一種利用運(yùn)動(dòng)外輻射源的無源探測(cè)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(cè)定位(PCL)技術(shù)(也稱外輻射源探測(cè)技術(shù))是指利用非合作輻射源信號(hào)，從接收到的目標(biāo)對(duì)輻射信號(hào)的散射回波中提取目標(biāo)信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的探測(cè)定位。基于非合作輻射源的無源探測(cè)系統(tǒng)具有隱蔽性好、戰(zhàn)場(chǎng)生存力強(qiáng)和成本低等諸多優(yōu)勢(shì)，相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)研究和應(yīng)用受到國(guó)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(hào)、數(shù)字電視廣播(DVB-T，DTMB)的無源探測(cè)定位系統(tǒng)[1-3]的研究已趨于成熟。

近年來，基于運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的無源探測(cè)定位成為該體制無源探測(cè)技術(shù)的一個(gè)重要發(fā)展方向。國(guó)外的華沙工業(yè)大學(xué)(WUT)，英國(guó)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(jī)載或車載平臺(tái)開展了試驗(yàn)驗(yàn)證，取得了一些有價(jià)值的成果[4-6]。

本文主要針對(duì)該體制利用運(yùn)動(dòng)外輻射源，介紹了外輻射源探測(cè)技術(shù)的定位原理以及性能評(píng)估方法，分析了利用運(yùn)動(dòng)外輻射源實(shí)現(xiàn)無源探測(cè)定位與傳統(tǒng)基于靜態(tài)輻射源的無源探測(cè)的主要區(qū)別，提出了利用運(yùn)動(dòng)外輻射源的信號(hào)處理方法，并通過仿真試驗(yàn)，驗(yàn)證了所提方法的有效性。

1 定位原理

外輻射源探測(cè)技術(shù)是通過接收的非合作照射源直達(dá)信號(hào)與目標(biāo)對(duì)照射信號(hào)的散射回波的互相關(guān)輸出結(jié)果來檢測(cè)目標(biāo)，得到目標(biāo)對(duì)應(yīng)的時(shí)間延遲、多普勒頻移等信息，再利用測(cè)向?qū)δ繕?biāo)實(shí)現(xiàn)無源定位和跟蹤?；诶眠\(yùn)動(dòng)外輻射源的無源探測(cè)的原理如圖1所示，此時(shí)，外輻射源可以在運(yùn)動(dòng)的車輛或者飛行平臺(tái)上進(jìn)行輻射。

圖1 定位原理

由圖1可知，針對(duì)每一節(jié)拍的處理，運(yùn)動(dòng)外輻射源持續(xù)照射目標(biāo)，對(duì)于每一節(jié)拍的定位處理可以采用1個(gè)時(shí)差橢圓與1條側(cè)向線交叉的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)位置信息的獲取。

對(duì)于每一個(gè)節(jié)拍的處理，雙基地雷達(dá)方程[1]同樣適用，系統(tǒng)接收到的目標(biāo)回波的信號(hào)功率如下：

(1)

可評(píng)估在運(yùn)動(dòng)輻射源等效發(fā)射功率PER為15 kW，信號(hào)頻率f為500 MHz，σ為民航飛機(jī)RCS取10 m2，接收增益GR為22 dB，損耗L為3 dB，利用此運(yùn)動(dòng)外輻射源，在系統(tǒng)靈敏度Smin為-148 dBm/8 MHz時(shí)，對(duì)目標(biāo)的作用距離可達(dá)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(cè)的基本原理以及性能評(píng)估方法同樣適用于利用運(yùn)動(dòng)的外輻射源，但是由于外輻射源由靜止?fàn)顟B(tài)變?yōu)榱诉\(yùn)動(dòng)狀態(tài)，傳統(tǒng)的處理方法不再完全適用，需要針對(duì)運(yùn)動(dòng)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(duì)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(yùn)動(dòng)目標(biāo)區(qū)分，從而通過雜波抑制，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)檢測(cè)。而對(duì)于運(yùn)動(dòng)外輻射源，由于運(yùn)動(dòng)輻射源的運(yùn)動(dòng)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(duì)靜止雜波的對(duì)消方法不再適用。本文提出基于雜波預(yù)測(cè)的逐級(jí)聯(lián)合對(duì)消方法實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)動(dòng)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(hào)包含了強(qiáng)雜波以及有用的微弱目標(biāo)信號(hào)，通過利用參考信號(hào)進(jìn)行逐級(jí)聯(lián)合對(duì)消得到對(duì)消后的回波信號(hào)。此時(shí)，影響微弱目標(biāo)檢測(cè)的大部分雜波可被有效抑制。此后，對(duì)消后回波信號(hào)與參考信號(hào)進(jìn)行二維相關(guān)處理，然后利用相關(guān)結(jié)果進(jìn)行目標(biāo)檢測(cè)，數(shù)據(jù)處理部分可對(duì)剩余雜波進(jìn)一步抑制，最后呈現(xiàn)目標(biāo)航跡結(jié)果。

與傳統(tǒng)的利用靜態(tài)外輻射源無源探測(cè)系統(tǒng)信號(hào)處理不同，為了利用運(yùn)動(dòng)外輻射源，信號(hào)處理流程增加了基于場(chǎng)景的雜波預(yù)測(cè)，并改進(jìn)了傳統(tǒng)雜波對(duì)消方法，傳統(tǒng)抑制靜態(tài)雜波的對(duì)消方法替換為基于雜波預(yù)測(cè)的逐級(jí)聯(lián)合對(duì)消方法。

在本文的應(yīng)用場(chǎng)景中，固定的無源接收節(jié)點(diǎn)位置已知，可根據(jù)運(yùn)動(dòng)外輻射源的位置、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，結(jié)合簡(jiǎn)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(duì)于確定的地物散射點(diǎn)，其時(shí)間延遲、多普勒等參數(shù)可通過計(jì)算獲得?；趫?chǎng)景的雜波預(yù)測(cè)結(jié)果可指導(dǎo)后續(xù)的雜波對(duì)消處理，逐級(jí)聯(lián)合對(duì)消雜波預(yù)測(cè)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)雜波的聯(lián)合對(duì)消處理，從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)雜波的有效抑制。

3 仿真結(jié)果

仿真場(chǎng)景如圖3所示。

圖3 信號(hào)同步輸出結(jié)果

仿真場(chǎng)景中，圓圈表示無源接收節(jié)點(diǎn)，其設(shè)置位于坐標(biāo)系的中心原點(diǎn)處，其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)為靜止?fàn)顟B(tài)；星型符號(hào)表示輻射源，位置在圖3坐標(biāo)系中[25 km，-25 km，2 km]，其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)為[-200 m/s，0 m/s，0 m/s]；實(shí)心點(diǎn)表示地物雜波所在位置，其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)設(shè)定為靜止?fàn)顟B(tài)。

基于簡(jiǎn)單的環(huán)境地形地貌信息，根據(jù)運(yùn)動(dòng)輻射源的位置、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)以及無源接收系統(tǒng)的位置，可對(duì)地物雜波在距離-多普勒維度的分布特性進(jìn)行預(yù)測(cè)計(jì)算。如圖4所示，給出了在圖3特定場(chǎng)景下地物雜波的分布特性。由圖3可知，該場(chǎng)景下，雜波分布在較為確定的多普勒-時(shí)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(duì)消的處理結(jié)果作為對(duì)比，如圖5所示。圖中灰色部分為處理前信號(hào)頻譜，黑色部分為處理后信號(hào)頻譜，對(duì)消后對(duì)消比18.81 dB(對(duì)消比定義為對(duì)消前信號(hào)能量減去對(duì)消后信號(hào)能量)。由圖5可知，對(duì)消后還有一定的雜波剩余將影響微弱目標(biāo)的檢測(cè)。

圖5 傳統(tǒng)方法對(duì)消比

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

圖6 所提方法對(duì)消比

二維相關(guān)后目標(biāo)檢測(cè)維度的結(jié)果如圖7所示(該仿真數(shù)據(jù)中加入了1個(gè)目標(biāo)信號(hào))。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(biāo)清晰可見，可實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的檢測(cè)。

圖7 目標(biāo)探測(cè)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(cè)定位的基本概念、基本原理以及外輻射源探測(cè)向運(yùn)動(dòng)平臺(tái)發(fā)展的趨勢(shì)，然后重點(diǎn)論述了利用運(yùn)動(dòng)外輻射源的應(yīng)用場(chǎng)景，詳細(xì)介紹了基于雜波預(yù)測(cè)的逐級(jí)聯(lián)合對(duì)消實(shí)現(xiàn)目標(biāo)檢測(cè)的信號(hào)處理流程。本文利用仿真數(shù)據(jù)通過信號(hào)處理新方法實(shí)現(xiàn)微弱目標(biāo)檢測(cè)，驗(yàn)證了在運(yùn)動(dòng)外輻射源應(yīng)用場(chǎng)景下，所提信號(hào)處理方法的適用性和有效性，從而為在實(shí)際環(huán)境中實(shí)現(xiàn)該應(yīng)用場(chǎng)景下的目標(biāo)探測(cè)和定位奠定了基礎(chǔ)。