海上目標(biāo)無源態(tài)勢(shì)感知技術(shù)試驗(yàn)研究

張財(cái)生,劉 瑜,宋 杰,孫 順,王 聰,何 友

(海軍航空大學(xué), 山東 煙臺(tái) 264001)

0 引 言

隨著海洋權(quán)益爭奪的日益激烈和海上活動(dòng)的不斷增多,對(duì)海上目標(biāo)的準(zhǔn)確感知和監(jiān)視成為維護(hù)國家海洋權(quán)益和保障海上安全的關(guān)鍵[1]。傳統(tǒng)的有源感知技術(shù),在某些情況(如雷達(dá)因電磁干擾、目標(biāo)隱身技術(shù)或環(huán)境因素的影響)下的使用會(huì)受限[2]。無源感知技術(shù),利用自由空間中已存在的電磁頻譜資源,通過偵收各種非合作雷達(dá)輻射源照射的直達(dá)信號(hào)和海上艦船、低空無人機(jī)等典型目標(biāo)二次散射產(chǎn)生的回波,以無線電靜默的方式即可實(shí)現(xiàn)對(duì)海上目標(biāo)的探測與識(shí)別,具有優(yōu)越的隱蔽性和抗干擾能力,成本低、功耗小,能夠依托海上各種平臺(tái)部署態(tài)勢(shì)感知節(jié)點(diǎn),彌補(bǔ)現(xiàn)有無源探測技術(shù)(無線電偵測、光電探測)在探測目標(biāo)類型和多目標(biāo)探測方面的能力局限,又比裝備主動(dòng)雷達(dá)的平臺(tái)具有更高的安全性和隱蔽性,在海上目標(biāo)感知領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

國內(nèi)外在基于連續(xù)波體制的民用機(jī)會(huì)照射源開展目標(biāo)探測方面,尤其是基于數(shù)字電視或數(shù)字調(diào)頻廣播等信號(hào)的無源探測技術(shù)研究方面取得了顯著的成果,在目標(biāo)檢測和定位理論方面也取得了很多的進(jìn)展[3-6],但對(duì)該技術(shù)的研究和應(yīng)用,主要體現(xiàn)在陸基固定站平臺(tái)上的應(yīng)用,同時(shí)也存在一些不足：(1)對(duì)于海上目標(biāo)探測,尤其是遠(yuǎn)海,民用信號(hào)資源非常有限,在遠(yuǎn)離海岸幾百公里的海域幾乎收不到信號(hào);(2)由于FM/TV 或全球定位系統(tǒng)等民用信號(hào)并不是為了目標(biāo)探測而專門設(shè)計(jì)的,其信號(hào)功率(作用距離)和信號(hào)帶寬(距離分辨力)往往不如雷達(dá)信號(hào),無法滿足對(duì)電磁輻射有限制同時(shí)又對(duì)目標(biāo)探測性能要求較高的應(yīng)用。此時(shí)若利用脈沖雷達(dá)信號(hào)(包括海、空、天基軍用/民用雷達(dá)信號(hào))作為非合作輻射源,具備如下主要優(yōu)勢(shì)：(1)無源態(tài)勢(shì)感知系統(tǒng)成本較低,采用“遠(yuǎn)發(fā)近收”的工作體制,可提供較大的探測距離;(2)與民用機(jī)會(huì)照射源相比,利用脈沖雷達(dá)信號(hào)作為非合作輻射源,這些雷達(dá)通常具有較為廣闊的探測區(qū)域,發(fā)射功率大、目標(biāo)分辨力好;(3)系統(tǒng)幾何配置靈活,可以獲取目標(biāo)的非后向散射回波,可為海上平臺(tái)的隱秘探測提供支撐,為維護(hù)國家海洋權(quán)益和保證海上安全提供重要支撐。

為了分析基于脈沖雷達(dá)信號(hào)開展海上目標(biāo)無源感知技術(shù)的可行性和有效性,開展了相關(guān)外場試驗(yàn)。試驗(yàn)觀測背景在煙臺(tái)周邊海域,非合作雷達(dá)輻射源發(fā)射機(jī)位于某山頂,無源感知系統(tǒng)位于某綜合樓樓頂,并以海面上的各種船只為試驗(yàn)探測目標(biāo),利用船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)(AIS)位置信息進(jìn)行探測性能驗(yàn)證。非合作雷達(dá)輻射源信號(hào)的載頻、脈沖重復(fù)頻率(PRF)、波形樣式等信息未知,需要利用直達(dá)波脈沖信號(hào)來實(shí)現(xiàn)頻率、時(shí)間和相位同步。本文將研究基于脈沖雷達(dá)信號(hào)的無源感知試驗(yàn)中涉及的直達(dá)波脈沖信號(hào)參數(shù)的測量、天線掃描特性分析和信號(hào)相參性分析、無源相干檢測和顯示校正等方面的問題。

1 無源態(tài)勢(shì)感知系統(tǒng)概述

無源感知系統(tǒng)不發(fā)射電磁波,其探測目標(biāo)的基本原理如圖1所示,其利用第三方非合作雷達(dá)來探測目標(biāo)時(shí),無源感知系統(tǒng)和非合作輻射源之間沒有專門的物理鏈路進(jìn)行信號(hào)同步,系統(tǒng)通過接收非合作輻射源發(fā)射的直達(dá)波信號(hào)和海上各種典型目標(biāo)二次散射產(chǎn)生的目標(biāo)回波,實(shí)現(xiàn)對(duì)海上各種目標(biāo)的無源監(jiān)視、定位和識(shí)別,可為海上信息節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)重點(diǎn)海域、關(guān)鍵航道的無源感知提供低成本的目標(biāo)隱秘感知方法,全面提升海上目標(biāo)綜合感知能力。

圖1 海上目標(biāo)無源感知系統(tǒng)的基本原理

系統(tǒng)采用的輻射源是某遠(yuǎn)程對(duì)海監(jiān)視雷達(dá),其天線副瓣電平較高,比主瓣低約為10 dB～15 dB,在目標(biāo)回波信號(hào)接收時(shí),定向接收天線可以在非合作雷達(dá)輻射源發(fā)射信號(hào)的整個(gè)扇區(qū)內(nèi)收到直達(dá)脈沖信號(hào),不需要專用直達(dá)波參考天線來接收直達(dá)波信號(hào),但為實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的檢測和定位,需要通過分析直達(dá)信號(hào)來測量天線的掃描時(shí)間和發(fā)射信號(hào)的PRF等參數(shù)。當(dāng)直達(dá)信號(hào)脈沖可檢測時(shí),可用于時(shí)間同步,將發(fā)射波束第一次掃過接收機(jī)站點(diǎn)時(shí)測量到的直達(dá)脈沖信號(hào)作為時(shí)間同步的基準(zhǔn),通過將采樣點(diǎn)除以采樣頻率Fs即可獲得每個(gè)信號(hào)的采樣時(shí)刻ts(s)=n/Fs,而相鄰直達(dá)波脈沖信號(hào)之間的時(shí)間間隔就是脈沖重復(fù)間隔Tr。在完成PRF同步后,雙基地距離等于直達(dá)波脈沖與目標(biāo)回波信號(hào)間的時(shí)差ΔtTR乘以光速c,即

RT+RR-L=cΔtTR

(1)

式中：RT為非合作雷達(dá)輻射源到目標(biāo)的距離;RR為目標(biāo)到無源感知系統(tǒng)的距離;L為非合作雷達(dá)輻射源到無源感知系統(tǒng)間的距離。因此,雙基地距離的最大無模糊距離等于直達(dá)脈沖信號(hào)的脈沖重復(fù)間隔Tr與c的乘積,而直達(dá)波信號(hào)的到達(dá)時(shí)刻對(duì)應(yīng)的雙基地距離RT+RR-L=0。

2 非合作雷達(dá)輻射源直達(dá)波脈沖信號(hào)分析

系統(tǒng)為了確定非合作雷達(dá)輻射源發(fā)射天線掃描角度和發(fā)射波形,需要利用直達(dá)信號(hào)來進(jìn)行精確的時(shí)間同步和相位同步。而為了實(shí)現(xiàn)各種相參處理,對(duì)相位同步的精度要求通常比對(duì)時(shí)間同步的精度要求更高。在本試驗(yàn)中,時(shí)間同步的更新時(shí)間Tu由非合作雷達(dá)輻射源發(fā)射天線的掃描周期Ts決定。為了分析非合作雷達(dá)輻射源信號(hào)參數(shù),基于直達(dá)波相鄰脈沖串信號(hào),如圖2所示的相鄰脈沖重復(fù)周期內(nèi)的信號(hào)波形,相鄰脈沖間信號(hào)對(duì)應(yīng)的采樣點(diǎn)數(shù)為4 750,可得非合作雷達(dá)輻射源信號(hào)的脈沖重復(fù)周期為

圖2 相鄰脈沖重復(fù)周期內(nèi)的信號(hào)波形

Tr=4 750×0.005=2.375 ms

(2)

由于非合作輻射源是PRF固定的遠(yuǎn)程對(duì)海監(jiān)視雷達(dá),因此在直達(dá)信號(hào)脈沖到達(dá)之前很可能存在僅有噪聲的時(shí)段。進(jìn)一步將圖2所示的脈沖信號(hào)波形局部放大后,得到如圖3所示的直達(dá)波脈沖信號(hào)脈寬內(nèi)的信號(hào)波形,脈沖內(nèi)部對(duì)應(yīng)采樣點(diǎn)數(shù)為483,可得信號(hào)的脈沖寬度為

圖3 直達(dá)波脈沖信號(hào)脈內(nèi)的信號(hào)波形

τ=283×0.5=141.5 μs

(3)

通過觀測多個(gè)周期,可發(fā)現(xiàn)在測量期間非合作雷達(dá)輻射源發(fā)射的是PRF穩(wěn)定的線性調(diào)頻脈沖信號(hào),信號(hào)脈沖寬度約為141.5 μs。

實(shí)際中,當(dāng)非合作雷達(dá)輻射源和接收系統(tǒng)間沒有直視距離的條件下,可以用發(fā)射信號(hào)的衍射或多徑分量來進(jìn)行同步,但在整個(gè)掃描周期內(nèi),可能無法獲得穩(wěn)定的雜波,就無法實(shí)現(xiàn)脈沖間的相位同步。若有一部分掃描時(shí)間不存在直達(dá)信號(hào)或穩(wěn)定的雜波,時(shí)間同步、頻率同步和相位同步只能在天線掃描間實(shí)現(xiàn),因此對(duì)時(shí)鐘穩(wěn)定性的要求高,但可以減小雜波干擾和直達(dá)波對(duì)目標(biāo)回波信號(hào)的遮擋。

3 非合作雷達(dá)輻射源天線掃描特性分析

由于接收天線波束寬度較大,角分辨率較差,因此無法利用接收天線波束的指向特性在雙基地等距離線上精確定位目標(biāo)。而非合作雷達(dá)輻射源發(fā)射天線的半功率波束寬度較窄,因此與波束指向的同步可以提高目標(biāo)的定位精度。然而,與單基地雷達(dá)目標(biāo)探測過程中的雙程傳播效應(yīng)相比,在無源感知系統(tǒng)中發(fā)射波束的方向性僅體現(xiàn)在單程照射上,導(dǎo)致雙基地角分辨率較低。當(dāng)雷達(dá)輻射源掃描周期穩(wěn)定且位置已知時(shí),其發(fā)射天線波束指向的方位角位置可以通過掃描中最強(qiáng)的直達(dá)脈沖信號(hào)對(duì)應(yīng)時(shí)刻來確定,即非合作雷達(dá)輻射源的發(fā)射波束與無源感知系統(tǒng)接收波束對(duì)準(zhǔn)的時(shí)刻,此時(shí)發(fā)射天線對(duì)應(yīng)的方位角AT為

(4)

式中：ATR是以真北為參考時(shí)發(fā)射天線波束對(duì)準(zhǔn)接收天線時(shí)對(duì)應(yīng)的方位角;Δt為相對(duì)直達(dá)波脈沖信號(hào)峰值時(shí)刻的時(shí)延;Ts為天線掃描周期為Ts(s)=N/Fs;N為相鄰直達(dá)波脈沖信號(hào)峰值之間的采樣點(diǎn)數(shù)。圖4所示為非合作雷達(dá)輻射源相鄰掃描周期內(nèi)的信號(hào)波形,峰值對(duì)應(yīng)的是非合作雷達(dá)輻射源發(fā)射天線與無源感知系統(tǒng)天線對(duì)準(zhǔn)時(shí)接收到的直達(dá)波。相鄰峰值間對(duì)應(yīng)的是一個(gè)天線掃描周期內(nèi)的采樣,已知采樣間隔Δt為500ns,相鄰峰值間的采樣點(diǎn)數(shù)N為2×107,對(duì)應(yīng)天線掃描周期為10s,即非合作雷達(dá)輻射源發(fā)射天線轉(zhuǎn)速為6 r/min。因此,利用直達(dá)波脈沖采樣可以分析非合作雷達(dá)輻射源發(fā)射天線的掃描特性。

圖4 非合作雷達(dá)輻射源相鄰掃描周期內(nèi)的信號(hào)波形

估計(jì)得到天線掃描周期后,就可以通過測量發(fā)射波束掃過接收天線對(duì)應(yīng)的脈沖串信號(hào)幅度變化,來確定發(fā)射天線的方位波束寬度,從而確定其方位角分辨率。將圖4中的峰值局部放大后得到圖5所示的發(fā)射波束寬度內(nèi)對(duì)應(yīng)的脈沖串信號(hào),可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)發(fā)射波束掃過無源感知接收天線時(shí),來自發(fā)射機(jī)的水平天線方向圖具有Sinc函數(shù)的形式,已知峰值內(nèi)的采樣點(diǎn)數(shù)N為2×105,則發(fā)射天線主波束對(duì)應(yīng)的掃描時(shí)間為T1=NΔt=0.10 s,對(duì)應(yīng)非合作雷達(dá)輻射源發(fā)射天線在方位維的半功率波束寬度θ0.5為1.8°。

圖5 發(fā)射波束寬度內(nèi)對(duì)應(yīng)的脈沖串信號(hào)

4 信號(hào)處理與試驗(yàn)結(jié)果

本節(jié)將給出無源態(tài)勢(shì)感知系統(tǒng)的相參處理過程,而相參處理的前提是相位同步處理。這是無源感知系統(tǒng)需要解決的關(guān)鍵問題,完成時(shí)間同步和相位同步后,將對(duì)測量的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行脈沖積累、動(dòng)目標(biāo)顯示(MTI)、恒虛警(CFAR)檢測等處理,處理流程如圖6所示。

圖6 目標(biāo)回波信號(hào)的處理流程

4.1 回波信號(hào)相參性分析與預(yù)處理

系統(tǒng)處理的前提是相位同步,而不同的相位同步方法對(duì)時(shí)鐘的穩(wěn)定度要求也不同：如果系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)脈沖間的相位同步,則所需的時(shí)鐘穩(wěn)定度為Δφ/2fcΔtTR,其中Δφ是允許的相位誤差,fc是載頻,ΔtTR是直達(dá)波和目標(biāo)回波信號(hào)間的雙基地時(shí)延;對(duì)于僅能在發(fā)射天線周期掃描間開展相位同步的情況,則所需的時(shí)鐘穩(wěn)定性將隨著發(fā)射天線周期的增加而增加。

圖7給出了一個(gè)完整天線掃描周期的原始目標(biāo)回波,無法直觀看到目標(biāo)的相關(guān)態(tài)勢(shì),有待進(jìn)一步處理,圖8所示為原始目標(biāo)回波信號(hào)脈沖串的相位和展開相位,噪聲和雜波區(qū)對(duì)應(yīng)的回波信號(hào)的相位沒有相參性,目標(biāo)回波對(duì)應(yīng)的脈沖信號(hào)相位具有較好的連續(xù)性,但需要開展相位補(bǔ)償處理。相位補(bǔ)償處理后回波脈沖串的相位和展開相位如圖9所示,如果目標(biāo)在脈沖間不起伏,則可進(jìn)行多脈沖積累,以提高檢測性能。

圖7 一個(gè)完整天線掃描周期對(duì)應(yīng)的原始目標(biāo)回波

圖8 原始回波脈沖串的相位和展開相位

圖9 相位同步后回波脈沖串的相位和展開相位

4.2 脈沖積累與MTI處理

當(dāng)回波信號(hào)有了明確的相位關(guān)系后,可采用相參積累。對(duì)于單基地雷達(dá),其可積累的脈沖數(shù)通常是發(fā)射天線半功率波束寬度ΔθT范圍內(nèi)掃描照射目標(biāo)期間,接收系統(tǒng)截獲的脈沖數(shù)。而對(duì)于無源感知系統(tǒng)接收天線的方向性和視角將影響目標(biāo)駐留時(shí)間,采用寬波束接收天線時(shí)將與單基地雷達(dá)確定積累脈沖數(shù)Nd的方法相同。圖10所示為基于實(shí)測數(shù)據(jù)非相參積累后的結(jié)果,與圖10所示的積累前的結(jié)果相比,非相參積累得到的是Nd個(gè)脈沖包絡(luò)的均值,減小了不相關(guān)加性噪聲的方差,目標(biāo)更加清晰。

圖10 基于實(shí)測數(shù)據(jù)非相參積累后的結(jié)果

理論上,利用Nd個(gè)脈沖進(jìn)行相參積累,是對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行復(fù)數(shù)相加,噪聲功率可以降低Nd倍。實(shí)際中,相參積累后目標(biāo)信噪比改善程度取決于目標(biāo)回波的相參性。如果能夠?qū)崿F(xiàn)精確的相位同步,則Nd個(gè)脈沖積累后的信噪比可以提高到Nd倍。圖11所示為基于實(shí)測數(shù)據(jù)相參積累后的結(jié)果,與非相參積累僅僅積累幅度信息相比,相參積累更能提高信噪比。

圖11 基于實(shí)測數(shù)據(jù)相參積累后的結(jié)果

為了比對(duì)分析非相參積累和相參積累的結(jié)果,首先分析脈沖同步處理后脈沖積累前的對(duì)應(yīng)回波的噪聲基底。利用完成相位同步和無源相干處理后的回波信號(hào)中,只含噪聲分量的采樣點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。利用連續(xù)多個(gè)脈沖重復(fù)周期內(nèi)都含有有效目標(biāo)回波的數(shù)據(jù),分別基于實(shí)測數(shù)據(jù)逐個(gè)脈沖相干處理輸出結(jié)果、非相參積累后輸出和相參積累后輸出的數(shù)據(jù)矩陣,抽取200×200個(gè)噪聲采樣數(shù)據(jù)的進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,得到如圖12所示的噪聲基底測量結(jié)果。當(dāng)不采用脈沖積累時(shí),而其噪聲電平可用于計(jì)算輸出端的信噪比?？梢钥闯龇窍鄥⒎e累后噪聲均值基本差不多,但標(biāo)準(zhǔn)差減小了,而相參積累后中,噪聲的均值和標(biāo)準(zhǔn)差都減小了。

圖12 脈沖積累前后噪聲電平的統(tǒng)計(jì)分析

圖13所示為脈沖積累前后目標(biāo)回波信噪比的變化,可以發(fā)現(xiàn)與未積累的噪聲輸出回波相比,非相參積累后噪聲的抖動(dòng)范圍明顯減小,而目標(biāo)信號(hào)的峰值輸出基本相同,但與不積累的輸出相比,非相參積累后輸出的目標(biāo)附近的副瓣降低了3 dB～4 dB。

圖13 脈沖積累前后目標(biāo)回波信噪比的變化

然而,脈沖積累過程中雜波也會(huì)積累起來。無源感知系統(tǒng)為了更好地抑制雜波,也需要采用MTI、動(dòng)目標(biāo)檢測等具有雜波抑制性能的信號(hào)處理方法。對(duì)脈沖回波開展MTI對(duì)消處理可以減弱靜止雜波的影響,對(duì)消過程中采用一次對(duì)消處理的方法,即利用相鄰兩個(gè)脈沖回波進(jìn)行對(duì)消處理;MTI一次對(duì)消處理的結(jié)果如圖14所示,可以發(fā)現(xiàn),對(duì)消處理后還有雜波剩余,然后基于對(duì)消后的輸出再次開展非相參積累處理后,結(jié)果如圖15所示,從圖15中可以明顯發(fā)現(xiàn)目標(biāo)回波變得更加清晰,能發(fā)現(xiàn)3個(gè)運(yùn)動(dòng)目標(biāo),但同時(shí)固定雜波對(duì)消剩余也部分積累起來了。因此,通過對(duì)消處理抑制靜止雜波后,非相參積累可以提高信噪比,但對(duì)慢速運(yùn)動(dòng)雜波的對(duì)消效果較差,需進(jìn)一步處理。

圖14 MTI處理結(jié)果

圖15 MTI處理雜波對(duì)消后非相參積累結(jié)果

4.3 恒虛警(CFAR)檢測與顯示校正

由于回波信號(hào)中既包含目標(biāo)回波信息,又包含背景噪聲和雜波,為了能更準(zhǔn)確地檢測出目標(biāo)信息,需要開展CFAR處理。實(shí)際信號(hào)處理時(shí),考慮到海面雜波環(huán)境較復(fù)雜,為了能在雜波邊緣環(huán)境保持一個(gè)好的虛警控制性能,選用針對(duì)雜波邊緣而設(shè)計(jì)的GO-CFAR。GO-CFAR選取檢測單元兩側(cè)2個(gè)保護(hù)單元之外的40個(gè)參考單元取均值中較大者作為檢測器總雜波功率水平的估計(jì),再結(jié)合門限因子Tn設(shè)計(jì)虛警門限閾值,將過門限值的單元列入有目標(biāo)單元。在方位和距離二維平面內(nèi)GO-CFAR處理結(jié)果如圖16所示,3個(gè)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)均可以檢測出,但同時(shí)還有5個(gè)雜波點(diǎn)也過了門限,根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果可計(jì)算得檢測中的虛警概率為2.67×10-6。在目標(biāo)檢測處理時(shí),參考單元與保護(hù)單元的數(shù)量設(shè)置已結(jié)合回波的數(shù)據(jù)率和噪聲背景綜合考慮。試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),當(dāng)數(shù)據(jù)率較低時(shí),設(shè)置過多的參考單元會(huì)使對(duì)雜波背景的參考范圍過大,得到的雜波電平估計(jì)與實(shí)際不相符,導(dǎo)致檢測概率降低。

圖16 利用GO-CFAR算法處理的結(jié)果

到目前為止,目標(biāo)檢測處理都是在雙基地距離-方位或多普勒-雙基地距離維,未考慮無源感知系統(tǒng)與非合作雷達(dá)輻射源之間的基線距離,實(shí)際中還需要通過基于目標(biāo)探測中的雙基地幾何關(guān)系解算出目標(biāo)相對(duì)無源感知系統(tǒng)的真實(shí)距離和方位。依據(jù)文獻(xiàn)[6]給出的雙基地距離解算公式,得到的校正結(jié)果如圖17所示。從顯示結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),在圖17的中心區(qū)域有一塊空白區(qū)域,該空白區(qū)域形成的原因是考慮了無源感知系統(tǒng)與非合作雷達(dá)輻射源之間基線距離后,對(duì)雙基地距離的校正導(dǎo)致的,與文獻(xiàn)[6]的理論分析一致。

圖17 以無源感知系統(tǒng)為中心的P顯圖及其與AIS信息的關(guān)聯(lián)對(duì)比

進(jìn)一步借助船舶AIS獲取的海上船舶信息,可檢驗(yàn)分析無源感知系統(tǒng)測量得到的海面目標(biāo)位置、速度等信息的準(zhǔn)確性。圖17也給出了系統(tǒng)探測信息和AIS信息、周邊環(huán)境的對(duì)應(yīng)情況,可以發(fā)現(xiàn)環(huán)境雜波和目標(biāo)探測信息與實(shí)際探測背景比較吻合,驗(yàn)證了無源感知系統(tǒng)對(duì)海上船舶等目標(biāo)探測的可行性和有效性。

5 討 論

上一節(jié)給出的是系統(tǒng)無源相干處理的過程和試驗(yàn)分析結(jié)果,驗(yàn)證了系統(tǒng)對(duì)海上目標(biāo)探測的可行性和有效性。而隨著電磁環(huán)境的變化,海上目標(biāo)無源感知技術(shù)將朝著更高探測精度、更廣范圍、更強(qiáng)抗干擾能力方向發(fā)展,同時(shí)也面臨著信號(hào)處理復(fù)雜度增加、目標(biāo)特征變化多樣、海洋環(huán)境干擾等挑戰(zhàn),也需要不斷創(chuàng)新和優(yōu)化算法,提高信號(hào)處理能力和目標(biāo)識(shí)別精度。

海上目標(biāo)態(tài)勢(shì)感知理論應(yīng)用于實(shí)際系統(tǒng)研制時(shí),還有諸多工程化的問題需要解決,如系統(tǒng)需要根據(jù)實(shí)時(shí)測量的直達(dá)波脈沖信號(hào)參數(shù)、天線掃描規(guī)律開展無源感知系統(tǒng)時(shí)間同步、頻率同步和空間同步處理,并基于目標(biāo)散射回波開展目標(biāo)無源相干檢測、雙多基地定位和態(tài)勢(shì)顯示校正等實(shí)時(shí)處理。然而,其實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步的唯一方法就是利用系統(tǒng)截獲的直達(dá)波脈沖信號(hào)作為接收系統(tǒng)采樣時(shí)鐘的同步觸發(fā)信號(hào)。文獻(xiàn)[7-8]給出了即使在直達(dá)波信號(hào)接收良好的情況下,直達(dá)波信號(hào)的信噪比影響PRF的估計(jì)精度后,采樣時(shí)鐘與接收信號(hào)不能精確同步時(shí),脈沖間的相對(duì)采樣時(shí)刻存在漂移對(duì)脈沖間相參積累檢測性能的影響;文獻(xiàn)[9-11]給出了信噪比起伏和多徑效應(yīng)等因素導(dǎo)致直達(dá)波信號(hào)相位紊亂,難以實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)射信號(hào)頻率的準(zhǔn)確估計(jì)時(shí),對(duì)檢測和參數(shù)估計(jì)的影響。針對(duì)發(fā)射天線在方位上做機(jī)械掃描時(shí)其天線波瓣圖調(diào)制效應(yīng),可能導(dǎo)致直達(dá)波脈沖丟失和相位突變的現(xiàn)象,文獻(xiàn)[12-13]推導(dǎo)了存在脈沖丟失或/和相位突變時(shí),系統(tǒng)互模糊函數(shù)峰值輸出的解析表達(dá)式,并借助信噪比損失和多普勒頻率估計(jì)誤差等參數(shù)來衡量脈沖丟失和相位突變的不利影響,給出了脈沖丟失或/和相位突變時(shí)的結(jié)果,并與理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。對(duì)于脈沖重復(fù)周期PRI為常數(shù)的脈沖信號(hào),若系統(tǒng)能準(zhǔn)確估計(jì)脈沖的PRI,并準(zhǔn)確預(yù)測丟失的脈沖總數(shù)和相位突變時(shí)刻,則可以消除其帶來的不利影響。文獻(xiàn)[14-15]結(jié)合無源感知系統(tǒng)的特點(diǎn),討論了發(fā)射天線掃描調(diào)制對(duì)系統(tǒng)相參處理可能帶來的損耗,給出了在發(fā)射天線掃描調(diào)制時(shí)系統(tǒng)接收信號(hào)的模型,分析了一般天線的方向圖傳播因子,然后分析了由于不能直接獲取發(fā)射信號(hào)波形,導(dǎo)致不能構(gòu)建完美的匹配濾波器時(shí),以理想匹配濾波輸出信噪比為參考,討論直達(dá)波信噪比起伏對(duì)系統(tǒng)相參積累輸出信噪比的影響,得到了三種工程等效近似天線方向圖條件下信噪比損失的解析表達(dá)式。在系統(tǒng)的目標(biāo)檢測理論方面,文獻(xiàn)[16-17]研究了無源感知系統(tǒng)發(fā)射信號(hào)的帶寬未能準(zhǔn)確估計(jì)而導(dǎo)致信號(hào)采樣帶寬失配時(shí),廣義相參檢測器的構(gòu)造思路,推導(dǎo)了適合目標(biāo)檢測通用的廣義相參檢測統(tǒng)計(jì)量,得到了其檢測性能的解析表達(dá)式。

為了提高系統(tǒng)的實(shí)用性,亟需解決直達(dá)波信噪比非常低甚至無法截獲直達(dá)波時(shí)的目標(biāo)檢測問題。遠(yuǎn)海條件下,常見的非合作雷達(dá)輻射源發(fā)射天線的架設(shè)高度受其所在平臺(tái)的限制,無源感知系統(tǒng)與非合作雷達(dá)輻射源之間可能沒有視距,將無法截獲直達(dá)波,或者某些雷達(dá)采用高定向性天線且天線掃描的零點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)無源感知系統(tǒng)天線主瓣方向時(shí),接收到的直達(dá)波信噪比非常弱。這些情況下,無法利用直達(dá)波信號(hào)來估計(jì)非合作輻射源發(fā)射信號(hào)的波形,也就無法基于直達(dá)波參考對(duì)目標(biāo)回波做時(shí)延多普勒補(bǔ)償和互相關(guān)處理,導(dǎo)致無法采用傳統(tǒng)的無源相干檢測方法開展目標(biāo)檢測。此外,與基于廣播電視信號(hào)的陸基外輻射源雷達(dá)相比,海上無源感知系統(tǒng)目標(biāo)定位面臨的最大挑戰(zhàn)之一就是海上非合作雷達(dá)輻射源的地理位置是動(dòng)態(tài)變化的,導(dǎo)致無法利用經(jīng)典的雙基地基線距離即非合作輻射源與無源感知系統(tǒng)間的直線距離已知條件下的目標(biāo)定位方法,還需要解決非合作雷達(dá)輻射源位置動(dòng)態(tài)變化時(shí)的目標(biāo)定位問題。

6 結(jié)束語

海上目標(biāo)無源感知技術(shù)將以較低的成本賦予海上各種節(jié)點(diǎn)以無線電靜默的方式開展典型目標(biāo)探測。本文主要介紹基于脈沖雷達(dá)信號(hào)的無源感知應(yīng)用涉及的相關(guān)信號(hào)處理問題及其試驗(yàn)結(jié)果。利用實(shí)測的直達(dá)波脈沖信號(hào)分析了非合作雷達(dá)輻射源天線掃描特性與信號(hào)參數(shù),完成了與非合作雷達(dá)輻射源信號(hào)間的頻率同步、時(shí)間同步和相位同步處理,然后基于實(shí)測數(shù)據(jù)完成了直達(dá)波和目標(biāo)回波信號(hào)的相參性分析和無源相干處理,并利用多脈沖回波信號(hào)開展了脈沖積累、MTI處理和CFAR檢測等處理,開展了基于實(shí)測數(shù)據(jù)的雙基地距離解算和顯示校正,并利用AIS信息對(duì)本試驗(yàn)的處理結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析,驗(yàn)證了基于脈沖雷達(dá)信號(hào)的開展海上目標(biāo)無源態(tài)勢(shì)感知的可行性和有效性。

海上目標(biāo)無源感知技術(shù)是一種新的可用于海上目標(biāo)分布式無源自主感知的方法,將在海洋監(jiān)測、海上安全、軍事防御等領(lǐng)域發(fā)揮更加重要的作用,實(shí)現(xiàn)對(duì)典型遠(yuǎn)海區(qū)域全天候、全天時(shí)態(tài)勢(shì)感知。在遠(yuǎn)海條件下,也可以實(shí)現(xiàn)對(duì)海上隱身目標(biāo)和低空目標(biāo)(如艦載無人機(jī))的隱蔽監(jiān)視與跟蹤,可大力提升我國關(guān)鍵海域、重要港口外圍、關(guān)鍵航道上的態(tài)勢(shì)信息感知能力。