一種利用運動外輻射源的無源探測處理方法

王 燁，楊金超

(1.海軍裝備部，四川 成都 610036； 2.西南電子設(shè)備研究所，四川 成都 610036)

0 引 言

基于外輻射源的無源探測定位(PCL)技術(shù)(也稱外輻射源探測技術(shù))是指利用非合作輻射源信號，從接收到的目標對輻射信號的散射回波中提取目標信息，實現(xiàn)對目標的探測定位?；诜呛献鬏椛湓吹臒o源探測系統(tǒng)具有隱蔽性好、戰(zhàn)場生存力強和成本低等諸多優(yōu)勢，相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)研究和應(yīng)用受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。以洛克希德·馬丁公司的“沉默哨兵”系統(tǒng)為典型代表，基于調(diào)頻廣播信號、數(shù)字電視廣播(DVB-T，DTMB)的無源探測定位系統(tǒng)[1-3]的研究已趨于成熟。

近年來，基于運動平臺的無源探測定位成為該體制無源探測技術(shù)的一個重要發(fā)展方向。國外的華沙工業(yè)大學(xué)(WUT)，英國倫敦大學(xué)學(xué)院(UCL)和新加坡南洋理工大學(xué)(NTU)在這一領(lǐng)域展開了相關(guān)工作，并基于機載或車載平臺開展了試驗驗證，取得了一些有價值的成果[4-6]。

本文主要針對該體制利用運動外輻射源，介紹了外輻射源探測技術(shù)的定位原理以及性能評估方法，分析了利用運動外輻射源實現(xiàn)無源探測定位與傳統(tǒng)基于靜態(tài)輻射源的無源探測的主要區(qū)別，提出了利用運動外輻射源的信號處理方法，并通過仿真試驗，驗證了所提方法的有效性。

1 定位原理

外輻射源探測技術(shù)是通過接收的非合作照射源直達信號與目標對照射信號的散射回波的互相關(guān)輸出結(jié)果來檢測目標，得到目標對應(yīng)的時間延遲、多普勒頻移等信息，再利用測向?qū)δ繕藢崿F(xiàn)無源定位和跟蹤?；诶眠\動外輻射源的無源探測的原理如圖1所示，此時，外輻射源可以在運動的車輛或者飛行平臺上進行輻射。

圖1 定位原理

由圖1可知，針對每一節(jié)拍的處理，運動外輻射源持續(xù)照射目標，對于每一節(jié)拍的定位處理可以采用1個時差橢圓與1條側(cè)向線交叉的方式實現(xiàn)對目標位置信息的獲取。

對于每一個節(jié)拍的處理，雙基地雷達方程[1]同樣適用，系統(tǒng)接收到的目標回波的信號功率如下：

(1)

可評估在運動輻射源等效發(fā)射功率PER為15 kW，信號頻率f為500 MHz，σ為民航飛機RCS取10 m2，接收增益GR為22 dB，損耗L為3 dB，利用此運動外輻射源，在系統(tǒng)靈敏度Smin為-148 dBm/8 MHz時，對目標的作用距離可達150 km以上。

2 方法研究

由上一章節(jié)的介紹可知，傳統(tǒng)外輻射源探測的基本原理以及性能評估方法同樣適用于利用運動的外輻射源，但是由于外輻射源由靜止狀態(tài)變?yōu)榱诉\動狀態(tài)，傳統(tǒng)的處理方法不再完全適用，需要針對運動外輻射源的新狀態(tài)，研究適應(yīng)性方法。

這其中最重要的區(qū)別在于，對于靜止外輻射源，靜止地物雜波的多普勒為零，容易與多普勒不為零的運動目標區(qū)分，從而通過雜波抑制，實現(xiàn)目標檢測。而對于運動外輻射源，由于運動輻射源的運動狀態(tài)的變化，靜止的地物雜波的多普勒不再為零，傳統(tǒng)針對靜止雜波的對消方法不再適用。本文提出基于雜波預(yù)測的逐級聯(lián)合對消方法實現(xiàn)對運動雜波的有效抑制，其處理流程如圖2所示。

圖2 處理流程

圖2中，回波信號包含了強雜波以及有用的微弱目標信號，通過利用參考信號進行逐級聯(lián)合對消得到對消后的回波信號。此時，影響微弱目標檢測的大部分雜波可被有效抑制。此后，對消后回波信號與參考信號進行二維相關(guān)處理，然后利用相關(guān)結(jié)果進行目標檢測，數(shù)據(jù)處理部分可對剩余雜波進一步抑制，最后呈現(xiàn)目標航跡結(jié)果。

與傳統(tǒng)的利用靜態(tài)外輻射源無源探測系統(tǒng)信號處理不同，為了利用運動外輻射源，信號處理流程增加了基于場景的雜波預(yù)測，并改進了傳統(tǒng)雜波對消方法，傳統(tǒng)抑制靜態(tài)雜波的對消方法替換為基于雜波預(yù)測的逐級聯(lián)合對消方法。

在本文的應(yīng)用場景中，固定的無源接收節(jié)點位置已知，可根據(jù)運動外輻射源的位置、運動狀態(tài)，結(jié)合簡單的環(huán)境地形地貌信息，根據(jù)電磁波散射與傳統(tǒng)特性，對于確定的地物散射點，其時間延遲、多普勒等參數(shù)可通過計算獲得?；趫鼍暗碾s波預(yù)測結(jié)果可指導(dǎo)后續(xù)的雜波對消處理，逐級聯(lián)合對消雜波預(yù)測信號，實現(xiàn)雜波的聯(lián)合對消處理，從而實現(xiàn)動雜波的有效抑制。

3 仿真結(jié)果

仿真場景如圖3所示。

圖3 信號同步輸出結(jié)果

仿真場景中，圓圈表示無源接收節(jié)點，其設(shè)置位于坐標系的中心原點處，其運動狀態(tài)為靜止狀態(tài)；星型符號表示輻射源，位置在圖3坐標系中[25 km，-25 km，2 km]，其運動狀態(tài)為[-200 m/s，0 m/s，0 m/s]；實心點表示地物雜波所在位置，其運動狀態(tài)設(shè)定為靜止狀態(tài)。

基于簡單的環(huán)境地形地貌信息，根據(jù)運動輻射源的位置、運動狀態(tài)以及無源接收系統(tǒng)的位置，可對地物雜波在距離-多普勒維度的分布特性進行預(yù)測計算。如圖4所示，給出了在圖3特定場景下地物雜波的分布特性。由圖3可知，該場景下，雜波分布在較為確定的多普勒-時延位置，且分布與所處角度相關(guān)。

圖4 地物雜波分布特性

首先，本文給出傳統(tǒng)對消的處理結(jié)果作為對比，如圖5所示。圖中灰色部分為處理前信號頻譜，黑色部分為處理后信號頻譜，對消后對消比18.81 dB(對消比定義為對消前信號能量減去對消后信號能量)。由圖5可知，對消后還有一定的雜波剩余將影響微弱目標的檢測。

圖5 傳統(tǒng)方法對消比

針對預(yù)測的地物雜波距離-多普勒維度的分布特性，設(shè)置級聯(lián)綜合對消得相應(yīng)參數(shù)，本文所提基于雜波預(yù)測的逐級聯(lián)合對消處理結(jié)果如圖6所示，此時對消比提高到23.78 dB，同樣，灰色部分為處理前信號頻譜，黑色部分為處理后信號頻譜，對比圖5，對消比提高了4.97 dB，對消后信號更為平坦，可見雜波基本已經(jīng)對消干凈。

圖6 所提方法對消比

二維相關(guān)后目標檢測維度的結(jié)果如圖7所示(該仿真數(shù)據(jù)中加入了1個目標信號)。由圖7可知，經(jīng)本文所提方法處理后，二維相關(guān)結(jié)果中目標清晰可見，可實現(xiàn)目標的檢測。

圖7 目標探測結(jié)果

4 結(jié)束語

本文首先介紹了利用外輻射源照射的無源探測定位的基本概念、基本原理以及外輻射源探測向運動平臺發(fā)展的趨勢，然后重點論述了利用運動外輻射源的應(yīng)用場景，詳細介紹了基于雜波預(yù)測的逐級聯(lián)合對消實現(xiàn)目標檢測的信號處理流程。本文利用仿真數(shù)據(jù)通過信號處理新方法實現(xiàn)微弱目標檢測，驗證了在運動外輻射源應(yīng)用場景下，所提信號處理方法的適用性和有效性，從而為在實際環(huán)境中實現(xiàn)該應(yīng)用場景下的目標探測和定位奠定了基礎(chǔ)。