機會照射方式下無源雷達系統(tǒng)的研究

機會照射方式下無源雷達系統(tǒng)的研究

1新型無源反隱私雷達雷達大規(guī)模光束波通過收集目標回波來確定目標，并定位。這種大功率的有源探測設(shè)備,其發(fā)射信號易于被敵方偵收和截獲,因而容易遭受電子干擾和反輻射導彈的襲擊。另外,由于波束覆蓋范圍和地雜波的限制,雷達的低空探測盲區(qū)不可避免。這些源于有源探測的先天性缺陷,使得雷達在技術(shù)水平日益提高的電子干擾、反輻射導彈、隱身飛機和低空超低空突防等威脅面前面臨嚴重的生存危機。近年來,國內(nèi)外先后報道了一種新型的無源反隱身雷達,這種雷達利用廣播、電視、衛(wèi)星等民用機會照射源,根據(jù)對隱身飛機或巡航導彈等目標的反射信號進行微弱目標相干檢測、傳輸?shù)忍幚?估計出目標反射信號的到達方向、多普勒頻移以及反射信號與直接信號的時間延遲等參數(shù),并以此來跟蹤、識別目標。這種新型雷達系統(tǒng)是一種基于無線電通信和傳播的雙多基地雷達體制。由于雙多基地雷達的收發(fā)分置,它具有抗干擾、抗反輻射導彈、抗低空突防和反隱身的綜合“四抗”潛力。這種雙多基地無源雷達系統(tǒng)分為合作式和非合作式系統(tǒng)。非合作式系統(tǒng)采用機會發(fā)射源,其中包括電視、廣播等民用輻射源。民用輻射源具有工作頻率低、覆蓋范圍廣、無低空盲區(qū)或盲區(qū)極小、發(fā)射功率大等特點,其信號過去曾被視為有害干擾而加以抑制,如今可直接利用它們而發(fā)揮其特殊頻段具有的反隱身特點,還避免了民用信號對雷達的干擾。2無源雷達系統(tǒng)的分類和開發(fā)2.1基于信號傳輸?shù)奶綔y設(shè)備無源探測與跟蹤應該涵蓋所有本身不發(fā)射電磁波而只接收目標輻射的電磁波,或者接收第三方發(fā)射電磁波經(jīng)目標反射后的回波來獲取目標信息的情況。據(jù)此,無源探測與跟蹤雷達按輻射源的類型可分為兩類:第一類是利用目標自身輻射源的無源探測與跟蹤雷達,包括待觀測的目標自身攜帶的輻射源,如雷達、通信、應答機、有源干擾機、導航等電子設(shè)備;第二類是利用第三方發(fā)射信號經(jīng)目標反射后的回波來獲取目標信息,這類第三方發(fā)射源包含地面廣播電臺、電視臺、通信臺站、直播電視衛(wèi)星(DBS)、導航與定位衛(wèi)星(GPS)、各種平臺上的有源雷達等。對于第一類系統(tǒng)來說,典型的系統(tǒng)包括無線電無源探測、可見光無源探測(如電視探測)和紅外線無源探測三大類。它們的共同特點是通過飛行器輻射的電磁波、熱能或反射的可見光進行探測和定位。由于其不輻射能量,因而不可能被敵方偵察和定位,從而不受敵方的干擾和攻擊。同時,由于飛行器(包括隱身飛機)不可避免地要輻射電磁能量和紅外線、反射可見光,這又為探測和定位創(chuàng)造了條件。另外,由于沒有能量覆蓋和雜波問題,理論上不存在探測盲區(qū)。這些都使得無源探測設(shè)備具備先天性“四抗”能力。第二類系統(tǒng)則通過天線接收來自外部輻射源的直射波和外部輻射源照射目標后形成的反射波或散射波攜帶的多普勒頻移,多站接收信號的時間差和到達角等信息,經(jīng)處理后提取目標信息,并消除無用信息和干擾,完成對目標的探測、定位和跟蹤。2.2無源系統(tǒng)的應用美國自1983年隱身飛機F-117A服役以來,又生產(chǎn)了B-2戰(zhàn)略轟炸機、YF-22A等一批隱身飛行器,這對雷達探測系統(tǒng)構(gòu)成了嚴重的挑戰(zhàn)。美國在研究隱身飛機的同時也開展了反隱身技術(shù)的研究,1989年10月,DavidF.Bond發(fā)表文章透露,美國空軍研究報告聲稱蘇聯(lián)防御系統(tǒng)可能對B-2轟炸機無效,文章表明,美國于上世紀80年代早期就組織了“隱身紅隊”專門研究各種反隱身技術(shù)的效果,評估40多種非常規(guī)的概念,如聲學系統(tǒng)、陸基和機載雙基地雷達、反隱身雷達波形、氣球載雷達、雙基地反射儀、電暈放電檢測、相關(guān)譜測定法、宇宙射線、差動吸收、機載紅外警戒和控制系統(tǒng)、紅外搜索和跟蹤、地雷、高頻雷達、電磁擾動、天基雷達、現(xiàn)有系統(tǒng)改進、超視距雷達、無源相干檢測、飛機輻射檢測、雷達盲區(qū)檢測、混合式雙基地雷達、沖擊雷達、先進的機載警戒等,其中就包含無源相干檢測方法。英國《防務(wù)系統(tǒng)日刊》電子版1998年10月13日報道美國洛克希德·馬丁公司花15年時間研制成功的“沉默哨兵”新型監(jiān)視系統(tǒng)。這是一種利用廣播和電視信號探測空中目標的監(jiān)視系統(tǒng)。該系統(tǒng)只要接收到目標反射的3個以上電視或廣播信號,就能依據(jù)波的相干原理進行處理,準確探測和跟蹤飛行中的飛機、直升機和火箭等目標。它本身不像雷達那樣發(fā)射無線電波,因而不易被察覺。由于電視/廣播信號在空間中無處不在,因此在世界任何地方都可利用?！俺聊诒毕到y(tǒng)的典型配置包括高靈敏度接收機、處理器、可視化軟件和分析軟件,每套價格300～500萬美元。據(jù)說洛克希德·馬丁公司還在研究一種比“沉默哨兵”還保密的系統(tǒng),這種系統(tǒng)既能搜集敵方雷達發(fā)射的信號,也能搜集從被敵方雷達觀察的目標返回的信號,這樣就能使美國空中情報搜集系統(tǒng)確定對方雷達正在觀察什么。前捷克斯洛伐克研制成功的“塔碼拉”無源定位系統(tǒng),可以探測和發(fā)現(xiàn)隱身飛行器,它是利用隱身飛機本身的輻射信號(如雷達、通信、導航系統(tǒng)信號等)進行無源定位的系統(tǒng)。E.GraigThompson在1989年美國IEEE國家雷達會議上的文章《雙基地雷達非協(xié)同照射器的同步技術(shù)》中透露美國研究了利用預警機E-3A(AWACS系統(tǒng))和聯(lián)合監(jiān)視目標攻擊雷達系統(tǒng)(J-STARS)作為非協(xié)同照射源,然后利用無源接收器來發(fā)現(xiàn)和檢測飛行目標。英國人對無源系統(tǒng)的研究也比較早。80年代初英國倫敦學院的H.D.Griffiths教授等人首先利用電視信號對運動目標進行定位。由于經(jīng)費和當時技術(shù)條件的限制,雖然大多數(shù)情況下試驗結(jié)果是否定的,但也得到了一些有價值的結(jié)論。1992年H.D.Griffiths教授等人發(fā)表了利用衛(wèi)星照射源的研究工作。1994年左右,英國的P.E.Howland重新構(gòu)建了一種利用電視信號對運動目標進行定位的系統(tǒng)。他考慮到電視信號的TDOA信息的模糊性,直接采用測量DOA和Doppler頻移來定位,取得了一定的效果,但精度不高。后來在1999年,Howland再次利用倫敦水晶宮的BBC電視發(fā)射機進行了基于電視信號的雙基地雷達試驗,用無源接收機測量空中目標散射信號的到達角和多普勒頻移實現(xiàn)對目標的跟蹤,其跟蹤距離可達離發(fā)射機150km、離接收機260km。德國西門子集團也在研究用基于移動電話系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施的無源探測系統(tǒng)來探測隱身目標。它的設(shè)想是將移動電話基站作為機會照射源,用于照射空中目標。探測系統(tǒng)的接收器只有公文包大小。系統(tǒng)通過計算各個基站發(fā)出并返回的信號的相位差,對目標進行定位。近年來,還有人研究利用協(xié)作或非協(xié)作衛(wèi)星的輻射信號作為照射源的可能性?；谕廨椛湓吹臒o源雷達探測系統(tǒng)一直是令人感興趣的領(lǐng)域。其系統(tǒng)實現(xiàn)、工作原理等具體內(nèi)容有著很大的差異。如何充分利用廣播、電視的空間電磁能量以達到最佳的探測性能,人們提出了各種不同體制、不同原理的設(shè)想。對各種體制及其系統(tǒng)實現(xiàn)原理的研究是非常重要的。從有代表性的美國“沉默哨兵”的技術(shù)發(fā)展來看,利用外輻射源的無源探測與跟蹤系統(tǒng)要成為一種比較實用化的系統(tǒng)有一定難度。值得一提的是,1998年報道的“沉默哨兵”系統(tǒng)雖然是一個實用化系統(tǒng),有固定站和快速部署兩種形式,但并非完備。比如,該系統(tǒng)只能利用廣播信號,尚不能利用電視信號;另外,對信號處理方法和跟蹤算法的細化、對截獲目標的識別和分類等都需要進一步研究。預料美國現(xiàn)在仍未停止對“沉默哨兵”的研究,只不過近年來很少看到該系統(tǒng)的報道了。國內(nèi)對基于民用非合作照射信號的無源雷達技術(shù)開展系統(tǒng)而全面的研究始于上世紀90年代中后期。由于依賴于GPS系統(tǒng)進行定位、導航的隱身目標不發(fā)射信號,它既不容易被有源雷達發(fā)現(xiàn),也不會被基于探測輻射信號的無源探測雷達發(fā)現(xiàn),而有源雷達開機的風險很大,因而利用目標對商用非合作照射信號的反射信號進行探測定位的雷達是一種很好的方案。而且從需求來看,利用商用廣播、電視和通信信號進行目標探測定位和跟蹤識別的隱蔽雷達也是現(xiàn)代雷達發(fā)展的一個重要分支。目前國內(nèi)有多家單位開展了利用商用信號探測定位目標的隱蔽雷達技術(shù)的研究,并分別通過實時系統(tǒng)和實測數(shù)據(jù)的處理,利用商業(yè)發(fā)射信號和相干接收等技術(shù),觀測到了遠距離民航目標的多次連續(xù)航跡;所取得的研究結(jié)果和技術(shù)推動了該項技術(shù)的進一步發(fā)展。由于新的對抗形勢對雷達系統(tǒng)的生存能力、反隱身能力、抗低空突防能力等需求日趨強烈,而該項技術(shù)在被動雷達系統(tǒng)方面有共同性,因此它的發(fā)展將對被動雷達技術(shù)起到相當?shù)耐苿幼饔谩?在開放時間間隔下，無源雷達系統(tǒng)的一些關(guān)鍵技術(shù)3.1信號回波的強度差異由于機會照射的輻射源多屬于連續(xù)波體制,直達波信號很強,而且廣播信號屬于米波波段,空間傳播的多路徑使得雜波較強;同時,由于廣播信號主要射向地面,發(fā)射天線波瓣對空中目標的增益低,故而實際接收到的動目標回波信號遠小于直達波和多路徑信號。根據(jù)目標的遠近和系統(tǒng)的參數(shù)情況,信號回波和雜波的功率強度差異通常在60～140dB,這一大一小的信號經(jīng)相干匹配濾波后大信號仍然具有高的距離-多普勒副瓣,這些副瓣淹沒了遠距離的微弱動目標回波信號,因此需要對接收到的非合作信號進行雜波抑制和信號處理才能探測到目標,并進行參數(shù)測量與跟蹤。人們可以采取多種方法進行雜波抑制,如利用合理的系統(tǒng)配置、天線設(shè)計、接收地形選擇、信號處理等手段,結(jié)合性能良好的通道特性設(shè)計來克服直達波、地雜波和多徑雜波的相消剩余對目標探測的影響。3.2頻率選取器設(shè)計對電磁干擾可采取時域或頻域方法進行抑制,如通過專門設(shè)計的性能良好的接收端頻率預選器來實現(xiàn)。對于強的通帶干擾,可以利用時域處理等方法抑制。利用陣列天線技術(shù)時還可以采用空域濾波的方法進行抑制。3.3回波信號的多次積累對微弱的目標回波信號的檢測是利用相干接收來實現(xiàn)的,這種相干接收的實現(xiàn)類似常規(guī)的脈壓技術(shù),即匹配濾波。當實際系統(tǒng)中的直達波、地雜波和多徑雜波抑制到一定程度后,為了達到所需的威力覆蓋,還需要對目標回波進行長時間的相干積累,以提高有效檢測所需的信雜比。如果系統(tǒng)的通道性能做得很好,以至于對直達波、多徑雜波有很高的相消比,那么對長時間信號積累的要求就低。然而在實際系統(tǒng)中,由于眾多因素的制約,通道總是存在誤差,相消比不可能很高,因此對回波信號的長時間積累是必需的。選擇積累時間應考慮目標回波的距離走動和多普勒走動,以及實時實現(xiàn)中運算量與設(shè)備量的折衷等問題。3.4基于單接收站的目標定位目前無源雷達系統(tǒng)采用的定位方法可歸納為以下幾種:一是通過多個接收站同時對目標進行測量,取出信號的時間差來對外部輻射源定位,稱作雙曲面定位法,這種定位系統(tǒng)應配置4個以上的接收站;二是通過2至3個接收站來測量目標信號到達角,以此來對目標定位,稱作三角形定位法;三是通過單個接收站相對目標運動來測量多普勒頻移,以此對目標定位,稱作差分多普勒定位法;四是上述幾種方法相綜合,故稱作復合定位法。近年來,學術(shù)界又提出一些新的定位法,例如,利用單個接收機站測量,并借助若干個虛擬的接收站在已知的不同位置上進行多個測量,再用三角形定位法對目標定位,可以確定目標的距離、航向、速度和高度,它主要用來對電子干擾機定位。上面各種定位方法各有其優(yōu)缺點。3.5基于多站融合的多通道復配方案在機會照射源無源探測系統(tǒng)中,由于實際的發(fā)射信號調(diào)頻廣播信號不受控制,信號的瞬時帶寬變化較大;同時,還由于調(diào)頻立體聲廣播(AM-FM制式)的基帶信號又包含多個分量(如主信道信號、副信道信號、導頻信號和輔助通訊廣播信號等),復合信號隨主載波頻率調(diào)制導致二維時差多普勒匹配濾波平面上有較高的多普勒旁瓣,嚴重影響了目標檢測概率。因此,有效的檢測方法是提高門限,結(jié)合提高距離分辨率并降低多普勒旁瓣,同時進行航跡起始和關(guān)聯(lián)檢測。對于目標的定位問題,由于該波段天線孔徑不可能做得很大,因此其定位精度不是很高,但是可以通過信號處理算法進行改善。如果進行多站接收,則需要進行多站數(shù)據(jù)融合及跟蹤以提高系統(tǒng)的定位精度。近年來,多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)飛速發(fā)展,有望在多發(fā)射機多接收站的綜合配置下提高跟蹤精度,從而實現(xiàn)基于跟蹤的識別。另外,一些新技術(shù)的產(chǎn)生將有助于此系統(tǒng)中關(guān)鍵技術(shù)的突破。比如,采用多頻道同時照射實現(xiàn)探測優(yōu)化和數(shù)據(jù)融合技術(shù)、合成超寬帶分布式多傳感器數(shù)據(jù)融合等。3.6信號探測定位根據(jù)無源雷達工作方式的不同,無源雷達對輻射源的選擇也就不同。對于非合作外輻射源,如果能測知其工作頻率、相位變化規(guī)律等參數(shù),就可以很方便地對雷達目標進行探測定位和跟蹤。這些輻射源一般包括調(diào)頻廣播信號、電視信號等。而對于那些未知工作頻率和相位變化率的輻射源,則需要適當增加雷達的偵察站的數(shù)量,利用一些有效的信號探測方法和數(shù)據(jù)處理方法。這時要求用于無源雷達探測的機會照射源應具有與要求的距離分辨率相一致的調(diào)制帶寬,即模糊函數(shù)要具有高分辨率,而且在距離和多普勒分辨中最好不存在模糊和旁瓣。4實驗結(jié)果和分析圖1是一個利用調(diào)頻電臺廣播的目標探測與跟蹤雷達實驗系統(tǒng)的原理框圖。它是一個“固定指向式”實驗系統(tǒng)平臺,包括主輔接收天線、接收模塊和信號錄取等設(shè)備,虛線框中的處理利用軟件算法實現(xiàn)。我們利用該實驗系統(tǒng)錄取了大量的數(shù)據(jù)。這里利用基于實測數(shù)據(jù)的處理來說明對直達波、地雜波和多徑雜波的抑制以及長時間相干處理對目標檢測性能的影響。圖2給出的一個典型例子是雜波相消前檢測平面的最大值位于坐標原點(0km,0)處,經(jīng)波形相消處理和二維相干匹配濾波后的最大值位于檢測平面的(34km,-19)處,-19為多普勒通道。注意,圖2(a)和圖2(b)的Z軸坐標相差近30dB。由于對直達波和多徑雜波的相消及對目標回波的二維相干匹配濾波大大地改善了信雜比,故使動目標回波信號能有效地予以檢測和識別。為了驗證直達波、地雜波和多徑雜波的抑制對提高目標探測性能的可重復性,在不同的波束指向情況下進行了多批實測數(shù)據(jù)記錄。下面給出了其中兩次的統(tǒng)計實驗結(jié)果(圖3),這兩次錄取的數(shù)據(jù)批號分別為001-105和001-104。兩次二維匹配濾波后的功率相消比的平均值分別為46.58dB和44.83dB,相消前后二維匹配濾波的平均副瓣區(qū)平臺高度為-38.77dB、-38.25dB和-85.35dB、-83.08dB(相對于信號天線接收端直達波和多徑雜波強度絕對功率的歸一化值)。統(tǒng)計試驗的結(jié)果表明,當積累時間T=0.42s時,相消后的二維旁瓣區(qū)平臺功率在-84dB左右。在此基礎(chǔ)上,即可通過雷達方程估算出該實驗系統(tǒng)在自由空間的威力范圍。圖4給出了在一定系統(tǒng)參數(shù)取值時信號回波的強度與最小可檢測信號Pdmin的關(guān)系,三條曲線代表了不同的調(diào)頻發(fā)射臺天線增益。圖5為系統(tǒng)的方位威力覆蓋圖,其中的三個圓形標注分別表示發(fā)射臺(最下面)、接收站(中間)和機場(左上方)的相對位置。由圖5的估算結(jié)果可知,在一定參數(shù)取值下,對于10m2的目標,無論其高度如何,系統(tǒng)均可以達到250km以上的威力覆蓋。圖6給出了經(jīng)雜波相消和相干匹配濾波后對民航飛機的實驗結(jié)果。圖中橫坐標表示目標離接收天線的距離,縱坐標表示目標的飛行速度所對應的多普勒單元代號,如果多普勒為正,則表示飛近目標,若為負則表示為離去目標。圖6中同時觀測到兩個飛行目標,上