基于遠程預警雷達的臨近空間無源相干定位系統

薄 超，吳 昊，李文魁

(中國航天科工集團8511研究所，江蘇 南京 210007)

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基于遠程預警雷達的臨近空間無源相干定位系統

薄 超，吳 昊，李文魁

(中國航天科工集團8511研究所，江蘇 南京 210007)

針對空中高價值隱身目標的探測問題，研究了基于遠程預警雷達的臨近空間無源相干定位技術。對目標探測距離進行了簡單分析計算，給出了系統工作信號處理流程，對其中的主要關鍵技術進行了梳理。該技術可應用于無線電靜默狀態下的非協同探測定位系統項目，通過與電子偵察系統多傳感器融合可以進一步完善防空體系無源探測網，完成對偵察目標在電子靜默情況下的態勢判斷。

無源相干定位；遠程預警雷達；臨近空間

0 引言

戰爭中，當敵方雷達靜默關機時，電子偵察設備將無法偵收雷達輻射源，進而導致偵察系統對目標態勢監視的失敗，這會極大影響武器效能的發揮，從而對防御電子系統造成破壞。而空基無源相干定位系統可以提供大的監視范圍和監視海空中大型目標，對機載系統不能進入的地區進行覆蓋，完成預警、遙感、控制、空間探索等任務，目前已受到廣泛關注。因此開展空基對空大型目標(預警機、反潛機)進行非協同偵察探測具有較大應用價值。無源相干定位系統是一種利用第三方發射的電磁信號探測目標的雙/多基地定位系統，該體制定位系統本身不發射能量，而是被動地接收目標反射的非協同式輻射源的電磁信號，對目標進行定位和跟蹤。無源相干定位系統具有較多優點，主要有：1)無輻射和無需頻率分配；2)反隱身和低空探測能力強；3)研發和維護成本低、易于部署。

近幾十年來，利用廣播電視、通訊基站、導航和通信衛星、無線局域網絡等機會照射源的無源相干定位系統逐漸受到人們的重視并成為新型探測技術的研究重點[1-3]。國內外已成功研制了多種試驗系統，獲得了大量實測數據，無源相干定位系統的基礎理論與關鍵技術已取得了突破性進展，其中典型的無源相干定位系統有洛克希德·馬丁公司研制的“沉默哨兵”和法國Thales公司研制的HA100等。但上述系統中外輻射源的發射功率相對較低，信號處理時間長，且不利于無源相干定位系統的遠程目標探測，從而考慮選用發射功率較大的遠程預警雷達作為外輻射源，浮空器作為接收站。遠程預警雷達的發射信號具有較好的模糊函數、較大的發射功率和較寬的信號帶寬，可使無源相干定位系統具有更好的距離和多普勒分辨率，而浮空器的視距較遠，從而延長探測系統的預警時間。因此本文對基于遠程預警雷達的臨近空間無源相干定位系統及關鍵技術進行了研究，為其工程應用提供了理論基礎。

1 探測原理和功率分析

1.1 探測原理

基于遠程預警雷達的臨近空間無源相干定位系統原理如圖1所示，RT為外輻射源與目標之間的距離，RR為目標到無源相干定位系統的距離，L為雙基地距離。遠程預警雷達和浮空器分別作為輻射源和接收站，采用相干檢測技術對目標回波進行處理，從而實現目標探測。本系統采用基于外輻射源的單站測角定位體制，目標探測時，預警雷達和浮空器的位置信息可分別通過情報注入和導航自定位獲取，即外輻射源到無源相干定位系統的距離L已知；通常遠程預警雷達的信號發射功率較大，目標回波信號功率亦較強，因此可選DBF體制，方位向用比幅測角方法計算目標回波方向和直達波方向，從而計算出L與RR間的夾角，與此同時，直達波與目標反射波進行相關處理后可得RT+RR，進而根據三角計算公式可求得目標所在位置。

圖1 基于遠程預警雷達的臨近空間無源相干定位系統原理圖

1.2 功率分析

以AN/FPS-115“鋪路爪”陸基預警雷達[4]為代表進行功率分析。由雙基地無源相干定位系統方程可得：

(1)

式中，PT=582.4 kW為外輻射源的發射功率；GT=42.5 dB為外輻射源天線功率增益；GR為無源相干定位系統天線的增益；λ=0.7m為信號波長(根據雷達工作頻段計算)；σ=100m2為目標的雙基地雷達截面積(典型空中目標)；k為波爾茲曼常數；T0為標準溫度；Bn=5MHz為接收機帶寬(跟蹤模式情況下的帶寬)；(S/N)min=10dB為最小可檢測信噪比(目標檢測概率大于99%)；Fn為接收機噪聲系數；Ls=2 dB為電纜損耗。通過上述數據計算可得GR=31.7dB。

利用預警雷達在不同模式下接收天線增益統計值如表1所示，表中顯示在跟蹤模式和群分辨模式天線增益相對較大，不利于工程實現，但可通過信號處理方式延長相干處理時間獲取積累增益來減小天線尺寸。信號積累增益公式可近似為：

g=n1/2Bnτ

(2)

式中,n表示脈沖數，τ表示脈沖時寬。

表1 利用預警雷達作為外輻射源接收天線增益統計

2 無源相干定位系統信號處理流程及關鍵技術

2.1 信號處理流程

遠程預警雷達的發射信號屬于非合作信號，它的信號參數具有較強的隨機性，因此必須采用復雜的信號處理技術才能得到較好的檢測效果。無源相干定位系統目標檢測采用相關處理技術，在接收系統中設置2個通道：參考通道和監測通道，分別用來接收參考信號和目標反射信號；通過此兩通道的互相關模糊函數計算獲取距離-多普勒譜，從而實現目標檢測和跟蹤，具體的信號處理流程如圖2所示。

由于該系統工作模式與傳統雷達有所不同，因此其信號處理有自身的一些特點：

1)在參考信道中，如何獲得良好的相干參考信號和確切的直達波方向是實現相干檢測和定位的關鍵。浮空器的位置可通過導航信息獲取，輻射源位置可通過情報偵察獲取，進而采用指向性的接收天線獲取相干參考信號。上述方法容易實現，但輻射源信號波形具有隨機性，浮空器在空中亦是運動的，參考信號中可能存在干擾和多徑信號，因此需要利用復雜的信號處理技術對干擾和多徑信號進行抑制和消除，以獲取純度較高的參考信號。

2)在目標信道中，如何獲取目標回波方向、抑制直達波以及如何在強干擾下進行小目標檢測也是實現相干檢測的關鍵。由于遠程預警雷達發射天線具有方向性，通常目標回波信號是雷達旁瓣信號，為了提高目標回波的信噪比，目標接收天線主波束亦應指向目標方向。由于空間傳播的多徑效應使得雜波較強，因此，在目標信道中除了微弱的目標信號外，還混雜有較強的直達波信號(通常直達波比目標反射信號強 80dB 以上[5])、地物反射信號和多徑信號等雜波，這就決定了接收機實際收到的目標回波信號遠小于雜波。

3)通常目標反射信號滯后于相干參考信號，為了得到多個距離通道，可采用遲延-多普勒匹配濾波的處理方法(距離-多普勒方法)。距離-多普勒處理采用相關和FFT運算，然后將數據傳至恒虛警率檢測部分以得到目標的距離和多普勒信息。之后就可以依據距離、多普勒等測量信息，利用數據處理方法對運動目標進行定位與跟蹤。

4)恒虛警率檢測是無源探測系統中信號處理的重要組成部分。在目標檢測中，門限值恒定時，虛警概率隨雜波平均功率的增長而急劇增加，從而導致數據處理設備過載，不能做出正確的判決，所以保持恒定的虛警概率有很大的實際意義[6]。此外，為了提高對動目標的檢測能力，需要較高的積累增益，即進行長時間相關積累處理。

圖2 無源探測系統的信號處理流程圖

2.2 關鍵技術

由上述信號處理流程可知，外輻射源雷達信號處理的關鍵技術歸納起來有以下幾個方面：

1)目標信道中直達波、地雜波及多徑雜波的抑制。

在目標信道中目標回波與雜波的功率強度差異通常為60～140dB[7]，目標回波和雜波經相干匹配濾波后具有很強的距離-多普勒主峰和副瓣，這些副瓣會把弱目標回波信號淹沒，故需要對接收信號進行雜波抑制才能檢測到目標。雜波抑制的方法很多，比如合理的天線設計、接收端地形選擇、系統配置和信號處理等手段，并結合較好的通道特性設計來減弱直達波、地雜波和多徑雜波的相消剩余對目標探測的影響。關于雜波抑制的研究可參考文獻[8]。

2)參考信道中多徑雜波及地雜波的抑制(直達波提純)。

無源探測系統通過附加的接收天線來獲得參考信號，該方法雖然易于實現，但信號在空間傳輸時會產生多徑現象，致使獲得的直達波信號不純，進而在匹配濾波時出現失配現象，嚴重影響無源探測系統的檢測性能。為了提高系統的相干檢測性能，必須對直達波信號提純。目前直達波信號提純主要有兩種途徑：一種是多徑干擾抑制，比如利用通信信號處理中的復倒譜、自適應均衡和盲均衡等[8]技術來抑制外輻射源雷達中的多徑干擾；另一種是直達波信號恢復或重構[9]。

3)微弱目標信號的檢測。

在回波信號中微弱目標回波通常被直達波、地物雜波和多徑雜波所淹沒。這些雜波被抑制到一定程度后，為了達到所需的威力覆蓋范圍，就需要對目標回波做長時間相干積累，用來提高有效檢測所需的信雜比。當探測系統的通道性能較好，以至于對雜波有很高的相消比時，相干積累的時間便會縮短。然而在實際系統中由于諸多因素的制約，各通道總是存在誤差，從而降低了相消比，導致回波信號相干積累時間延長[7]。關于長相干積累檢測小目標的研究可參考文獻[10]。

4)長相干積累情況下目標多普勒擴散。

通常系統接收的回波信號是輻射源旁瓣照射到目標的回波，其信噪比較低，要想獲得足夠的信號處理增益以檢測目標的距離和多普勒，需要較長時間的相干積累時間，而在此相干積累時間內目標的運動姿態和速度很有可能發生變化，引起目標多普勒擴散現象，因此多普勒匯聚技術亦應是本系統研究的關鍵。

5)目標跟蹤及數據融合。

Howland 在文獻[11]中介紹了無源探測系統的目標跟蹤算法，而無源探測系統的跟蹤方法中大部分是對輻射源的跟蹤，關于雙(多)基地工作模式的無源探測系統跟蹤研究較少。近年來，多傳感器數據融合技術發展迅速，該技術有望提高無源探測系統的跟蹤精度。

3 結束語

利用遠程預警雷達和臨近空間浮空器，本文開展了無源探測技術研究。通過理論分析說明了該系統建設的可行性，針對該系統信號處理流程中遇到的難點，歸納出了數字信號處理中的關鍵技術，為提高無源探測系統目標檢測性能和遠程預警能力提供了一種新的技術構想，以實現對防御區域內隱身目標的高概率探測，對提升防空、反導能力具有較重要的意義。■

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Near-space passive coherent location system based on remote early warning radar

Bo Chao, Wu Hao, Li Wenkui
(No.8511 Research Institute of CASIC, Nanjing 210007, Jiangsu, China)

To solve the problem of target detection for high-value stealth targets in the air, near-space passive coherent location technique based on remote early warning radar is researched. Simple analysis and calculation of target detection distance is carried out. The signal processing flow of the system is given, and the key technologies are sorted out. The technique can be applied to non-cooperative detection and location system project in radio silence. Passive detection network of prevention and control system can be more perfect through fusing with electronic reconnaissance system’s multi-sensor in order to complete the situation estimation of the target in the case of electronic silence.

passive coherent location; remote early warning radar; near-space

2016-03-28；2016-07-17修回。

薄超(1983-)，男，工程師，博士，主要研究方向為無源定位技術。

TN971+<.5 class="emphasis_bold">.5 文獻標識碼：A.5

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