無源雷達信號處理及定位系統研究

李斌　胡可生

【摘 要】無源雷達作為一種新體制現代雷達，可實現對隱身目標的探測與定位，在復雜的電磁信號環境中具有超強生存能力，本文介紹了無源雷達信息處理流程，分析了無源雷達的多站、單站定位原理進行，并對無源雷達定位系統未來發展趨勢做了論述。

【關鍵詞】無源雷達；信號處理；目標定位；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

雷達可對空中目標進行實時探測、識別和定位跟蹤，能夠準確實時地提供空中情報，在現代戰爭中掌握制空權[1]。無源雷達被動接受目標自身輻射的電磁信號或目標反射的非協作輻射源的信號，較有源雷達隱蔽性好，反偵察能力較強，并可將敵方的干擾信號作為探測信號，對干擾源予以定位并反擊。同時，因為無源雷達通過捕獲目標的輻射源信號進行探測，所以對隱身目標的探測定位與普通目標沒有本質區別，能夠對隱形目標進行精準定位[2]。此外，無源雷達不受地雜波、海雜波等雜波影響，具有超強的低空探測能力，電磁波單程傳輸可實現遠距離探測。

無源雷達因具備以上的優勢，在現代電子戰、信息站中能發揮關鍵作用[3]，使得各國競相研制，例如捷克ERA公司的維拉系列雷達、以色列IAI公司的EL-L8300G雷達、俄羅斯的“卡爾秋塔”雷達、英國Roke Manor公司的“蜂窩”雷達系統以及美國的“沉默哨兵”雷達系統，我國也研發出擁有自主知識產權的“DWL002”被動探測雷達系統、“YLC-20”雙站無源雷達系統等無源雷達探測系統。

1 無源雷達系統及信息處理

根據探測機理，無源雷達系統分為基于目標本身輻射源的無源雷達和基于外輻射源的無源雷達這兩類[4]。

基于目標本身輻射源的無源雷達在電子偵察系統的基礎上結合點跡相關、航跡相關技術最終實現提供目標航跡信息的目的，對目標進行定位和跟蹤，例如維拉系列雷達，主要利用目標本身的通信電臺、有源干擾等電子設備輻射的電磁波實現目標的探測定位，探測模式：一個中心站和兩個邊站（若進行三維坐標定位需要3個邊站），站站間距10km-50km，觀測目標的同一輻射信號至各站的時間參數和角度參數，通過目標與三站的幾何關系得到目標的二維或三維坐標。

基于外源輻射的無源雷達主要捕獲目標反射FM廣播、數字電視、通信信號和全球定位系統等外輻射源的信號，可精確地完成全天候對空預警，這類無源雷達系統接受的信號成分較前一類更為復雜，包括目標反射信號、背景干擾信號和輻射源直達信號，并利用直達信號作為參考信號進行目標的定位與跟蹤，例如美國的“沉默哨兵”雷達系統，這種無源雷達系統由近距離配置的一個主站和一個輔站組成（如圖1）[5]。

2 目標定位

無源雷達系統被動的接收目標輻射、反射的電磁波信號，并測量信號的角度參數、時間參數和頻率參數等對目標實現定位，本文從幾何角度對多站定位技術和單站定位技術展開討論。[7]

2.1 測向交叉多站無源定位

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

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

當測得角度參數和觀測站自身位置參數就可以通過測向交叉法獲得目標空間為位置，在雷達部署方面多采用三角部署方式，這種部署誤差分布均勻對稱，有利于目標的定位，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，各站各側向精度愈高，站間距離愈遠，定位精度愈高，最新的干涉儀測角精度在1°以內，我軍的C3I、C4I系統建設可較好地滿足布站距離的要求。

2.2 多站時差無源定位

通過處理三個或更多個觀測站采集到的信號到達時間測量數據來求解目標的位置坐標，定位精度高、速度快[9]。

對于二維平面內的目標利用3個觀測站即可進行定位，而對空間目標的三維精確定位則需4個觀測站，當采用四站定位時，一個中心站接收空間輻射的脈沖信號，同時為其它三個邊站提供同步信號，3個邊站收到的脈沖信號再傳給中心站，則形成三條基線，這三條基線分別對應三對雙曲面，這三對雙曲面相交于一點，即為目標的空間位置，但是有時這些雙曲線獲雙曲面會產生多個交點或沒有交點，因此時差定位會存在模糊和無解現象。

四站時差定位系統中，為了減小地面反射的影響和擴大視野，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 多站時差定位系統布站方式圖

2.3 基于多參數聯合的多站定位

測向交叉定位方法較難實現精確定位，時差定位的雖然定位精度高但定位模糊，隨后發現基于多參數聯合的多站定位方法來對目標進行定位，可實現不模糊、精度高等優點，逐漸成為新的研究熱點[10]。基于多參數聯合的多站定位方法主要通過兩個或多個測量站獲得目標源多種參數進行定位，如角度—時差聯合定位、時差—多普勒頻差聯合定位以及角度—多普勒頻差聯合定位等。

2.4 單站無源定位

單站無源系統相較于多站系統，靈活性好，擺脫了站間的數據同步和通信傳輸，只憑借一個觀測平臺，對與之有相對運動的目標進行連續的參數測量，然后利用獲取的多組參數聯合求解得到目標的三維空間位置，實現對固定或運動目標的快速高精度定位[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，其中相位差變化率定位方法僅適用于已知高度目標的定位，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信號的多普勒頻率變化率參數來實現目標的定位，假設無源雷達位于坐標原點，目標位于（Xm，Ym，Zm）處，以徑向速度V相對于無源雷達進行運動，其俯仰角和水平角分別為φ、θ，則可得到如下關系：

通過上述推導可知，當測得目標多普勒頻率變化率、方位角變化率、俯仰角變化率后，即可實現目標定位，但為了減小定位誤差獲得高精度目標定位，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，高測量精度是該定位技術的關鍵，若各測量量的測量精度滿足要求，則可以在很短的時間內達到較高的測距精度[12]。當受輻射源限制時，觀測器采樣率很低，依然可以通過較少的測量次數達到較高的測距精度。

3 定位系統未來發展趨勢

在復雜電磁環境下仍具預警探測、精準定位、遠程打擊等性能是雷達系統發展趨勢，目前無源雷達存在定位精度較有源雷達低、微弱目標檢測低效等問題仍存[13]。現提出以下幾種建議，以求最大化無源雷達優勢，建立高效防空、情報系統。

1）拓展外輻射源信號種類。隨著多種衛星信號和其他輻射源信號的利用，可針對性研究各種輻射源信號，擴展可供無源雷達利用的外輻射源種類。

2）建立無源雷達監視網絡。不同的輻射源信號使用不同的頻段，同時同一目標在不同頻段顯示出的雷達特性各異，可以將不同平臺的無源雷達進行組網，建立起一個龐大的無源監視網絡，提高目標定位的精準度。

3）無源探測與有源探測互補。無源雷達無法探測保持無線電靜默的目標，因此將無源雷達與有源雷達結合使用、互為補充，以多基方式合理布設無源雷達和有源雷達，組建高效、可靠的防空情報系統，這樣既提高了無源雷達的利用率，又增強了有源雷達的隱蔽性和生存能力。

4）研發機載和航載無源雷達。對于機載無源雷達利用三架或四架飛機進行時差聯合定位，而艦載無源雷達采用短基線定位技術，而艦隊則可設計成長基線無源定位系統以獲取高精度目標定位。

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