基于太陽輻射源的“夸父”戰(zhàn)場定位雷達(dá)技術(shù)?

胡晉東

（中國電子科技集團(tuán)公司第二十七研究所，鄭州450047）

基于太陽輻射源的“夸父”戰(zhàn)場定位雷達(dá)技術(shù)?

胡晉東

（中國電子科技集團(tuán)公司第二十七研究所，鄭州450047）

針對戰(zhàn)場無源探測雷達(dá)隱身能力的不足，用寬帶隨機(jī)信號相關(guān)處理的方法，研究了以太陽為微波輻射源的“夸父”無源定位雷達(dá)技術(shù)。計(jì)算結(jié)果表明，使用2 m×7.5 m口徑的車載天線接收系統(tǒng)，對艦船目標(biāo)探測距離可達(dá)30 km?！翱涓浮崩走_(dá)技術(shù)在提高戰(zhàn)場生存能力方面有重要意義，在港口、機(jī)場管制等民用雷達(dá)方面也有一定參考價(jià)值。

隨機(jī)信號雷達(dá)；太陽輻射；無源定位；相關(guān)函數(shù)；測距精度

1 引言

現(xiàn)代戰(zhàn)爭中提高雷達(dá)生存能力是非常重要的。以美國“沉默哨兵”為代表的無源探測雷達(dá)，以民用廣播電臺為雷達(dá)輻射源對目標(biāo)進(jìn)行探測和定位，大大增強(qiáng)了雷達(dá)戰(zhàn)場生存能力［1］。但是，根據(jù)現(xiàn)代戰(zhàn)爭特點(diǎn)和激烈程度，一旦戰(zhàn)爭升級，介入軍用的民用設(shè)施也必將受到敵方攻擊。這就迫使我們尋找一種新的雷達(dá)體制，使用大自然中的天然物體作為雷達(dá)輻射源，以引導(dǎo)無源雷達(dá)工作。我們知道，太陽是一個(gè)天然的超寬頻帶電磁波輻射體，源源不斷地輻射包括低頻、高頻、微波、毫米波、紅外、可見光和紫外等頻段在內(nèi)的全頻段電磁信號，這種信號表現(xiàn)為超寬帶隨機(jī)信號。太陽就是一個(gè)天然的微波隨機(jī)信號發(fā)射源，我們?nèi)粢劳刑栕魈旎走_(dá)發(fā)射站，自然就可以使用這種隨機(jī)信號作為雷達(dá)探測信號，從而在地面組建無源雷達(dá)定位系統(tǒng)（以下簡稱“夸父”雷達(dá)），大幅度提升戰(zhàn)場生存能力。因此，能量取之不盡而又不畏導(dǎo)彈等人類武器攻擊的太陽，就成為我們的首選目標(biāo)。本文首次提出了以太陽作輻射源的雷達(dá)偵察定位體制，以展開相關(guān)研究，適應(yīng)現(xiàn)代戰(zhàn)爭的需要。

2 “夸父”雷達(dá)原理

2．1 與傳統(tǒng)雷達(dá)體制的比較

“夸父”雷達(dá)就其本質(zhì)來說，是以太陽輻射的微波電磁能量為發(fā)射源的無源隨機(jī)信號雷達(dá)。通過“夸父”雷達(dá)與幾種主要的傳統(tǒng)雷達(dá)體制比較，可以看出其優(yōu)越性。

目前，廣泛應(yīng)用的脈沖雷達(dá)無法同時(shí)具有最大的作用距離和測距精度，尤其無法同時(shí)具有良好的測距和測速精度。

單頻連續(xù)波雷達(dá)不能測距。當(dāng)用簡單的調(diào)制波形時(shí)，很難做到具有良好的測距精度和測速精度。

脈沖壓縮雷達(dá)（脈沖內(nèi)的線性調(diào)頻）雖然同時(shí)具有良好的作用距離和測距精度，可是在抗干擾及區(qū)分活動(dòng)目標(biāo)能力方面并不理想。

偽隨機(jī)編碼雷達(dá)波形的設(shè)計(jì)使其波形具有隨機(jī)性，但偽碼波形的模糊函數(shù)具有周期的圖釘形狀，存在周期性的缺點(diǎn)。

“夸父”雷達(dá)的信號波形是微波隨機(jī)信號。由于這種信號是徹底的非周期的隨機(jī)信號，也就消除了對目標(biāo)測量的距離模糊和速度模糊，因而隨機(jī)信號雷達(dá)在目標(biāo)發(fā)現(xiàn)、測距精度、測速精度及抗干擾等方面均是理想的［2］。

通過比較可以看出，夸父雷達(dá)兼有無源雷達(dá)和隨機(jī)信號雷達(dá)兩種體制的優(yōu)點(diǎn)，不僅能同時(shí)精確測距和測速，更能在戰(zhàn)場中隱遁，并依托太陽為雷達(dá)發(fā)射站，大大提高生存能力。

2．2 基本工作原理

“夸父”雷達(dá)的基本原理是相關(guān)法，利用太陽直達(dá)波信號與目標(biāo)回波信號的相關(guān)函數(shù)的峰值來測量目標(biāo)距離和速度。相關(guān)接收基本原理［2］框圖如圖1所示。

直達(dá)波信號與回波信號進(jìn)行相關(guān)，相關(guān)后的結(jié)果輸出到多普勒濾波器組，由多普勒濾波器輸出的峰值可以得到目標(biāo)的距離和速度。實(shí)際上，“夸父”雷達(dá)并不能直接測得目標(biāo)的距離信息，而是通過測量直達(dá)波與回波到達(dá)時(shí)差τ，再輔以對目標(biāo)測角而間接測得定位信息。根據(jù)τ即可由計(jì)算出一個(gè)以太陽、雷達(dá)站為焦點(diǎn)的橢球面，被測目標(biāo)就在這個(gè)橢球面上。再根據(jù)雷達(dá)對目標(biāo)的測角信息，從而定出目標(biāo)的位置。測角信息由接收回波的相控天線的角度指向獲得；太陽相對于雷達(dá)站的精確位置和距離，由作戰(zhàn)指揮中心實(shí)時(shí)獲得。“夸父”雷達(dá)系統(tǒng)原理簡圖見圖2。

3 相關(guān)處理

3．1 相關(guān)函數(shù)原理［3］

直達(dá)波信號f1（t）為

式中，x（t）為純凈、不含接收系統(tǒng)噪聲的直達(dá)波，m（t）為直達(dá)波接收信道的噪聲。

反射波信號f2（t）為

式中，y（t）為純凈、不含接收系統(tǒng)噪聲的目標(biāo)回波，n（t）為回波接收信道的噪聲。

f1（t）與f2（t）的相關(guān)函數(shù)為

式中，后三項(xiàng)分別為直達(dá)波與n（t）的相關(guān)函數(shù)、回波與m（t）的相關(guān)函數(shù)、m（t）與n（t）的相關(guān)函數(shù)。由于直達(dá)波、回波與信道噪聲均不相關(guān)，并且兩個(gè)接收信道的噪聲也互不相關(guān)，因此式中后三項(xiàng)均為零。第一項(xiàng)為x（t）與y（t）的相關(guān)函數(shù)：

式中，τ為回波相對于直達(dá)波的時(shí)延，fd為回波的多普勒頻移。通過對齊時(shí)延得到相關(guān)峰值（表現(xiàn)為頻率為fd的交流信號），以此識別動(dòng)目標(biāo)并由τ測距。

3．2相關(guān)處理增益

處理增益［4］為

測距分辨力［4］為

4 主要性能和設(shè)計(jì)方法

4．1 主要性能

在上述原理指導(dǎo)下，我們可以設(shè)計(jì)一個(gè)車載“夸父”系統(tǒng)，用于港口在無線電靜默條件下的艦船交通管制。要求最大偵測作用距離30 km，測距分辨力為1 m。系統(tǒng)工作在f=2 800 MHz頻率上，工作帶寬B=400 MHz。

按照雷達(dá)信號檢測理論，雷達(dá)信號的單次檢測門限D(zhuǎn)由檢測概率Pd和虛警率Pfa決定［5，6］：

其中：

當(dāng)取Pd=99.9%，Pfa=0.1%時(shí)，檢測門限D(zhuǎn)= 12.3 dB。下面將計(jì)算實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)中的雷達(dá)接收信噪比S／N0，若不滿足檢測門限，則可通過相關(guān)積累和非相關(guān)積累獲得處理增益G，使最終信噪比［5］S／N=（S／N0）G＞D。

4．2 設(shè)計(jì)方法

系統(tǒng)為雙天線車載機(jī)動(dòng)雷達(dá)站，其中主天線為2 m×7.5 m口徑的相控天線，用于艦船目標(biāo)的反射回波；輔助天線為4 m口徑的普通拋物面天線，天線葉片可折疊，用于接收太陽直達(dá)波信號。兩部天線裝在一輛載車上，利于機(jī)動(dòng)。

4．2．1 時(shí)延測距

通過對直達(dá)波與反射波信號進(jìn)行相關(guān)處理，得到時(shí)延差和處理增益。直達(dá)波f1（t）經(jīng)延時(shí)后與回波f2（t）相乘，經(jīng)帶通濾波濾去相乘后產(chǎn)生的直流和其它高頻雜波信號，得到含多普勒信息的交流信號fd。交流信號fd經(jīng)AGC放大，再經(jīng)AD采樣轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號。數(shù)字信號形式的fd經(jīng)數(shù)字濾波器組提純出。當(dāng)f1（t）與f2（t）時(shí)延對齊時(shí)，信號fd的能量達(dá)到最大值，在濾波器組輸出端可檢測到峰值，即相關(guān)峰值。當(dāng)沒檢測到相關(guān)峰值時(shí)，通過程控指令，實(shí)時(shí)遍歷延時(shí)器的時(shí)延量τ，直至檢測出相關(guān)峰值為止。此時(shí)讀出的τ值，即為f1（t）與f2（t）的時(shí)延差。其中，程控時(shí)延用程控聲表面波時(shí)延組件實(shí)現(xiàn)，乘法運(yùn)算用混頻器實(shí)現(xiàn)。

4．2．2 動(dòng)目標(biāo)提取

目標(biāo)徑向運(yùn)動(dòng)速度為v=1～20 m／s，則多普勒頻移（單位Hz）為

式中，v=1～20 m／s為艦船目標(biāo)徑向運(yùn)動(dòng)速度；c= 3×108m／s為光速；f=2 800 MHz為接收信號中心頻率。圖3所示帶通濾波器的通帶以fd的范圍設(shè)定，即BL=9.33～186.6 Hz。這樣，直達(dá)波和回波相乘后產(chǎn)生的直流分量、高頻雜波分量就抑制在帶外，我們需要的動(dòng)目標(biāo)信號fd由帶內(nèi)提出。

4．2．3 測距分辯力

由式（6），測距分辨力（單位m）為

計(jì)算表明，測距分辨力滿足1 m的要求。

5 實(shí)際回波和直達(dá)波計(jì)算

5．1 回波信號功率

目標(biāo)回波電平為

式中，接收天線有效面積Ar=ηA，A為天線孔徑面積，η為天線效率；σ為艦船有效反射面積；flux為太陽電磁輻射的流量密度；R為雷達(dá)最大距離。

5．2 接收系統(tǒng)噪聲

系統(tǒng)噪聲溫度（單位dBK）為

式中，天線等效噪溫Ta=100 K，接收機(jī)噪溫Te= 45 K，天線與低噪聲放大器之間的饋線損耗Lf= 1 dB，環(huán)境溫度T0=290 K。

系統(tǒng)噪聲譜密度（單位dBW／Hz）為

式中，波爾茲曼常數(shù)K=1.38×10-23K／J。

系統(tǒng)噪聲功率為

5．3 回波信噪比

經(jīng)過相關(guān)處理之后的信噪比（單位dB）為S／N=（S／N0）G=

式中，天線孔徑面積A=2×7.5=15 m2，天線效率η =0.55，艦船最大速度v=20 m／s，艦船有效反射面積σ=12.5 m2，在2 800 MHz頻率的太陽電磁輻射的流量密度flux=60×10-22W／m2／Hz，雷達(dá)最大作用距離R=30 km，非相關(guān)積累時(shí)間ti=10 s，信號帶寬B=400 MHz。

計(jì)算結(jié)果表明，回波接收信噪比滿足最大作用距離30 km的要求。

5．4 太陽直達(dá)波信噪比

輔助天線接收到的太陽直達(dá)波電平為

式中，Tt=140 K為接收系統(tǒng)總噪溫。

直達(dá)波信噪比（單位dB）為

計(jì)算結(jié)果表明，直達(dá)波接收信噪比滿足對太陽信號進(jìn)行接收跟蹤的的要求。

6 定位精度分析

“夸父”雷達(dá)的定位精度由系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差決定，其中，定位系統(tǒng)誤差主要由太陽的動(dòng)態(tài)位置測量決定。以太陽為發(fā)射站，太陽自身的位置坐標(biāo)自然就作為系統(tǒng)誤差引入。對太陽的精確位置坐標(biāo)的動(dòng)態(tài)測定，在“夸父”雷達(dá)體系中，由統(tǒng)一的作戰(zhàn)指揮中心完成并實(shí)時(shí)下發(fā)各個(gè)雷達(dá)站。對太陽精確定位需要結(jié)合天文解算、多站時(shí)差測距定軌等方法，技術(shù)成熟且自成體系，這里不再討論。

定位隨機(jī)誤差σl主要由徑向測距隨機(jī)誤差（徑向測距分辨力）σd和水平切向測距隨機(jī)誤差σ-組成。由于艦船目標(biāo)在海平面上，所以不考慮垂直方向的測距隨機(jī)誤差。而σ-又由最大偵測距離R和測角隨機(jī)誤差（測角分辨力）σα決定：

測距分辨力σd由信號處理帶寬B決定，見式（6）。

相控測角分辨力σα由天線口徑?jīng)Q定：

所以，定位隨機(jī)誤差σl=1.025 7 km。

7 結(jié)論

“夸父”雷達(dá)以太陽微波輻射源為發(fā)射站，對戰(zhàn)場目標(biāo)進(jìn)行無源偵察定位，可大大提高雷達(dá)的生存能力；以寬帶隨機(jī)信號作相關(guān)處理，大大提高了雷達(dá)的測距分辯力和抗干擾能力；但在夜間作戰(zhàn)方面還需進(jìn)一步探討。

“夸父”雷達(dá)以太陽輻射的微波隨機(jī)信號為雷達(dá)發(fā)射源，在白天可以正常工作，不受云、雨、霧、雪等氣象條件限制，但在夜晚或太陽在地平線以下時(shí)，就接收不到太陽直達(dá)波信號或目標(biāo)反射信號了。因此，若用于全天候?qū)崙?zhàn)，則有一定限制。為突破這個(gè)限制，需要進(jìn)一步研究，如以增加紅外探測系統(tǒng)來克服“夸父”雷達(dá)不能夜間工作的弱點(diǎn)。另一方面，“夸父”雷達(dá)也適用于科學(xué)研究和一定范圍的民用領(lǐng)域。

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HU Jin-dong was born in Xinyang，Henan Province，in 1969. He received the B.S.degree in 1991.He is now a senior engineer. His research interests include spacecraft TT＆C，satellite communication，and battlefield detection system.

Email：mathdreamer＠yahoo.com.cn

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《電訊技術(shù)》編輯部

Kuafu Battlefield Location Radar Technology Based on Solar Microwave Radiation

HU Jin-dong
（The 27th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation，Zhengzhou 450047，China）

The Kuafu passive location radar technology based on solar microwave radiant is studied to overcome the stealth capability defect of battlefield passive detection radar according to the principle of correlative function.The calculation result shows that the warship target detection distance of Kuafu radar is 30km by using a receiver system of vehicle-borne phased array antenna with 2m×7.5m aperture.Kuafu radar system is valuable for improving the stealth capability of battlefield radars，and can be applied to civilian radars for port and airport traffic control systems.

random signal radar；solar radiant；passive location；correlative function；ranging precision

TN953

A

10.3969／j.issn.1001-893x.2011.05.002

胡晉東（1969—），男，河南信陽人，1991獲工學(xué)學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)為高級工程師，主要研究方向?yàn)楹教鞙y控及衛(wèi)星地面應(yīng)用和戰(zhàn)場雷達(dá)偵察，曾獲“神舟”載人航天工程個(gè)人三等功，以及國防科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)和部級科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)。

1001-893X（2011）05-0006-05

2011-04-26；

2011-05-19