無源雷達(dá)信號(hào)處理及定位系統(tǒng)研究

李斌　胡可生

【摘 要】無源雷達(dá)作為一種新體制現(xiàn)代雷達(dá)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)隱身目標(biāo)的探測與定位，在復(fù)雜的電磁信號(hào)環(huán)境中具有超強(qiáng)生存能力，本文介紹了無源雷達(dá)信息處理流程，分析了無源雷達(dá)的多站、單站定位原理進(jìn)行，并對(duì)無源雷達(dá)定位系統(tǒng)未來發(fā)展趨勢(shì)做了論述。

【關(guān)鍵詞】無源雷達(dá)；信號(hào)處理；目標(biāo)定位；單站無源定位

Research on Information Processing and Location Technology of Passive Radar

LI Bin HU Ke-sheng

（NO.91604 Troops of PLA， Longkou Shandong 265700， China）

【Abstract】As a new kind of modern radar system，passive radar can locat the stealth target，and has strong survival ability in a complex electromagnetic signal environment. This paper introduces the information processing of passive radar，and analyzes the positioning principle of multistation and single station， and discusses the development trend in the future of passive radar.

【Key words】Passive radar； Signal processing； Target lacation； Single observer passive location

0 引言

雷達(dá)可對(duì)空中目標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)探測、識(shí)別和定位跟蹤，能夠準(zhǔn)確實(shí)時(shí)地提供空中情報(bào)，在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中掌握制空權(quán)[1]。無源雷達(dá)被動(dòng)接受目標(biāo)自身輻射的電磁信號(hào)或目標(biāo)反射的非協(xié)作輻射源的信號(hào)，較有源雷達(dá)隱蔽性好，反偵察能力較強(qiáng)，并可將敵方的干擾信號(hào)作為探測信號(hào)，對(duì)干擾源予以定位并反擊。同時(shí)，因?yàn)闊o源雷達(dá)通過捕獲目標(biāo)的輻射源信號(hào)進(jìn)行探測，所以對(duì)隱身目標(biāo)的探測定位與普通目標(biāo)沒有本質(zhì)區(qū)別，能夠?qū)﹄[形目標(biāo)進(jìn)行精準(zhǔn)定位[2]。此外，無源雷達(dá)不受地雜波、海雜波等雜波影響，具有超強(qiáng)的低空探測能力，電磁波單程傳輸可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離探測。

無源雷達(dá)因具備以上的優(yōu)勢(shì)，在現(xiàn)代電子戰(zhàn)、信息站中能發(fā)揮關(guān)鍵作用[3]，使得各國競相研制，例如捷克ERA公司的維拉系列雷達(dá)、以色列IAI公司的EL-L8300G雷達(dá)、俄羅斯的“卡爾秋塔”雷達(dá)、英國Roke Manor公司的“蜂窩”雷達(dá)系統(tǒng)以及美國的“沉默哨兵”雷達(dá)系統(tǒng)，我國也研發(fā)出擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的“DWL002”被動(dòng)探測雷達(dá)系統(tǒng)、“YLC-20”雙站無源雷達(dá)系統(tǒng)等無源雷達(dá)探測系統(tǒng)。

1 無源雷達(dá)系統(tǒng)及信息處理

根據(jù)探測機(jī)理，無源雷達(dá)系統(tǒng)分為基于目標(biāo)本身輻射源的無源雷達(dá)和基于外輻射源的無源雷達(dá)這兩類[4]。

基于目標(biāo)本身輻射源的無源雷達(dá)在電子偵察系統(tǒng)的基礎(chǔ)上結(jié)合點(diǎn)跡相關(guān)、航跡相關(guān)技術(shù)最終實(shí)現(xiàn)提供目標(biāo)航跡信息的目的，對(duì)目標(biāo)進(jìn)行定位和跟蹤，例如維拉系列雷達(dá)，主要利用目標(biāo)本身的通信電臺(tái)、有源干擾等電子設(shè)備輻射的電磁波實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的探測定位，探測模式：一個(gè)中心站和兩個(gè)邊站（若進(jìn)行三維坐標(biāo)定位需要3個(gè)邊站），站站間距10km-50km，觀測目標(biāo)的同一輻射信號(hào)至各站的時(shí)間參數(shù)和角度參數(shù)，通過目標(biāo)與三站的幾何關(guān)系得到目標(biāo)的二維或三維坐標(biāo)。

基于外源輻射的無源雷達(dá)主要捕獲目標(biāo)反射FM廣播、數(shù)字電視、通信信號(hào)和全球定位系統(tǒng)等外輻射源的信號(hào)，可精確地完成全天候?qū)疹A(yù)警，這類無源雷達(dá)系統(tǒng)接受的信號(hào)成分較前一類更為復(fù)雜，包括目標(biāo)反射信號(hào)、背景干擾信號(hào)和輻射源直達(dá)信號(hào)，并利用直達(dá)信號(hào)作為參考信號(hào)進(jìn)行目標(biāo)的定位與跟蹤，例如美國的“沉默哨兵”雷達(dá)系統(tǒng)，這種無源雷達(dá)系統(tǒng)由近距離配置的一個(gè)主站和一個(gè)輔站組成（如圖1）[5]。

2 目標(biāo)定位

無源雷達(dá)系統(tǒng)被動(dòng)的接收目標(biāo)輻射、反射的電磁波信號(hào)，并測量信號(hào)的角度參數(shù)、時(shí)間參數(shù)和頻率參數(shù)等對(duì)目標(biāo)實(shí)現(xiàn)定位，本文從幾何角度對(duì)多站定位技術(shù)和單站定位技術(shù)展開討論。[7]

2.1 測向交叉多站無源定位

利用兩個(gè)或兩各以上觀測站觀測的高精度方位角和俯仰角參數(shù)以及觀測站間距，經(jīng)過幾何運(yùn)算來確定目標(biāo)空間位置（由于兩站觀測因天線副瓣接收問題易形成虛假定位點(diǎn)，實(shí)際中多采用三站或以上側(cè)向交叉定位），見圖2[8]。

本文以三站為例，令目標(biāo)的空間坐標(biāo)為（Xm，Ym，Zm），觀測站的空間坐標(biāo)分別為（Xi，Yi，Zi），i=1，2，3，則可得關(guān)系式（式中Ri為目標(biāo)至i觀測站的斜距；σi和θi分別為目標(biāo)到底i個(gè)觀測站的俯仰角和方位角）：

當(dāng)測得角度參數(shù)和觀測站自身位置參數(shù)就可以通過測向交叉法獲得目標(biāo)空間為位置，在雷達(dá)部署方面多采用三角部署方式，這種部署誤差分布均勻?qū)ΨQ，有利于目標(biāo)的定位，影響測向交叉定位精度的主要因素是測角精度和布站距離，各站各側(cè)向精度愈高，站間距離愈遠(yuǎn)，定位精度愈高，最新的干涉儀測角精度在1°以內(nèi)，我軍的C3I、C4I系統(tǒng)建設(shè)可較好地滿足布站距離的要求。

2.2 多站時(shí)差無源定位

通過處理三個(gè)或更多個(gè)觀測站采集到的信號(hào)到達(dá)時(shí)間測量數(shù)據(jù)來求解目標(biāo)的位置坐標(biāo)，定位精度高、速度快[9]。

對(duì)于二維平面內(nèi)的目標(biāo)利用3個(gè)觀測站即可進(jìn)行定位，而對(duì)空間目標(biāo)的三維精確定位則需4個(gè)觀測站，當(dāng)采用四站定位時(shí)，一個(gè)中心站接收空間輻射的脈沖信號(hào)，同時(shí)為其它三個(gè)邊站提供同步信號(hào)，3個(gè)邊站收到的脈沖信號(hào)再傳給中心站，則形成三條基線，這三條基線分別對(duì)應(yīng)三對(duì)雙曲面，這三對(duì)雙曲面相交于一點(diǎn)，即為目標(biāo)的空間位置，但是有時(shí)這些雙曲線獲雙曲面會(huì)產(chǎn)生多個(gè)交點(diǎn)或沒有交點(diǎn)，因此時(shí)差定位會(huì)存在模糊和無解現(xiàn)象。

四站時(shí)差定位系統(tǒng)中，為了減小地面反射的影響和擴(kuò)大視野，四站可布署在海拔較高的地方，為了提高定位精度，四站可采用對(duì)稱布局，一般有Y型和T型兩種布站方式（如圖3）。

圖3 多站時(shí)差定位系統(tǒng)布站方式圖

2.3 基于多參數(shù)聯(lián)合的多站定位

測向交叉定位方法較難實(shí)現(xiàn)精確定位，時(shí)差定位的雖然定位精度高但定位模糊，隨后發(fā)現(xiàn)基于多參數(shù)聯(lián)合的多站定位方法來對(duì)目標(biāo)進(jìn)行定位，可實(shí)現(xiàn)不模糊、精度高等優(yōu)點(diǎn)，逐漸成為新的研究熱點(diǎn)[10]。基于多參數(shù)聯(lián)合的多站定位方法主要通過兩個(gè)或多個(gè)測量站獲得目標(biāo)源多種參數(shù)進(jìn)行定位，如角度—時(shí)差聯(lián)合定位、時(shí)差—多普勒頻差聯(lián)合定位以及角度—多普勒頻差聯(lián)合定位等。

2.4 單站無源定位

單站無源系統(tǒng)相較于多站系統(tǒng)，靈活性好，擺脫了站間的數(shù)據(jù)同步和通信傳輸，只憑借一個(gè)觀測平臺(tái)，對(duì)與之有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)進(jìn)行連續(xù)的參數(shù)測量，然后利用獲取的多組參數(shù)聯(lián)合求解得到目標(biāo)的三維空間位置，實(shí)現(xiàn)對(duì)固定或運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的快速高精度定位[11]。

近年來，多普勒頻移變化率定位、相位差變化率定位和角度變化率定位成為單站無源定位研究的熱點(diǎn)，其中相位差變化率定位方法僅適用于已知高度目標(biāo)的定位，多普勒頻移變化定位方法通過變化可得到角度變化率定位方法，因此本文重點(diǎn)分析多普勒頻移變化率定位方法，其觀測模型如圖3所示。

圖4 單站無源定位-多普勒頻率變化率定位法圖

多普勒頻率變化率定位法主要利用觀測目標(biāo)信號(hào)的多普勒頻率變化率參數(shù)來實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的定位，假設(shè)無源雷達(dá)位于坐標(biāo)原點(diǎn)，目標(biāo)位于（Xm，Ym，Zm）處，以徑向速度V相對(duì)于無源雷達(dá)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，其俯仰角和水平角分別為φ、θ，則可得到如下關(guān)系：

通過上述推導(dǎo)可知，當(dāng)測得目標(biāo)多普勒頻率變化率、方位角變化率、俯仰角變化率后，即可實(shí)現(xiàn)目標(biāo)定位，但為了減小定位誤差獲得高精度目標(biāo)定位，還需多測觀測和濾波處理。利用多普勒頻率變化率作為測量，是一種快速高精度的單站無源定位技術(shù)，高測量精度是該定位技術(shù)的關(guān)鍵，若各測量量的測量精度滿足要求，則可以在很短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到較高的測距精度[12]。當(dāng)受輻射源限制時(shí)，觀測器采樣率很低，依然可以通過較少的測量次數(shù)達(dá)到較高的測距精度。

3 定位系統(tǒng)未來發(fā)展趨勢(shì)

在復(fù)雜電磁環(huán)境下仍具預(yù)警探測、精準(zhǔn)定位、遠(yuǎn)程打擊等性能是雷達(dá)系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)，目前無源雷達(dá)存在定位精度較有源雷達(dá)低、微弱目標(biāo)檢測低效等問題仍存[13]?，F(xiàn)提出以下幾種建議，以求最大化無源雷達(dá)優(yōu)勢(shì)，建立高效防空、情報(bào)系統(tǒng)。

1）拓展外輻射源信號(hào)種類。隨著多種衛(wèi)星信號(hào)和其他輻射源信號(hào)的利用，可針對(duì)性研究各種輻射源信號(hào)，擴(kuò)展可供無源雷達(dá)利用的外輻射源種類。

2）建立無源雷達(dá)監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)。不同的輻射源信號(hào)使用不同的頻段，同時(shí)同一目標(biāo)在不同頻段顯示出的雷達(dá)特性各異，可以將不同平臺(tái)的無源雷達(dá)進(jìn)行組網(wǎng)，建立起一個(gè)龐大的無源監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)，提高目標(biāo)定位的精準(zhǔn)度。

3）無源探測與有源探測互補(bǔ)。無源雷達(dá)無法探測保持無線電靜默的目標(biāo)，因此將無源雷達(dá)與有源雷達(dá)結(jié)合使用、互為補(bǔ)充，以多基方式合理布設(shè)無源雷達(dá)和有源雷達(dá)，組建高效、可靠的防空情報(bào)系統(tǒng)，這樣既提高了無源雷達(dá)的利用率，又增強(qiáng)了有源雷達(dá)的隱蔽性和生存能力。

4）研發(fā)機(jī)載和航載無源雷達(dá)。對(duì)于機(jī)載無源雷達(dá)利用三架或四架飛機(jī)進(jìn)行時(shí)差聯(lián)合定位，而艦載無源雷達(dá)采用短基線定位技術(shù)，而艦隊(duì)則可設(shè)計(jì)成長基線無源定位系統(tǒng)以獲取高精度目標(biāo)定位。

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