无源双基雷达技术发展

闫 萌

(中国电子科技集团公司第二十研究所,陕西 西安 710068)

【摘 要】主要论述了无源双基雷达技术的发展现状,阐述了无源双基雷达特点,并对其关键技术及未来发展方向相应论述。

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关键词 无源雷达;双基地;光电子

0 引言

常规雷达探测的主要作用机理在于:发射定向波束照射目标,利用所接收的目标回波进行相关脉压处理,进而实现对目标的跟踪、定位。但其大功率发射系统作为辐射源,若被敌方的侦察系统发现、定位就有被摧毁的风险。

无源雷达本质上是双(多)基地雷达。无源雷达的特征在于无需辐射电磁波,其工作机理在于利用外辐射源(包括照射雷达的发射信号、存在于空间的各种无线信号等)实现目标的探测、跟踪,故与常规雷达相比,具有优良的四抗能力和隐蔽性。此外,无源雷达无需配置发射机,可完成低成本的便携装备;无需考虑能量覆盖的设计,故不存在理论上的探测盲区。这些特性都使得无源雷达在现代电子战中占据重要地位,也是近年来雷达领域的研究热点频[1]。

1 无源雷达的特点

根据辐射源的不同,无源雷达可分为可见光无源探测(电视探测)雷达、无线电无源探测雷达和红外线无源探测雷达三种类型。这些无源雷达探测系统主要通过目标辐射的电磁能量、热能或反射的可见光能进行探测和定位。这些系统本身不辐射能量,因而不可能被敌方侦察和定位,从而无从实施干扰和攻击,这类雷达的弱点在于:容易受到无线电静默、云层、天气等气象条件影响[2]。

无源雷达主要通过将目标散射回波信号与外辐射源的直达波信号进行相关处理后得到目标信息,从而完成对目标的检测、定位和跟踪。所利用的外辐射源包括各种存在于空间的无线信号(如民用电视、广播、移动通信、GPS\WIFI等),隐蔽性和抗摧毁性能好。这些系统可以实现低成本网络布防、广阔覆盖、布设灵活等特点,并且低频段段外辐射源雷达还可实现反隐身、低空探测、抗“无线电静默”。其缺点在于:非合作发射信号带来的信号同步、杂波干扰等问题[3]。

2 无源雷达探测技术分析

无源雷达在现代化信息战场中具有巨大的潜力和优势,无源雷达在目标探测与电子对抗中的优势主要包括[4]:

2.1 抗电子侦察

没有发射机的无源雷达具有便携性、隐蔽性,难以被侦察;可利用多个外辐射源的信号作为发射信号,故敌方很难侦察无源雷达系统的功能参数。

2.2 抗干扰能力

一般来说,强方向性的后向干扰主要是瞄准发射机的,故该方式的干扰很难起到作用;若敌方采用宽频带的全方干扰,其信号功率密度和干扰效果便大打折扣。因此无源雷达具有抗有源压制干扰的能力。另外,对于无源雷达来说,有源欺骗干扰也不适用。

2.3 抗摧毁能力

无源雷达的接收机是无线电静默的,可以避免遭受导弹攻击;发射源是民用调频广播信号,电视广播信号,手机信号及卫星信号等等,覆盖比较广,遭受敌方攻击概率也比较小。因此无源雷达有较强的生存能力。

2.4 抗超低空突防

由于大部分民用电视、广播发射塔都比较高,或者建造在高山上,且低空辐射功率强,发射的信号有利于对低空目标进行探测和跟踪。

2.5 反隐身

一般来说,调频广播、电视等信号一般工作于P波段,故利用此类信号作为辐射源信号的无源雷达可以用于反隐身探测。这主要是由于隐身装备的吸波涂层和吸波材料频带较窄,主要应用于厘米波信号的吸收,而对米波信号的吸收能力较弱;此外,无源雷达属于多基雷达体制,另隐身装备无法在收发同一方向上完成对微波信号的吸收,故无源雷达在反隐身方面具备一定的优势[5]。

3 无源雷达探测关键技术

无源雷达探测系统的工作原理如图1所示。接收机主要包含两部接收天线,其中一部指向辐射源,主要用于接收发射机的直达波,从而为完成目标回波分相关处理提供参考信号;另一部用来接收目标散射回波信号。无源雷达探测的关键技术主要包含以下几点:

3.1 辐射源信号的分析与选择

由于直达波信号的模糊函数特性决定了多普勒分辨力、距离分辨力、旁瓣水平以及模糊间隔,故无源雷达的设计首先要选择、确定其辐射源的直达波信号。典型的辐射源信号的模糊函数应近似于理想的“图钉型”,即在多普勒和距离的二维域上没有较高的旁瓣电平,常用的辐射源信号如表1所示。这些信号的调制模式固定,无法同时满足无源雷达对辐射源信号的要求。另一方面,为提高系统对目标的跟踪精度,需增加辐射源的个数,在选择数个辐射源时,需要综合考虑辐射功率、空间布局和瞬时带宽等。

3.2 信号同步技术

为了使无源雷达探测系统发挥其优越的探测性能,必须使系统与辐射源信号特征实现同步和匹配。而对实际的探测系统而言,设计者往往只能获知辐射源信号波形的某些参数,其余参数需通过估计得到。在无源雷达探测系统实际工作时,首先需经过频率搜索和空域滤波获得直达波的信息,再利用以上获得的频率信息和发射脉冲实现频率同步和时间同步,最后通过天线波束形成完成空域同步。

3.3 直达波信号的提取技术

无源雷达探测系统中通常设置参考信道,其接收天线直接指向辐射源发射站。参考信道所接收的直达波信号的作用主要有三个方面:侦察信道所接收到的目标回波信号中含有大量的直达波信号,一般情况下,其功率大于杂波功率,应采用对消算法去除直达波信号,因此需要纯净的直达波信号作为自适应对消算法的参考信号;目标回波信号中含有功率较强的杂波信号;采用对消算法去除杂波的过程中同样需要直达波信号作为参考信号直达波信号为空时二维相关检测提供参考信号。

然而,在传输过程中多径杂波必然会混入直达波中,因此需要有效抑制多径干扰。目前提取直达波的方法有空间投影法和盲均衡法。空间投影法是通过将参考信道的接收信号投影到与多径杂波正交的子空间上,达到提取直达波信号的目的。这种提取直达波信号的方法缺点在于计算量大。盲均衡法主要依据辐射源波形所具有的恒模特性实现对直达波信号的提取。这种方法简单且利于实现,缺点是性能有待进一步提高。

3.4 微弱信号的检测技术

无源雷达探测系统中的目标信号检测是通过相关处理(即匹配滤波)来实现的,其过程为:在最大限度的抑制杂波后,为了进一步提高检测性能,需要采用长时间相干积累技术以达到有效检测所需的信噪比和信杂比。此外,研究者们针对目标回波信号的特征,提出了基于循环相关谱的检测技术。然而,所有尝试对弱信号检测技术的发展所做的贡献十分有限,使得微弱信号检测技术的发展缓慢。

3.5 参数估计技术

在检测到观测区域中的目标后,需要估计目标的距离、空间位置和速度等参数。参数估计的原理如下:主要通过回波信号的时延估计距离,由目标回波的到达角估计空间位置,由信号的多普勒频移估计速度。目标到达角的估计技术由基于幅度和相位估计的方法发展到基于空间谱估计的方法。现阶段主流的时延估计方法主要包括:基于高阶统计量的方法、时频分析法、广义互相关法和基于循环谱分析的方法。近几年,融合多维域和多种特征的处理方式逐渐成为热点,通过多维信息综合处理的方式可以大大提高参数估计的精确度。

4 无源雷达探测系统新技术

现阶段无源雷达探测系统的研究工作已取得了一定成果,但这一技术领域中的许多新技术尚有待大家进一步开发。

4.1 多频段辐射源的融合

辐射源信号和接收信道的时变特性使得目标检测过程同样具备时变特性。为增加检测鲁棒性、克服目标检测的不确定性,未来可采用多频段辐射源协同探测的方式,利用多频段的探测结果,进行参数融合等信号处理,从而得到完整而准确的目标特性信息,实现对目标的精确探测。

4.2 杂波建模与杂波抑制

侦察信道所接收的微弱目标回波信号通常被强地、海杂波所淹没。现有的去杂波算法主要针对不具有多普勒频移特性的地、海杂波,而实际的地、海杂波情况更为复杂。未来可采用空时二维自适应滤波等更为先进的算法来解决此类问题。

4.3 参数估计

参数估计的精度直接决定了目标定位的精度。而采用多信号进行目标定位或多目标的定位问题更为复杂,在实际目标探测中还需实现时延、方位和多普勒频移等参数间的匹配。现阶段主要存在两种解决方法匹配算法和参数联合估计法。前者首先通过单参数估计算法得到目标回波的参数,而后再选择适当的匹配算法实现目标回波多参数之间的匹配。然而匹配算法需要在较高的信噪比下实现,故该算法的实用性不强。而后者可同时得到目标多个特性参数的估计值,故可有效实现目标的精确定位,具有广阔的应用前景。

4.4 无源定位技术

目前主要有如下几种基本定位算法包含椭圆定位法、双曲线定位法等。然而在不同的信道条件下,各定位参数的测量值表现出不同的误差特性,因此采用的定位算法具有不同的性能。在实际应用过程中每种算法都各有利弊,仅依赖单一定位算法几乎不可能取得最优定位性能。此时,混合定位方法应运而生。利用多种定位方法进行组合定位可吸收不同定位方法的优点,利用多种定位信息,提高了信息的饱和度,这是定位研究的新趋势。

5 总结

无源雷达探测系统利用外辐射源(包括照射雷达的发射信号、存在于空间的各种无线信号等)的信号,将目标散射回波信号与外辐射源的直达波信号进行相关处理后得到目标信息,从而完成对目标的检测、定位和跟踪。此类雷达具有优良的四抗能力和隐蔽性;无需配置发射机,可完成低成本的便携装备;无需考虑能量覆盖的设计,故不存在理论上的探测盲区。发展新体制多基地无源探测雷达,适应未来战场的信息探测需求,已成为我国军工发展的必然趋势。

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参考文献

[1]吴曼青.数字阵列雷达及其进展[J].中国电子科学研究院学报,2006(1):11-16.

[2]张祖稷,金林,束咸荣.雷达天线技术[M].北京:电子工业出版社,2005.

[3]王党卫,王少刚,关鑫璞.超宽带雷达及目标识别技术研究发展[J].空军雷达学院学报,2007,21(3):157-164.

[4]方棉佳,田波,冯存前.超宽带新体制雷达的军事应用潜力及局限[J].电子对抗,2002,17(6):8-11,2008.

[5]张锡祥.新体制雷达的对抗与发展及其干扰统一方程[C]//航天电子信息配套发展战略论坛论文集.2005.

[责任编辑:刘展]

浏览次数:  更新时间:2015-09-23 19:32:15
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