非合作輻射源雙基地雷達技術綜述

莊敬敏,宋 杰,熊 偉,王中訓

(1.煙臺大學物理與電子信息學院,山東 煙臺 264005;2.海軍航空大學,山東 煙臺 264001)

0 引言

隨著科技的不斷創新,電子戰變得愈發復雜,在這種場景下,傳統雷達對外發射信號容易被探測與跟蹤,同時隨著智能化電子干擾、超低空突防、反輻射導彈、目標隱身等技術的快速發展,傳統雷達探測系統面臨很大的挑戰,為了對抗這些威脅,基于外輻射源的非合作雙基地雷達系統得到了越來越多的關注和研究,并取得了大量的應用成果。

非合作雙基地雷達是無源雷達的一種,同時也是一種特殊的雙基地雷達。非合作雙基地雷達可以定義為利用現有信號 (例如廣播、通信、無線電導航或雷達信號),通過探測目標反射的回波信號從而實現目標探測的雷達系統。與傳統有源主動雷達相比,非合作雙基地雷達具有如下獨特優勢:1) 低空覆蓋效果更佳;2) 目標探測性能更為優越;3) 安裝部署更為靈活;4) 組網探測投資更為低廉。利用第三方發射的信號作為機會照射源進行被動的目標檢測,避免了發射站的建設投資,同時進一步提高了戰場的生存能力。

該雷達系統輻射源分為商業輻射源和雷達輻射源,其中商業輻射源包括廣播電視類輻射源(包括FM、DAB、DVB-T等),移動通信類輻射源(包括Wi-Fi、GSM、LTE等),衛星導航定位類輻射源(包括伽利略、GPS、北斗信號等)。據公開文獻分析,該領域研究大多是基于商業輻射源,這些商業外輻射源信號一般不是專門為雷達信號處理設計,普遍存在發射功率小、模糊函數旁瓣高等問題。與商業輻射源相比,雷達輻射源探測距離更遠,探測范圍更廣且分辨率更高。雷達輻射源既可以選擇我方雷達,也可以選擇敵方雷達,亦或選擇中立方雷達輻射源。基于雷達輻射源的非合作雙基地雷達在偵察能力、抗干擾能力、抗隱身能力、戰場生存能力上有著極大的優勢,因此,研究基于雷達輻射源的非合作雙基地雷達變得極為重要。

綜上所述,基于雷達輻射源的非合作雙基地雷達既豐富了雙基地雷達類型,同時又提高了雷達的探測性能,但是由于收發裝置的特殊性和輻射源的非合作性,也為探測系統帶來了不少技術難題。為了探究非合作無源探測系統在實際工程中的實際需求,開展了基于雷達輻射源的系統關鍵技術研究,并展望了未來該雷達系統的發展趨勢。

1 國內外發展狀況

1.1 國外研究現狀

早在20世紀80年代,Yamano和Lightfoot等人分別于1984年和1985年申請了非合作輻射源目標探測相關專利[1-2]。20世紀90年代在美國IEEE雷達會議上,英國 Racal 公司的Hawkins在其文章中公布了英國皇家海軍進行的非合作目標探測實驗研究[3],該實驗利用遠程交通管制雷達為外輻射源,成功探測到130 km以外的目標。

2010年12月,日本三菱公司利用現有脈沖雷達進行PBR信號處理,以機場監視雷達(ASR)為發射機進行了實驗研究[4],該實驗的幾何結構如圖1(a)所示。該實驗在東京國際機場附近進行,接收器位于東京國際機場,距離ASR約12.5 km,實驗的目標是飛行軌跡距離接收器約3 km的離港飛機。圖1(b)顯示了比較結果,實驗結果表明,所提出的PBR方法在雷達發射參數未知的情況下實現了雷達信號處理。該方法能夠成功地估計未知發射參數并檢測出目標。

圖1 日本三菱公司利用機場監視雷達為輻射源的目標探測系統實驗

2012年華沙理工大學數字信號處理實驗室利用主動空中交通管制雷達作為輻射源,其配有機械掃描天線,在這種配置中,最大探測范圍可以擴展,使用SBS-1作為接收機,為了驗證系統的準確性,解碼來自飛機應答器的S模式信號,提供了觀測飛機的地面實況[5]。該實驗成功檢測到了在華沙機場降落的航班。圖2(a)和圖2(b)顯示出了在不同時間間隔(連續發射機天線掃描)的匹配濾波之后獲得的結果。運動目標易于識別,但會出現地雜波的強烈反射。圖2(c)和圖2(d)顯示出了去除地雜波之后的結果。空中目標在圖2(d)所示的最終結果中清晰可見。

圖2 華沙理工大學利用交通管制雷達為輻射源的目標探測結果

搭車式雙基地雷達(HBR)作為一種低成本的補充,用以提高現有單基地雷達的靈敏度和覆蓋范圍。公開文獻中提到的唯一作戰HBR可追溯到二戰時期德國的Klein Heidelberg[6],它是第一個真正用于戰場的雙基地雷達,開啟了世界上首部應用型的外輻射源雷達探測系統的先河。在此基礎上,2013年挪威學者Sindre Str?m?y 與FFI合作開發了一個實驗性HBR接收機[7],如圖3所示,利用遠程監視雷達為外輻射源開展實驗。利用真實數據估計雷達波形參數、PRF和掃描時間的方法,以改善目標的同步技術和定位技術。該實驗結果在距離接收站100 km處探測到一架大型飛機,并提出類似目標的估計距離為180 km。

圖3 以遠程監視雷達為外輻射源的非合作實驗系統

2014年日本電子導航研究所(ENRI)開始了無源監視系統雷達作為常規初級監視雷達(PSR)替代方案的可行性研究[8]。技術中最具代表性的系統是多基地一級監視雷達(MSPSR),與當前的PSR相比,該雷達實現了更高的更新率和檢測率,在研究使用DVB-T和FM的被動監視系統的同時,考慮使用被動PSR系統來覆蓋常規PSR的陰影區域。圖4結果表明,在無源二次監視雷達(SSR)無法進行定位的情況下,無源PSR系統性能良好。

圖4 日本導航研究所非利用合作雷達輻射源的目標探測結果

2014年新加坡南洋理工大學Chong Sze Sing 利用機會主義雷達對海上目標進行被動多基地檢測[9],一艘護衛艦大小的軍艦充當PMR接收機,并檢測到了低雷達散射截面(RCS)目標,該系統可以對半徑范圍達30 km的目標進行被動探測,探測覆蓋率達到85%或更好。

2015年加利福尼亞州海軍研究院模擬了一個海上場景[10],如圖5所示,商船充當多個非合作機會主義發射機,而裝備電子戰(EW)和測向(DF)接收機的護衛艦在PBR/PMR配置中扮演接收機的角色。目標被認為是通用的強大級護衛艦,并開發了一個Matlab模型來模擬工作環境和無源探測定位過程。探討了使用多對無源雙基地雷達(PBR)檢測低RCS目標的可能解決方案。

圖5 加利福尼亞州海軍研究院的海上場景建模

2016年日本電子導航研究所提出使用光纖無線電(ROF)的新雷達系統概念[11]。該系統是基于無源雙基地雷達的光纖連接無源一次監視雷達(OFC-PPSR)。如圖6所示,實驗結果運動飛機在仙臺機場被OFC-PPSR雷達系統成功探測到。

圖6 仙臺機場光纖連接無源雷達實驗

華盛頓大學G.V. PRATEEK等人在2017年提出了一種在雙基地無源極化雷達網絡中檢測目標的方法[12],首次考慮使用天氣監視雷達作為輻射源進行目標檢測,在此之前,在無源雙基地雷達方面沒有研究過使用天氣雷達進行目標檢測。同時使用電磁矢量傳感器(EMV)作為接收器建立信號模型。在信號相關雜波存在的情況下,推出了一種適用于雙基地場景的GLRT檢測器,此方法對非均勻雜波具有很好的魯棒性,但是也有一定的局限性。

2015年,“忠誠僚機”概念[13]被首次提出,“忠誠僚機”屬于無人機,可以與有人機協同作戰,從而發揮出其最大優勢。2019年3月5日,美軍XQ-58A“女武神”無人機在亞利桑那州尤馬武器試驗場完成首次飛行,標志著忠誠僚機從有無到有,由理論變為實踐。“女武神”無人機采用簡潔的機身設計(如圖7),體積小,載荷輕,因此不適合裝備較重,發射功率大的有源雷達,而適合體積小重量輕的無源雷達設備。實施偵察時,戰斗機的相控陣雷達作為輻射源,“女武神”則把收到的回波信號進行預處理后傳給戰斗機。截至2020年1月,XQ-58A無人機已完成四次飛行試驗,累計飛行5個多小時,超過了飛行試驗方案的原定目標。“人機協同”的優勢顯而易見,為了適應更為復雜的作戰環境,還需要經過不斷地改革與創新,才能在未來的戰場上發揮最佳實力。

圖7 XQ-58A“女武神”(Valkyrie)無人機

美國空軍積極發展“忠誠僚機”構想,正在推進幾個項目的研究。早在2019年,波音公司以自己的“澳大利亞”ATS項目加入了美國空軍代號“天空博格人”的研究計劃。目的是研究“忠誠僚機”領域的技術和解決方案。2020年5月5日,波音澳大利亞公司推出了首架空中力量編組系統(ATS)無人機。次年,ATS首次完成試驗飛行。2022年3月21日,ATS的部分項目改稱為MQ-28,無人機也稱為“鬼蝙蝠”,這一無人機已經展示了自主和集群能力。

2022年7月11日,洛馬公司“臭鼬工廠”總裁的約翰·克拉克表示由于其他公司研制的“忠實僚機”成本更高,負載更重,因此他們正在探索“一次性飛機”的研究。圖8是洛馬公司提出的F-35A與未來多種低成本無人機編組作戰概念想象圖。

圖8 洛馬公司提出的F-35A與未來多種低成本無人機編組作戰概念想象圖

1.2 國內研究現狀

我國在該領域研究開展時間相對較晚,但是經過多年的發展,我國對基于非合作雷達輻射源的雙基地雷達的研究也有了很多成果。

文獻[14]基于脈沖雷達輻射源的非合作雙基地雷達系統,提出了一種迭代提高測量精度的方法,該方法在推導距離方法的基礎上,對定位精度進行了分析。假設目標是民用飛機的模擬實驗,測試表明該方法取得了良好的效果。

文獻[15]研究了使用以脈沖雷達作為發射機的數字陣列無源雙基地雷達 DA-PBR實現弱目標檢測系統。文獻[16]還提出了一種基于標準桿數的PBR信號處理方法。該方法從直達波中估計參數,并利用回波信號制作R-T圖來檢測目標。經過現場試驗,該方法能夠在90 km以上的距離范圍內對飛機進行檢測和跟蹤。圖9(a)描繪了6 min內目標的軌跡,雙基地距離為80～110 km。圖9(b)顯示了在另一個6 min內接收到的信號的R-T圖,距離范圍為50～100 km。

圖9 利用非合作雷達輻射源的目標探測結果

文獻[17]提出了一種利用非合作雷達作為輻射源的無源雙基地雷達(PBR)信號處理方法。該方法可以成功地應用于目標角度和雙基地測距。外場試驗目標是接收器周圍兩家航空公司的飛機。由于所提出的系統在沒有任何積分算法的情況下提供了遠距離探測距離,該團隊計劃通過研究合適的積分方法來提高系統的探測距離。此外,為了獲得精確的目標位置,將在未來的實驗中使用平面陣列。

文獻[18]以X波段 bridge-master海事雷達為非合作輻射源開展了空中目標探測,并用ADS-B數據進行了校驗;以L波段岸基海事雷達信號為輻射源,以進出港口的船舶為目標進行了海上運動目標的檢測[19]。

此外,文獻[20—24]均在非合作雙基地雷達領域開展了大量研究,并有了很多成果。

文獻[25]針對線性調頻雷達,對其脈沖采取截取疊加與移頻調制干擾相結合方法,能夠獲得更好的假目標干擾效果。高精度時差的提取是降低誤差的關鍵,對被動雷達中時差定位技術的方法進行仿真實驗,找出了一種最優定位方法。

綜上所述,基于非合作雷達輻射源的雙基地雷達具有重要的理論研究和應用價值。針對不同發射源采取不同技術進行實驗仿真和外場試驗驗證,隨著科技的不斷進步和工業化水平的不斷提高,以及各種輻射源種類和數目的涌現,基于雷達輻射源的非合作雙基地雷達探測技術會不斷地改革與完善,尤其是捷變頻相控陣雷達為外輻射源的非合作雙基地雷達系統具有更好的探測性能和更佳的雷達分辨率。作為常規雷達的有力補充,基于雷達輻射源的非合作雙基地雷達的發展更能順應電子戰更為復雜的環境中。

2 系統關鍵技術

非合作雙基地雷達與傳統有源主動雷達的區別主要在兩方面:一方面在于雙基地雷達系統收發裝置距離較遠;另一方面在于系統本身不輻射任何電磁能量,而是利用具有非合作性的外輻射源發射能量。非合作雙基地雷達在系統結構上比傳統雷達更為復雜。如圖10所示,由于外輻射源具有非合作性,為了使接收機能接受到直達波信號,因此接收機設置了直達波參考通道和回波監視通道。直達波參考天線指向外輻射源位置接收直達波信號并在參考信號內進行直達波估計用于后期時頻同步;監視天線用于接收目標回波信號用于后期目標檢測、定位和跟蹤。

圖10 非合作雷達輻射源目標探測系統示意圖

這種獨特的幾何模型,使系統的探測范圍更遠、探測性能更好,具有抗隱身、抗干擾等優勢。但是雙基地雷達最具有挑戰的關鍵技術難點在于系統接收機和發射機同步問題,由于外輻射源具有非合作性這一特點,特別是以現代體制雷達為外輻射源,使非合作雙基地雷達系統同步變得更加困難,從而導致目標檢測難度增加,目標檢測概率降低。除此之外,外輻射源的非合作性加上接收機、發射機兩機相隔較遠導致該雷達系統雜波干擾來源具有多樣化。

2.1 雷達輻射源信號的類型選擇與分選識別

2.1.1雷達輻射源的類型選擇

隨著科技的發展、復雜的電磁環境以及當前對該領域的研究逐步深入,各種雷達輻射源開始大量出現。與合作發射站輻射源不同,非合作無源雷達發射站輻射源的波形是不知道的,不能確定外輻射源的參數特征和位置信息。不同的輻射源有不同的特點,針對不同的探測要求需要找到合適的輻射源,雷達輻射源類型可以按照以下幾個方面進行擇優選擇:1) 選擇的輻射源具有較好的模糊函數形狀,一般而言,一些商用或軍用雷達是相關專家們通過在雷達信號脈內添加各種調制方式設計出來的,因此其模糊函數形狀會更為理想化;2) 為了對目標進行有效探測和定位精度,輻射源信號覆蓋范圍和位置也必須考慮在內。

2.1.2雷達輻射源的分選識別

在實際的電場戰中,雷達輻射源信號的分選識別扮演著極其重要的角色。雷達輻射源信號的分選主要利用不同輻射源信號的不同識別參數劃分多組脈沖,分析當前雷達的型號和工作模式;識別主要根據雷達輻射源的信號參數特征,判斷目標的所屬類型。對雷達輻射源的正確分選識別是目標檢測、定位跟蹤的基礎。

20世紀70年代,由于雷達信號參數相對簡單,常用特征參數匹配法進行雷達輻射源分選識別。該方法利用常規特征參數為每一類輻射源構建向量模板,將雷達輻射源信號的特征參數與模板進行匹配,這種方法難以區分波形復雜和參數重疊的輻射源。隨后專家們又開始深入研究脈內特征分析法和數據融合識別法,但是這兩種方法無論從適應范圍還是應用條件上都有一定的局限性。為了應對復雜的電磁環境,基于人工智能的雷達輻射源分選識別開始蓬勃發展。人工智能算法領域包括以下幾方面:1) 機器學習算法,提高輻射源分類的準確性。文獻[26]提出了一種基于棧式線性降噪器(SLIDE)和支持向量機(SVM)的雷達輻射源信號識別模型,該模型有助于實現對輻射源信號的實時提取,且在低信噪比下識別性能更優越。2) 群智能優化算法,克服了傳統識別算法速度慢等缺點。文獻[27]提出了基于蟻群聚類算法的雷達輻射源識別方法,該算法基于螞蟻覓食原理,能夠更好地處理噪聲數據。3) 深度學習算法,使大規模輻射源數據處理成為可能。文獻[28]研究了一種基于循環神經網絡的雷達輻射源分類識別算法,該算法直接用原始雷達輻射源信號,簡化了識別流程,信號識別效率得以有效提高。仿真實驗表明,該算法對雷達輻射源分選識別具有很好的魯棒性。

2.2 空時頻同步技術

由于非合作雷達輻射源的時頻參數捷變,并且每個脈沖中存在多個不同頻段的線性調頻(LFM)信號分量,為了獲得精確的目標信息,接收系統在進行信號處理時必須與輻射源發射信號的所有參數相匹配以實現同步。同步技術包括時頻同步、空間同步、相位同步。

由于傳統雙基地接收機和發射機之間具有合作性,可以通過物理鏈路進行信息傳遞以實現空間同步,與傳統雙基地雷達不同,非合作雙基地雷達信號波形無法預知,因此實現空間同步變得極其困難。目前已知的同步技術有:1) 窄波束發射,寬波束接收;2) 寬波束發射,窄波束接收;3) 窄波束發射,多波束接收;4) 窄波束接收同步。由于監視天線無法預知下一刻外輻射源發射波形的位置,且需要保證回波的有效性,目前主要采用DBF同時多波束接收法進行空間同步,這個方法有較高的分辨率,可以在感興趣的區域任意觀測,但是會提高虛警概率和加大雜波的干擾。

如圖10所示,直達波在監視通道內完成參數估計以便用于時間和頻率同步,因此要實現非合作雙基地雷達的時頻同步,主要就是直達波參數估計問題。由于線性調頻信號(LFM)具有低截獲概率、高距離分辨率等特點,深受研究學者們青睞,繼而被廣泛應用到各種先進體制雷達中。因此當外輻射源發射波形為線性調頻信號時,主要就是解決線性調頻信號的參數估計問題。

如何快速估計直達波參數,文獻[29]在參數模板庫的基礎上,提出了一種基于模板匹配的時頻同步方法,該方法結合了模板匹配、解線調算法和 CLEAN 算法。文獻[30]依次通過分段自相關方法、脈寬模板匹配法、解線調算,載頻模板匹配法、匹配濾波法估計直達波參數,進而實現系統時頻同步。文獻[31]提出了一種具有極高魯棒性的的脈沖提取方法,在脈沖提取的基礎上,給出了直達波脈沖參數的估計方法。文獻[32]采用基于頻域檢測,基于STFT 和解線調法的頻域參數估計算法和模板匹配算法實現直達波參數提取,該參數提取方法具有極高的精度,計算速度快,計算量較小,已經成功應用到某電子偵察系統中。面對多參數提取算法,文獻[33]以某型遠程預警多陣面相控陣雷達(phased array radar,PAR)為外輻射源,對針對非合作 PAR 參數分析這個方向,簡要分析了 LFM 信號參數提取各算法的優劣性,指出研究多分量 LFM 信號的快速高精度參數估計算法具有非常重要的意義。

經過長時間對線性調頻信號的大量研究,文獻[34]提出了一種對線性調頻信號的檢測與估計方法,解決了多分量線性調頻信號的檢測與估計,且為了強弱信號能夠明顯分離,提出了分階段傅里葉域的信號分離方法。同時提出了一種自適應濾波方法,利用分數階傅里葉變換對信號進行旋轉和抽取,去除大量噪聲,然后根據分階段傅里葉反變換恢復到原來的線性調頻信號[35]。

2.3 雜波干擾抑制

由圖10所示的特殊幾何觀測模型可知,相比傳統主動雷達,非合作雙基地雷達面臨直達波干擾及其直達波多徑干擾問題,而這些多徑干擾通常大部分表現為周圍環境(包括森林、山丘、大型建筑等)的地物散射雜波;其次,直達波信號可以從輻射源天線旁瓣泄露到回波信號中,進入監視通道內的直達波能量遠遠大于目標回波能量,這會導致回波信號淹沒在直達波信號中,使目標檢測變得困難。此外,外輻射源是非合作性的,隨著無線電技術的發展,無源雙基地雷達不僅會受到作為機會照射源的基站的干擾,還會受到同頻或鄰頻基站的干擾,這就導致雷達數據中的虛警概率增高,會降低目標檢測結果。因此雜波干擾抑制問題是非合作無源雷達系統最關鍵的技術之一。

非合作無源探測雜波干擾可以分為雷達信號處理階段的雜波干擾和雷達數據中的雜波干擾。目前,非合作雙基地雷達在信號處理階段的雜波干擾抑制問題可通過空域、時域、頻域雜波干擾抑制三種方式實現,也可以進行三種方式的結合。目前較成熟的方案就是基于三種方式的聯合處理。

空域上根據干擾來波方向的不同進行抑制,空域濾波是最常用也是最有效的一種雜波干擾抑制方法,不僅能抑制直達波干擾及其多徑雜波,也能抑制不同來向的同頻或鄰頻干擾?？沼蛏线M行雜波抑制主要有三種手段:從天線入手,物理性隔離直達波干擾[36-37];自適應旁瓣對消(adaptive sidelobe cancellation, ASLC[38-39];自適應波束形成(adaptive beamforming, ABF)[40-41]。由于天線通道間的非理想因素存在,空域雜波抑制算法無法完全抑制掉強干擾信號,因此還需在后續時域、頻域和數據處理中進行進一步雜波抑制。

時域上結合參考通道信號對回波通道進行時域濾波實現維納濾波對消進行抑制。無源雷達時域雜波干擾抑制算法主要有以下兩類:一類是自適應維納濾波類算法,又稱最小二乘類算法;另一類是擴展相消(extensive concellation algorithm, ECA)類算法。

采用空時雜波抑制的自適應信號處理算法(STAP),即從空域和時域同時進行雜波抑制。在經典算法的基礎上,文獻[42]提出了基于阻塞矩陣的分步自適應擴展相消算法,這是一種時空聯合的無源雷達近程雜波干擾算法。

頻域上抑制雜波主要有兩種途徑:一種是接收機的角度抗雜波干擾,例如采用頻率多級濾波和采用信化道方式;另一種途徑是從信號處理算法的角度進行雜波干擾抑制,最典型的兩個算法是通過距離多普勒處理的動目標檢測(moving target detection, MTD)算法和通過線性濾波處理的動目標指示(moving target indication, MTI)算法。

雷達數據中的雜波干擾數據一類是由信號處理目標檢測過程引起的虛警數據點,另一類是由地物散射引起的靜態雜波數據點。傳統的雜波抑制方法主要有兩類算法,分別是基于雜波圖輔助的雜波抑制方法來抑制靜態地物雜波和基于數據關聯的雜波抑制算法降低虛警數據點,提高檢測概率。

2.4 微弱目標檢測技術

非合作目標信號檢測中,真正的目標回波信號通常比較微弱,特別是對遠距離的小目標而言,信噪比和信雜比都非常低,因此從這一角度來看非合作目標信號檢測也可以歸為微弱信號檢測的范疇。

為了提高信噪比增加檢測概率,提高雷達的探測威力,必須進行長時間信號積累,動目標檢測(MTD)方法是傳統的雷達弱目標檢測方法,但是這種方法積累脈沖只能限制在一個距離單元時間內,若積累時間過長,會導致跨距離單元走動現象(如圖11),從而導致目標能量擴散,因此傳統的MTD檢測方法積累性能下降(如圖12)。

圖11 脈沖壓縮

圖12 MTD檢測結果

為了解決這一難題,在基于參考信號距離拉伸的基礎上,文獻[43]給出了一種時延補償方法有效地聚集多個脈沖回波信號的能量,提高了信噪比,增加了檢測概率。文獻[44]通過keystone變換算法校正距離單位走動,對捷變頻點進行處理消除相位走動,該算法能夠有效進行目標探測。文獻[45]提出了一種基于Radon-NUFFT 的相參積累算法。文獻[46]提出了一種基于捷變波形廣義Radon-Fourier變換算法進行相參處理,進而實現弱目標的探測,根據實驗數據的測量,該算法比傳統算法相參積累性能更高。文獻[47]采用周期間相關檢測的處理方法進行目標檢測,通過二次處理降低虛警概率,提高了目標的檢測性能。

為研究在不同情況下的目標檢測情況,針對強弱目標并存的情況,文獻[48]提出了一種新的雷達微弱目標檢測算法,采取先強后弱的策略,通過keystone變換和最小二乘FIR濾波器原理從原始回波中把強目標回波大部分濾掉并在此進行相參積累,實現弱目標的檢測。文獻[49]通過FRFT與keystone變換解決了勻加速目標運動參數(目標初始速度和距離)的估計問題;文獻[50]解決了由長時間信號積累帶來的距離走動和目標多普勒模糊問題,并通過引入兩級速度補償算法進行積累檢測,該算法對噪聲具有很好的魯棒性,同時保證參數的估計精度,提高了空間目標的檢測性能。

此外,背景雜波和隨機噪聲降低了系統的目標檢測性能。針對這一問題,文獻[51]提出了一種基于信號相位匹配的信噪比增強方法,它充分利用了目標信號和干擾信號的相位差。根據信號相位匹配成功地將目標信號從背景雜波和隨機噪聲中分離出來。仿真結果表明,該方法能有效抑制背景雜波和隨機噪聲,顯著提高非合作雙基地雷達系統的信噪比,對于提高非合作雙基地雷達系統的目標檢測性能具有重要的現實意義。

2.5 目標定位跟蹤技術

非合作無源探測平臺通過對直達波信號的有效提取來獲取直達波信號參數,進而對探測目標的反射信號進行分析,從而實現對目標的定位和跟蹤。目標跟蹤技術在民用和軍用上都有著廣泛應用。

航跡處理是目標跟蹤技術系統最為關鍵的一步,目前國內外關于目標跟蹤航跡處理的研究主要基于合作式雙基地雷達,對非合作式雙基地雷達鮮有研究,這主要是因為無源定位數據不連續、相鄰點跡間時間間隔隨機、定位誤差大。針對這些無源定位特點,文獻[52]結合速度規則、NN法、自適應相關門以及EKF的技術,消除了無源定位特點所帶來的影響,實現了既平穩又迅速的航跡處理。

隨著現在越來越復雜的電磁環境,多種數據融合定位技術開始逐漸出現在大家的視野中,多種數據融合技術將各自平臺處理的信號進行融合檢測,更能提高檢測效率。文獻[53]提出了將非合作探測技術和電子偵察技術兩個平臺檢測到的數據融合在一起完成高精度定位。文獻[54]通過機會照射協同模式的多接收機回波信號,分析了兩種關于融合檢測算法——“M/N”準則融合檢測算法和基于多平臺目標信號的融合檢測 CFAR 算法的性能。文獻[55]提出了一種多非合作輻射源的定位融合算法模型,選取Newton法進行模型求解,對目標勻速直線運動進行仿真驗證,該融合算法提高了定位精度,目標的截獲次數也顯著提高。

面對檢測概率低、虛警雜波高的復雜場景問題,文獻[42]提出一種帶有自適應新生強度估計的改進 PHD 濾波器,但是這種濾波器計算成本比較大,只能在低目標檢測概率下有優勢。而文獻[56]以粒子濾波PHD濾波器為基礎,提出了基于改進概率假設密度(improved-PHD,I-PHD)濾波器的非合作雙基地雷達目標跟蹤算法,所提I-PHD濾波器能夠有效實現非合作雙基地雷達多目標跟蹤。避免了目標因連續多幀漏檢而丟失,剔除了高雜波引起的假目標。

雜波對消算法很難抑制所有的干擾,尤其是來自同頻或鄰頻基站的干擾,殘留的干擾會嚴重影響目標檢測和DOA估計。針對這一問題,文獻[57]提出了一種基于壓縮感知稀疏重構的PBR目標檢測與DOA估計方法。該方法不僅能夠在殘余干擾存在的情況下實現目標檢測和DOA估計,而且有更好的抗主瓣干擾和高分辨DOA估計性能。

3 當前存在問題及發展趨勢

隨著輻射源個數和種類不斷地增加,DSP技術和MET的進步與完善,以及當前應用環境的變化和應用要求的提高,非合作無源雷達系統在不斷地更新與發展。雖然非合作無源雙基地雷達系統有諸多優點,但其大范圍的應用與部署仍受到許多限制,部分關鍵技術難點還有待研究和突破。

3.1 非合作無源雙基地雷達當前存在的問題

在雷達輻射源分選識別方面,由于電子戰的需求不斷增加,各種新型體制雷達的涌現,使得各種電磁設備發出的信號變得更為復雜多樣,雷達輻射源類型識別與分選面臨嚴峻挑戰,當前主要面臨四個難題[58]:1) 雷達輻射源脈內脈間調制方式較為復雜;2) 同一雷達由于不同脈間調制類型可以發射不同類型信號造成分選困難;3) 大量的漏脈沖率使低截獲雷達信號分選變得困難;4) 未知輻射源個體識別時效性較差。如何提高雷達輻射源分選識別性能是一個可以深入研究的方向。

在微弱目標檢測方面,其跨距離單元走動現象導致目標能量擴散,積累處理時間過長,距離改變量可能會大大超過一個距離分辨單元,徑向距離改變使回波能量分布在不同距離單元內,傳統的MTD檢測方法積累性能下降;雷達探測頻率更高,多普勒更敏感;空間覆蓋角度大,雷達回波數據增大,高維度信號導致計算復雜度高。因此尋找既能補償距離走動、相位抖動,而且計算量簡單快捷的最佳目標檢測算法是當前亟待解決的問題。此外,雜波對消算法很難抑制所有的干擾,尤其是來自同頻或鄰頻基站的干擾,殘留的干擾雜波會嚴重影響目標檢測和DOA估計。因此,如何能夠更大程度地抑制殘留干擾雜波是當前需要解決的問題。

目標定位跟蹤也是非合作探測系統中一個關鍵部分。前文中有關目標跟蹤的方法都是基于輻射源靜止時的目標定位跟蹤方法,采用的諸如多種數據融合算法、改進PHD濾波器等方法解決目標定位問題。當輻射源運動時,位置隨時間變化而不斷變換,相當于雙基地雷達中發射站的位置不斷變換,如何解決輻射源運動條件下目標的快速跟蹤是需要深入研究的問題。此外,國內外文獻中鮮有考慮目標數目位置、出現時間隨機等復雜場景條件下的多目標跟蹤問題。因此,如何在復雜場景的情況下實現多目標跟蹤需要進一步考慮和研究。

3.2 非合作無源雙基地雷達的發展趨勢

作為近年來雷達領域的研究熱點,非合作雷達輻射源目標探測系統未來可在多個方面發展。總的來看,非合作無源雙基地雷達會有以下發展趨勢:

1) 承載平臺多樣化

除了地基輻射源或者固定基輻射源外,近年來,基于機載移動平臺的無源探測也得到了越來越多學者的重視。由于外輻射源雷達體積小、重量輕,因此適合機載,將平臺高度升高可以使目標探測盲區減小。因此基于機載移動平臺的非合作無源探測系統將是發展方向之一。但是機載雷達面臨嚴重的地海雜波影響,雜波可能會淹沒目標回波。因此,如何有效抑制地海雜波以提高復雜背景下的目標檢測能力是接下來的具體研究內容。

2) 系統配置網絡化

利用單個輻射源的非合作無源雷達探測在探測范圍、探測距離、定位精度等方面都有很大的局限性,而多輻射源多接收機組網進行網絡化探測,可以優化系統探測性能。因此,非合作雙基地雷達的一個發展趨勢是從單發單收向多輻射源多接收機網絡化探測方向發展,擴展信息獲取維度,通過網絡技術和多個平臺信息融合技術實現目標的定位跟蹤。網絡化探測研究目前還在起步階段,多發多收聯合定位、接收機優化配置、多種數據融合技術等核心問題亟待解決,進而形成一套體系完好的網絡化探測結構。

3) 信息處理智能化

在極為復雜的電磁環境條件下,能夠自主感知外界環境,且精確提取到輻射源方向、信號能量分布等參數,并能夠智能化地處理信息,將會是該雷達的一個重要發展趨勢。智能信號處理在非合作無源雷達各個關鍵技術中均有很大的發展潛力。在雷達輻射源分選識別方面,智能化和自動化識別可以快速將雷達輻射源分選出來。例如文獻[59]對于識別算法的不足,提出了一套改進流程,該流程對原先構建的雷達輻射源分類模型進行動態更新,形成自學習能力,以更好地滿足當前需要。在雜波抑制方面,可以構建雜波特性智能提取模塊用于判斷雜波類型,提取雜波分布建模以及雜波參數估計,并且通過對空時頻域各種雜波干擾抑制算法之間進行排列組合,系統根據需求進行自主選擇最優搭配組合,使得雜波抑制性能得到大的提升。在目標檢測方面,可以對雜波和回目標波進行精準建模,提取雜波和目標回波的信息從而可以降低虛警概率,提高目標檢測。

4) 探測技術一體化

非合作無源雷達作為用頻裝備,正在從傳統單一探測功能向多功能一體化發展,將目標識別能力、偵察成像能力、反隱身能力、抗干擾能力綜合一體,真正做到“一機多能”達到資源整合、探測效果增倍的目的。

4 結束語

本文對非合作雷達輻射源雙基地雷達系統進行了系統闡述。回顧了國內外發展歷程和研究現狀。對空時頻同步技術、雜波干擾技術、目標檢測技術、目標定位跟蹤技術等關鍵技術及其當前存在問題進行詳細闡述,為后續研究提供了參考和借鑒價值。該雷達系統在未來會呈現承載系統多樣化、系統配置網絡化、信息處理智能化、探測系統一體化等趨勢。