fā)射的電磁信號(hào)探測(cè)目標(biāo)的雙/多基地定位系統(tǒng)，該體制定位系統(tǒng)本身不發(fā)射能量，而是被動(dòng)地接收目標(biāo)反射的非協(xié)同式輻射源的電磁信號(hào)，對(duì)目標(biāo)進(jìn)行定位和跟蹤。無(wú)源相干定位系統(tǒng)具有較多優(yōu)點(diǎn)，主要有：1)無(wú)輻射和無(wú)需頻率分配；2)反隱身和低空探測(cè)能力強(qiáng)；3)研發(fā)和維護(hù)成本低、易于部署。

近幾十年來(lái)，利用廣播電視、通訊基站、導(dǎo)航和通信衛(wèi)星、無(wú)線局域網(wǎng)絡(luò)等機(jī)會(huì)照射源的無(wú)源相干定位系統(tǒng)逐漸受到人們的重視并成為新型探測(cè)技術(shù)的研究重點(diǎn)[1-3]。國(guó)內(nèi)外已成功研制了多種試驗(yàn)系統(tǒng)，獲得了大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，無(wú)源相干定位系統(tǒng)的基礎(chǔ)理論與關(guān)鍵技術(shù)已取得了突破性進(jìn)展，其中典型的無(wú)源相干定位系統(tǒng)有洛克希德·馬丁公司研制的“沉默哨兵”和法國(guó)Thales公司研制的HA100等。但上述系統(tǒng)中外輻射源的發(fā)射功率相對(duì)較低，信號(hào)處理時(shí)間長(zhǎng)，且不利于無(wú)源相干定位系統(tǒng)的遠(yuǎn)程目標(biāo)探測(cè)，從而考慮選用發(fā)射功率較大的遠(yuǎn)程預(yù)警雷達(dá)作為外輻射源，浮空器作為接收站。遠(yuǎn)程預(yù)警雷達(dá)的發(fā)射信號(hào)具有較好的模糊函數(shù)、較大的發(fā)射功率和較寬的信號(hào)帶寬，可使無(wú)源相干定位系統(tǒng)具有更好的距離和多普勒分辨率，而浮空器的視距較遠(yuǎn)，從而延長(zhǎng)探測(cè)系統(tǒng)的預(yù)警時(shí)間。因此本文對(duì)基于遠(yuǎn)程預(yù)警雷達(dá)的臨近空間無(wú)源相干定位系統(tǒng)及關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究，為其工程應(yīng)用提供了理論基礎(chǔ)。

1 探測(cè)原理和功率分析

1.1 探測(cè)原理

基于遠(yuǎn)程預(yù)警雷達(dá)的臨近空間無(wú)源相干定位系統(tǒng)原理如圖1所示，RT為外輻射源與目標(biāo)之間的距離，RR為目標(biāo)到無(wú)源相干定位系統(tǒng)的距離，L為雙基地距離。遠(yuǎn)程預(yù)警雷達(dá)和浮空器分別作為輻射源和接收站，采用相干檢測(cè)技術(shù)對(duì)目標(biāo)回波進(jìn)行處理，從而實(shí)現(xiàn)目標(biāo)探測(cè)。本系統(tǒng)采用基于外輻射源的單站測(cè)角定位體制，目標(biāo)探測(cè)時(shí)，預(yù)警雷達(dá)和浮空器的位置信息可分別通過(guò)情報(bào)注入和導(dǎo)航自定位獲取，即外輻射源到無(wú)源相干定位系統(tǒng)的距離L已知；通常遠(yuǎn)程預(yù)警雷達(dá)的信號(hào)發(fā)射功率較大，目標(biāo)回波信號(hào)功率亦較強(qiáng)，因此可選DBF體制，方位向用比幅測(cè)角方法計(jì)算目標(biāo)回波方向和直達(dá)波方向，從而計(jì)算出L與RR間的夾角，與此同時(shí)，直達(dá)波與目標(biāo)反射波進(jìn)行相關(guān)處理后可得RT+RR，進(jìn)而根據(jù)三角計(jì)算公式可求得目標(biāo)所在位置。

圖1 基于遠(yuǎn)程預(yù)警雷達(dá)的臨近空間無(wú)源相干定位系統(tǒng)原理圖

1.2 功率分析

以AN/FPS-115“鋪路爪”陸基預(yù)警雷達(dá)[4]為代表進(jìn)行功率分析。由雙基地?zé)o源相干定位系統(tǒng)方程可得：

(1)

式中，PT=582.4 kW為外輻射源的發(fā)射功率；GT=42.5 dB為外輻射源天線功率增益；GR為無(wú)源相干定位系統(tǒng)天線的增益；λ=0.7m為信號(hào)波長(zhǎng)(根據(jù)雷達(dá)工作頻段計(jì)算)；σ=100m2為目標(biāo)的雙基地雷達(dá)截面積(典型空中目標(biāo))；k為波爾茲曼常數(shù)；T0為標(biāo)準(zhǔn)溫度；Bn=5MHz為接收機(jī)帶寬(跟蹤模式情況下的帶寬)；(S/N)min=10dB為最小可檢測(cè)信噪比(目標(biāo)檢測(cè)概率大于99%)；Fn為接收機(jī)噪聲系數(shù)；Ls=2 dB為電纜損耗。通過(guò)上述數(shù)據(jù)計(jì)算可得GR=31.7dB。

利用預(yù)警雷達(dá)在不同模式下接收天線增益統(tǒng)計(jì)值如表1所示，表中顯示在跟蹤模式和群分辨模式天線增益相對(duì)較大，不利于工程實(shí)現(xiàn)，但可通過(guò)信號(hào)處理方式延長(zhǎng)相干處理時(shí)間獲取積累增益來(lái)減小天線尺寸。信號(hào)積累增益公式可近似為：

g=n1/2Bnτ

(2)

式中,n表示脈沖數(shù)，τ表示脈沖時(shí)寬。

表1 利用預(yù)警雷達(dá)作為外輻射源接收天線增益統(tǒng)計(jì)

2 無(wú)源相干定位系統(tǒng)信號(hào)處理流程及關(guān)鍵技術(shù)

2.1 信號(hào)處理流程

遠(yuǎn)程預(yù)警雷達(dá)的發(fā)射信號(hào)屬于非合作信號(hào)，它的信號(hào)參數(shù)具有較強(qiáng)的隨機(jī)性，因此必須采用復(fù)雜的信號(hào)處理技術(shù)才能得到較好的檢測(cè)效果。無(wú)源相干定位系統(tǒng)目標(biāo)檢測(cè)采用相關(guān)處理技術(shù)，在接收系統(tǒng)中設(shè)置2個(gè)通道：參考通道和監(jiān)測(cè)通道，分別用來(lái)接收參考信號(hào)和目標(biāo)反射信號(hào)；通過(guò)此兩通道的互相關(guān)模糊函數(shù)計(jì)算獲取距離-多普勒譜，從而實(shí)現(xiàn)目標(biāo)檢測(cè)和跟蹤，具體的信號(hào)處理流程如圖2所示。

由于該系統(tǒng)工作模式與傳統(tǒng)雷達(dá)有所不同，因此其信號(hào)處理有自身的一些特點(diǎn)：

1)在參考信道中，如何獲得良好的相干參考信號(hào)和確切的直達(dá)波方向是實(shí)現(xiàn)相干檢測(cè)和定位的關(guān)鍵。浮空器的位置可通過(guò)導(dǎo)航信息獲取，輻射源位置可通過(guò)情報(bào)偵察獲取，進(jìn)而采用指向性的接收天線獲取相干參考信號(hào)。上述方法容易實(shí)現(xiàn)，但輻射源信號(hào)波形具有隨機(jī)性，浮空器在空中亦是運(yùn)動(dòng)的，參考信號(hào)中可能存在干擾和多徑信號(hào)，因此需要利用復(fù)雜的信號(hào)處理技術(shù)對(duì)干擾和多徑信號(hào)進(jìn)行抑制和消除，以獲取純度較高的參考信號(hào)。

2)在目標(biāo)信道中，如何獲取目標(biāo)回波方向、抑制直達(dá)波以及如何在強(qiáng)干擾下進(jìn)行小目標(biāo)檢測(cè)也是實(shí)現(xiàn)相干檢測(cè)的關(guān)鍵。由于遠(yuǎn)程預(yù)警雷達(dá)發(fā)射天線具有方向性，通常目標(biāo)回波信號(hào)是雷達(dá)旁瓣信號(hào)，為了提高目標(biāo)回波的信噪比，目標(biāo)接收天線主波束亦應(yīng)指向目標(biāo)方向。由于空間傳播的多徑效應(yīng)使得雜波較強(qiáng)，因此，在目標(biāo)信道中除了微弱的目標(biāo)信號(hào)外，還混雜有較強(qiáng)的直達(dá)波信號(hào)(通常直達(dá)波比目標(biāo)反射信號(hào)強(qiáng) 80dB 以上[5])、地物反射信號(hào)和多徑信號(hào)等雜波，這就決定了接收機(jī)實(shí)際收到的目標(biāo)回波信號(hào)遠(yuǎn)小于雜波。

3)通常目標(biāo)反射信號(hào)滯后于相干參考信號(hào)，為了得到多個(gè)距離通道，可采用遲延-多普勒匹配濾波的處理方法(距離-多普勒方法)。距離-多普勒處理采用相關(guān)和FFT運(yùn)算，然后將數(shù)據(jù)傳至恒虛警率檢測(cè)部分以得到目標(biāo)的距離和多普勒信息。之后就可以依據(jù)距離、多普勒等測(cè)量信息，利用數(shù)據(jù)處理方法對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行定位與跟蹤。

4)恒虛警率檢測(cè)是無(wú)源探測(cè)系統(tǒng)中信號(hào)處理的重要組成部分。在目標(biāo)檢測(cè)中，門限值恒定時(shí)，虛警概率隨雜波平均功率的增長(zhǎng)而急劇增加，從而導(dǎo)致數(shù)據(jù)處理設(shè)備過(guò)載，不能做出正確的判決，所以保持恒定的虛警概率有很大的實(shí)際意義[6]。此外，為了提高對(duì)動(dòng)目標(biāo)的檢測(cè)能力，需要較高的積累增益，即進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間相關(guān)積累處理。

圖2 無(wú)源探測(cè)系統(tǒng)的信號(hào)處理流程圖

2.2 關(guān)鍵技術(shù)

由上述信號(hào)處理流程可知，外輻射源雷達(dá)信號(hào)處理的關(guān)鍵技術(shù)歸納起來(lái)有以下幾個(gè)方面：

1)目標(biāo)信道中直達(dá)波、地雜波及多徑雜波的抑制。

在目標(biāo)信道中目標(biāo)回波與雜波的功率強(qiáng)度差異通常為60～140dB[7]，目標(biāo)回波和雜波經(jīng)相干匹配濾波后具有很強(qiáng)的距離-多普勒主峰和副瓣，這些副瓣會(huì)把弱目標(biāo)回波信號(hào)淹沒(méi)，故需要對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行雜波抑制才能檢測(cè)到目標(biāo)。雜波抑制的方法很多，比如合理的天線設(shè)計(jì)、接收端地形選擇、系統(tǒng)配置和信號(hào)處理等手段，并結(jié)合較好的通道特性設(shè)計(jì)來(lái)減弱直達(dá)波、地雜波和多徑雜波的相消剩余對(duì)目標(biāo)探測(cè)的影響。關(guān)于雜波抑制的研究可參考文獻(xiàn)[8]。

2)參考信道中多徑雜波及地雜波的抑制(直達(dá)波提純)。

無(wú)源探測(cè)系統(tǒng)通過(guò)附加的接收天線來(lái)獲得參考信號(hào)，該方法雖然易于實(shí)現(xiàn)，但信號(hào)在空間傳輸時(shí)會(huì)產(chǎn)生多徑現(xiàn)象，致使獲得的直達(dá)波信號(hào)不純，進(jìn)而在匹配濾波時(shí)出現(xiàn)失配現(xiàn)象，嚴(yán)重影響無(wú)源探測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)性能。為了提高系統(tǒng)的相干檢測(cè)性能，必須對(duì)直達(dá)波信號(hào)提純。目前直達(dá)波信號(hào)提純主要有兩種途徑：一種是多徑干擾抑制，比如利用通信信號(hào)處理中的復(fù)倒譜、自適應(yīng)均衡和盲均衡等[8]技術(shù)來(lái)抑制外輻射源雷達(dá)中的多徑干擾；另一種是直達(dá)波信號(hào)恢復(fù)或重構(gòu)[9]。

3)微弱目標(biāo)信號(hào)的檢測(cè)。

在回波信號(hào)中微弱目標(biāo)回波通常被直達(dá)波、地物雜波和多徑雜波所淹沒(méi)。這些雜波被抑制到一定程度后，為了達(dá)到所需的威力覆蓋范圍，就需要對(duì)目標(biāo)回波做長(zhǎng)時(shí)間相干積累，用來(lái)提高有效檢測(cè)所需的信雜比。當(dāng)探測(cè)系統(tǒng)的通道性能較好，以至于對(duì)雜波有很高的相消比時(shí)，相干積累的時(shí)間便會(huì)縮短。然而在實(shí)際系統(tǒng)中由于諸多因素的制約，各通道總是存在誤差，從而降低了相消比，導(dǎo)致回波信號(hào)相干積累時(shí)間延長(zhǎng)[7]。關(guān)于長(zhǎng)相干積累檢測(cè)小目標(biāo)的研究可參考文獻(xiàn)[10]。

4)長(zhǎng)相干積累情況下目標(biāo)多普勒擴(kuò)散。

通常系統(tǒng)接收的回波信號(hào)是輻射源旁瓣照射到目標(biāo)的回波，其信噪比較低，要想獲得足夠的信號(hào)處理增益以檢測(cè)目標(biāo)的距離和多普勒，需要較長(zhǎng)時(shí)間的相干積累時(shí)間，而在此相干積累時(shí)間內(nèi)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)和速度很有可能發(fā)生變化，引起目標(biāo)多普勒擴(kuò)散現(xiàn)象，因此多普勒匯聚技術(shù)亦應(yīng)是本系統(tǒng)研究的關(guān)鍵。

5)目標(biāo)跟蹤及數(shù)據(jù)融合。

Howland 在文獻(xiàn)[11]中介紹了無(wú)源探測(cè)系統(tǒng)的目標(biāo)跟蹤算法，而無(wú)源探測(cè)系統(tǒng)的跟蹤方法中大部分是對(duì)輻射源的跟蹤，關(guān)于雙(多)基地工作模式的無(wú)源探測(cè)系統(tǒng)跟蹤研究較少。近年來(lái)，多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)發(fā)展迅速，該技術(shù)有望提高無(wú)源探測(cè)系統(tǒng)的跟蹤精度。

3 結(jié)束語(yǔ)

利用遠(yuǎn)程預(yù)警雷達(dá)和臨近空間浮空器，本文開(kāi)展了無(wú)源探測(cè)技術(shù)研究。通過(guò)理論分析說(shuō)明了該系統(tǒng)建設(shè)的可行性，針對(duì)該系統(tǒng)信號(hào)處理流程中遇到的難點(diǎn)，歸納出了數(shù)字信號(hào)處理中的關(guān)鍵技術(shù)，為提高無(wú)源探測(cè)系統(tǒng)目標(biāo)檢測(cè)性能和遠(yuǎn)程預(yù)警能力提供了一種新的技術(shù)構(gòu)想，以實(shí)現(xiàn)對(duì)防御區(qū)域內(nèi)隱身目標(biāo)的高概率探測(cè)，對(duì)提升防空、反導(dǎo)能力具有較重要的意義。■

[1] Griffiths HD. From a different perspective: principles, practice and potential of bistatic radar[C]∥International Radar Conference, Australia, 2003: 1-7.

[2] Howland PE, Griffiths HD，Baker CJ. Bistatic radar[M]. Emerging Technology Wiley, 2008: 247-311.

[3] Kuschel H，O’Hagan DW. Passive radar from history to future[C]∥International Radar Symposium (IRS),Vilnius, Lithuania, 2010: 1-4.

[4] Skolnlc MI．雷達(dá)手冊(cè)[M]．王軍，等譯.2版．北京：電子工業(yè)出版社，2003.

[5] Poor HV. An introduction to signal detection and estimation[M]. New York: Sping-Verlag, 1998.

[6] 劉金榮. 基于外輻射源的反輻射導(dǎo)彈檢測(cè)與識(shí)別技術(shù)[D].西安: 西安電子科技大學(xué), 2009.

[7] 王俊, 保錚, 張守宏. 無(wú)源探測(cè)與跟蹤雷達(dá)系統(tǒng)技術(shù)及其發(fā)展[J]. 雷達(dá)科學(xué)與技術(shù), 2004 (3):129-135.

[8] Colone F, O’Hagan DW, Lombardo P, et al. A multistage processing algorithm for disturbance removal and target detection in passive bistatic radar[J]. IEEE Trans. on Aerospace and Electronic Systems, 2009, 45(2):698-722.

[9] 李輝, 何友, 唐小明, 等. 非合作雙基地雷達(dá)中直達(dá)波信號(hào)的重構(gòu)[J]. 系統(tǒng)工程與電子技術(shù), 2010,32(10):2025-2030.

[10]尚海燕, 水鵬朗, 張守宏，等. 基于時(shí)頻和形態(tài)學(xué)濾波的長(zhǎng)時(shí)間能量積累檢測(cè)[J]. 西安交通大學(xué)學(xué)報(bào),2006, 40(10):1094-1102.

[11]Howland PE. Target tracking using television-based bistatic radar[J]. IEE Proc.Radar, Sonar and Navigation, 1999, 146(3): 166-174.

Near-space passive coherent location system based on remote early warning radar

Bo Chao, Wu Hao, Li Wenkui
(No.8511 Research Institute of CASIC, Nanjing 210007, Jiangsu, China)

To solve the problem of target detection for high-value stealth targets in the air, near-space passive coherent location technique based on remote early warning radar is researched. Simple analysis and calculation of target detection distance is carried out. The signal processing flow of the system is given, and the key technologies are sorted out. The technique can be applied to non-cooperative detection and location system project in radio silence. Passive detection network of prevention and control system can be more perfect through fusing with electronic reconnaissance system’s multi-sensor in order to complete the situation estimation of the target in the case of electronic silence.

passive coherent location; remote early warning radar; near-space

2016-03-28；2016-07-17修回。

薄超(1983-)，男，工程師，博士，主要研究方向?yàn)闊o(wú)源定位技術(shù)。

TN971+<.5 class="emphasis_bold">.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A.5

A