被動雷達(dá)海上目標(biāo)探測實驗研究

譚文清，宋 杰，莊敬敏，王中訓(xùn)

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

0 引 言

近年來，隨著綜合電子偵察及干擾技術(shù)、反輻射武器、超低空突防技術(shù)和隱身技術(shù)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的有源單基地雷達(dá)將面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。常規(guī)的合作式雙基地雷達(dá)輻射源由己方發(fā)射，發(fā)射站和接收站采用一定的物理鏈路進(jìn)行同步，接收站和發(fā)射站協(xié)同進(jìn)行工作。當(dāng)利用第三方機(jī)會照射輻射源進(jìn)行目標(biāo)探測時，發(fā)射站和接收站沒有特定的物理鏈路進(jìn)行同步處理，輻射源參數(shù)不受控制，這種雷達(dá)稱為無源雙基地雷達(dá)，又稱為被動雷達(dá)、無源相干定位雷達(dá)、寄生雷達(dá)（方便起見，后面簡稱被動雷達(dá)）［1］。

被動雷達(dá)的特征在于無需輻射電磁波，其工作機(jī)理在于利用外輻射源實現(xiàn)目標(biāo)的探測、跟蹤。現(xiàn)在針對民用輻射源進(jìn)行目標(biāo)檢測的研究取得了一定的進(jìn)展，可利用的民用輻射源包括廣播電視輻射源（FM、DAB）［2-4］、移動通信輻射源（Wi-Fi、GSM）［5］和衛(wèi)星輻射源（GPS 北斗衛(wèi)星）［6］，因為民用輻射源并不是專門為了進(jìn)行目標(biāo)探測而設(shè)計的，在實際應(yīng)用中會出現(xiàn)探測距離不足和信號模糊函數(shù)旁瓣較高等問題。而以雷達(dá)信號作為外輻射源可以彌補(bǔ)民用輻射源的不足，該模式下的被動雷達(dá)具有靈活性強(qiáng)、信號截獲概率低、抗電磁干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點，在雷達(dá)探測領(lǐng)域以非合作雷達(dá)信號作為外輻射源的被動雷達(dá)有著重要的研究價值。

經(jīng)過多年的研究，國內(nèi)外對被動雷達(dá)系統(tǒng)的研究在時頻同步、直達(dá)波參數(shù)估計、直達(dá)波干擾抑制、目標(biāo)檢測與定位等核心技術(shù)方面取得了一定進(jìn)展。現(xiàn)在國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)進(jìn)行了一系列被動雷達(dá)外場實驗，但對被動雷達(dá)外場實驗主要集中在對空中目標(biāo)的檢測［7-10］，海上目標(biāo)移動速度較慢，多普勒頻移較小，并且海洋環(huán)境相較于天空更加復(fù)雜，目標(biāo)回波受直達(dá)波旁瓣、地雜波和海雜波的強(qiáng)烈干擾，海上目標(biāo)檢測面臨許多困難和挑戰(zhàn)。因此，針對被動雷達(dá)海上目標(biāo)探測研究，特別是基于實測數(shù)據(jù)的系統(tǒng)驗證，需要進(jìn)一步加強(qiáng)和改進(jìn)。本文介紹了一種被動雷達(dá)系統(tǒng)，對海上目標(biāo)檢測開展了一系列的實驗研究。

1 PBR系統(tǒng)工作原理

典型的PBR 系統(tǒng)由發(fā)射機(jī)、接收機(jī)和用于數(shù)據(jù)處理和顯示的PC 組成，PBR 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。PBR 系統(tǒng)自己不發(fā)射信號，而是選擇合適的非合作雷達(dá)作為輻射源，非合作狀態(tài)下的雷達(dá)作為發(fā)射機(jī)發(fā)射電磁信號，海洋環(huán)境下常選用岸基雷達(dá)、艦載雷達(dá)或預(yù)警機(jī)雷達(dá)作為發(fā)射機(jī)。發(fā)射機(jī)發(fā)射的直達(dá)波照射到目標(biāo)上產(chǎn)生回波信號，接收機(jī)天線指向海上目標(biāo)所在區(qū)域并接收直達(dá)波和散射回波。接收機(jī)采集到的直達(dá)波信號和目標(biāo)反射的回波信號保存在存儲器中，信號處理器將直達(dá)波信號和目標(biāo)回波信號下變頻為基帶信號，同步采集并以I∕Q 數(shù)據(jù)的形式記錄在硬盤中。最后PC 端接收到接收器采集的I∕Q 數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，實現(xiàn)海上目標(biāo)探測。

圖1 典型PBR系統(tǒng)

2 系統(tǒng)信號處理流程

實驗PBR 系統(tǒng)的信號處理流程如圖2 所示。實驗PBR 接收機(jī)會同時接收直達(dá)波信號和回波信號，也就是回波由主瓣接收，直達(dá)波由旁瓣接收。接收到的直達(dá)波信號首先會進(jìn)行其參數(shù)的估計從而重構(gòu)直達(dá)波信號，重構(gòu)的直達(dá)波信號與回波信號完成脈沖壓縮，然后進(jìn)行直達(dá)波干擾抑制、非相參積累，畫出PBR 系統(tǒng)海上目標(biāo)探測P 顯圖和B 顯圖，MTI、MTD 動目標(biāo)處理后，畫出運動目標(biāo)的距離多普勒圖，完成海上目標(biāo)的探測。

圖2 PBR系統(tǒng)信號處理流程圖

實驗中接收機(jī)為單通道，會同時接收直達(dá)波和回波信號，經(jīng)過中頻數(shù)字采樣和正交解調(diào)，接收機(jī)接收到的信號可以表示為

式中：n(t)為接收機(jī)通道噪聲；sd(t)為直達(dá)波信號；sr(t)為回波信號，將其分別表示為

st(t)為發(fā)射機(jī)信號；kd和kr為直達(dá)波和回波衰減系數(shù)；τ1和τ2為直達(dá)波和回波相較于發(fā)射信號的時間延遲；fd為運動目標(biāo)回波信號多普勒頻移。

2.1 參考信號重構(gòu)

與典型的單基地雷達(dá)不同，非合作雷達(dá)輻射源的參數(shù)未知，發(fā)射機(jī)和接收機(jī)未進(jìn)行同步處理，后續(xù)對回波信號進(jìn)行脈沖壓縮所用的參考信號也來自直達(dá)波信號，因此對非合作雷達(dá)直達(dá)波進(jìn)行估計并構(gòu)建參考信號估計是非常重要的。在實驗PBR 系統(tǒng)中，接收到的旁瓣直達(dá)波信號比回波信號大得多，并且回波信號相較于直達(dá)波信號存在延遲時間，故我們可以提取進(jìn)而估計直達(dá)波信號參數(shù)。非合作雷達(dá)發(fā)射機(jī)持續(xù)發(fā)射穩(wěn)定的線性調(diào)頻信號（LFM），故直達(dá)波參數(shù)估計也就是對LFM信號的估計，常用的參數(shù)估計方法有最大似然估計、STFT變換和魏格納分布等［11］，但都在估計精度和計算量上存在缺點。分?jǐn)?shù)階傅里葉變換（FRFT）［12-13］有著精度高和計算量少等優(yōu)點，更適合應(yīng)用。線性調(diào)頻信號表達(dá)式為

式中A為幅度，f0為初始頻率，k為調(diào)頻斜率，φ為初始相位，T為脈寬，w(t)為噪聲。

p階分?jǐn)?shù)階傅里葉變換的表達(dá)式為

其中p為分?jǐn)?shù)階傅里葉變換階數(shù)，可以將其轉(zhuǎn)化成時間-頻率面上的旋轉(zhuǎn)角a=pπ∕2，Kp(t,μ)為變換核，進(jìn)行各階變換后可以得到相關(guān)變換域，在變換域峰值搜索后得到峰值坐標(biāo)(a0,μ0)，根據(jù)峰值坐標(biāo)即可進(jìn)行參數(shù)估計。根據(jù)估計出的參數(shù)得到參考信號帶寬，從而重構(gòu)參考信號。

參數(shù)估計公式為

FRFT的參數(shù)估計流程如圖3所示。

圖3 FRFT的參數(shù)估計流程

2.2 脈沖壓縮

實驗中研究的雷達(dá)信號為LFM 線性調(diào)頻信號，其有較大的時寬帶寬積，接收到的LFM 信號需要進(jìn)行脈沖壓縮處理。脈沖壓縮的目的是為了壓縮寬脈沖信號得到窄脈沖信號，從而在保證探測距離的同時提高雷達(dá)的分辨率，保證了雷達(dá)的探測精度。本實驗中脈沖壓縮處理有兩種方法：一種是根據(jù)估計出的參數(shù)可以重構(gòu)直達(dá)波參考信號，該信號可以與回波信號完成脈沖壓縮；另一種是可以直接截取I∕Q 數(shù)據(jù)中一段完整的直達(dá)波樣本信號，與回波信號完成脈沖壓縮，這相當(dāng)于樣本信號與回波信號的自相關(guān)。

2.3 直達(dá)波抑制

在接收信號時，接收機(jī)信道存在直達(dá)波旁瓣干擾，直達(dá)波強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于回波，直達(dá)波旁瓣會將目標(biāo)回波遮蓋，此時需要對直達(dá)波旁瓣干擾進(jìn)行抑制。根據(jù)時域特性，當(dāng)直達(dá)波和回波時域不交疊，針對直達(dá)波旁瓣干擾抑制可以選用合適的窗函數(shù)疊加參考信號來消除直達(dá)波旁瓣的干擾。當(dāng)直達(dá)波和回波時域交疊時，主要利用維納濾波理論抑制直達(dá)波，根據(jù)輸入和輸出結(jié)果調(diào)整自適應(yīng)濾波器權(quán)重W，以調(diào)節(jié)自身的傳輸特性達(dá)到最優(yōu)的抑制效果，自適應(yīng)濾波器按準(zhǔn)則分類有LMS、NMLS和RLS等［14］。

2.4 非相參積累

接收機(jī)收到的回波信號強(qiáng)度較弱，信噪比較低，此時可能遺漏回波數(shù)據(jù)中的小目標(biāo)，對脈沖串進(jìn)行積累可以有效地提高信噪比，有利于小目標(biāo)的檢測。雖然相參積累相比于非相參積累對信噪比的提升更加明顯，但相參積累對相參性的要求比較高，相比之下非相參積累更加簡單。實驗中非相參積累為N個相同距離單位的回波信號包絡(luò)幅度進(jìn)行積累。

2.5 MTI和MTD動目標(biāo)處理

運動目標(biāo)顯示（MTI）技術(shù)的主要目的是提高雷達(dá)運動目標(biāo)檢測能力，過濾掉靜止目標(biāo)和雜波，顯示運動目標(biāo)。實驗中采用三脈沖對消MTI 濾波器進(jìn)行處理，在進(jìn)行MTI 處理之前需要對回波脈沖多普勒頻率進(jìn)行補(bǔ)償。運動目標(biāo)處理（MTD）技術(shù)的主要目的是獲得運動目標(biāo)的距離多普勒圖（R-D 圖）。在實驗中，MTD 是通過對具有多個相鄰脈沖重復(fù)周期的脈沖進(jìn)行FFT 處理來實現(xiàn)的，這相當(dāng)于回波脈沖串的相參積累。

3 外場實驗與數(shù)據(jù)分析

3.1 實驗場景

實驗場景位于中國山東省煙臺市沿海地區(qū)，實驗場景如圖4所示。實驗所用接收機(jī)位于學(xué)校實驗樓樓頂，并選擇距離接收機(jī)約9 km外的L波段岸基雷達(dá)作為非合作雷達(dá)系統(tǒng)的發(fā)射機(jī)，該雷達(dá)可以不間斷地發(fā)射穩(wěn)定的LFM脈沖信號，并帶有導(dǎo)前補(bǔ)盲短脈沖。該實驗以接收機(jī)東北方向20 km左右的錨地停船和進(jìn)出錨地的船只為機(jī)會目標(biāo)，海上目標(biāo)區(qū)域位于圖中的黃色橢圓形之中。在本次實驗中，借助船舶自動識別系統(tǒng)（Automatic Identification System,AIS）所提供的船舶動態(tài)數(shù)據(jù)來驗證海上目標(biāo)的探測結(jié)果，從圖5可以看到目標(biāo)錨地的船只。

圖4 外場實驗場景

圖5 AIS系統(tǒng)船只信息

3.2 實驗設(shè)備和I/Q數(shù)據(jù)

如圖6 所示，實驗系統(tǒng)由格柵天線、頻譜分析儀、PC機(jī)等組成。實驗中格柵天線是固定不動的，格柵天線指向海上目標(biāo)區(qū)域，實驗中不斷采集和記錄非合作雷達(dá)輻射源的直達(dá)波和海上目標(biāo)的散射回波。頻譜分析儀內(nèi)自帶信號采集處理器和存儲器，可以將實驗數(shù)據(jù)同步采集并記錄到硬盤上，用于PC 端的數(shù)據(jù)處理。頻譜分析儀的頻率范圍為3 Hz～26.5 GHz，分辨率帶寬為1 Hz～10 MHz，絕對幅度誤差優(yōu)于±0.5 dB，掃描時間范圍為102.4 μs～20 s，滿足對L 波段岸基雷達(dá)信號中心頻率和雷達(dá)掃描周期的要求，并滿足實驗采集信號的精度要求。頻譜分析儀的采樣率和放大器可以通過軟件進(jìn)行設(shè)置，多個天線旋轉(zhuǎn)周期的數(shù)據(jù)可以根據(jù)設(shè)置的采樣率連續(xù)采集，采集到的信號樣本儲存在一個I∕Q 數(shù)據(jù)文件當(dāng)中，可以將采集的信號樣本利用PC端軟件進(jìn)行觀察和截取。

圖6 格柵天線（右）和頻譜分析儀（左）

采集的I∕Q 數(shù)據(jù)如圖7 所示，數(shù)據(jù)包括多個天線旋轉(zhuǎn)周期。從圖7（a）可以看出，隨著發(fā)射天線的周期性掃描，接收到的直達(dá)波信號幅度周期性地進(jìn)行變化，周期約為10 s，最強(qiáng)脈沖峰值對應(yīng)于發(fā)射天線直接指向接收天線的脈沖。圖7（b）中直達(dá)波脈沖的能量比回波脈沖強(qiáng)得多，直達(dá)波脈沖是具有大約2.37 ms的脈沖重復(fù)周期和脈沖寬度為160 μs的LFM信號。

圖7 采集的I∕Q數(shù)據(jù)

3.3 實驗結(jié)果

在本實驗中，非合作雷達(dá)輻射源為L波段岸基雷達(dá)，并使用相關(guān)實驗設(shè)備進(jìn)行被動探測進(jìn)出港口的海上船只。實驗不斷采集和記錄岸基雷達(dá)的直達(dá)波和海上目標(biāo)回波數(shù)據(jù)。通過PC 端數(shù)據(jù)分析和處理，完成了直達(dá)波參考信號重構(gòu)和脈沖壓縮，繪制了系統(tǒng)的P顯圖和B顯圖。

首先，提取直達(dá)波信號的參數(shù)，構(gòu)造參考信號并完成脈沖壓縮。在接收信號中截取一段完整直達(dá)波信號，對其進(jìn)行各階分?jǐn)?shù)階傅里葉變換后得到如圖8的FRFT變換域，可見變換域中有一峰值，尋峰操作找出峰值后用公式（6）計算出參數(shù)估計值即可重構(gòu)參考信號。

圖8 FRFT變換域

不同方法脈壓后結(jié)果如圖9所示，可見脈壓后產(chǎn)生了可見峰值，該峰值實際是直達(dá)波脈壓的結(jié)果。由圖9（a）、（b）對比看出，重構(gòu)參考信號脈壓結(jié)果相對于樣本脈壓結(jié)果旁瓣干擾和噪聲更少，并且峰值聚集度更高，所以重構(gòu)參考信號脈壓效果優(yōu)于樣本脈壓。

圖9 脈沖壓縮結(jié)果

重構(gòu)參考信號脈壓后畫出海上目標(biāo)的P 顯和B顯圖，其中所用的脈沖總數(shù)為4 200，圖10為PRB系統(tǒng)海上目標(biāo)檢測圖。目標(biāo)區(qū)域用兩處黑色方框標(biāo)記，該區(qū)域是近海岸處的錨地，并有船只進(jìn)出該地。位于發(fā)射機(jī)正北和東北方向20 km 左右的幾處目標(biāo)較為清晰，成功捕捉到7 個海上目標(biāo)，其中錨地處有5 個目標(biāo)，進(jìn)出錨地的航道處有兩個目標(biāo)。箭頭所指雜波為近地雜波，條狀雜波主要為直達(dá)波旁瓣干擾，可見雖然經(jīng)過參考信號加窗處理減少直達(dá)波旁瓣的干擾，但仍有部分干擾保留。

圖10 PBR系統(tǒng)海上目標(biāo)探測顯示圖

圖11（a）為目標(biāo)區(qū)域放大后的B 顯圖，橫軸代表雙基地距離單元，縱軸代表選取的PRT 數(shù)量。圖11（b）是其所對應(yīng)的距離-多普勒（R-D）圖。橫軸表示雙基地距離單元，縱軸表示多普勒頻率。從圖11（a）、（b）可以看出，目標(biāo)區(qū)域內(nèi)有多個目標(biāo)，目標(biāo)1的多普勒頻率為-45 Hz，證明目標(biāo)1在向著遠(yuǎn)離接收機(jī)的方向移動；目標(biāo)2 和目標(biāo)3 的多普勒頻率為60 Hz，證明目標(biāo)2 和目標(biāo)3 在向著靠近接收機(jī)的方向移動。區(qū)域1 中的目標(biāo)的多普勒頻率為0 Hz，為靜止目標(biāo)。此外，雜波的多普勒頻率也為0 Hz，表明雜波是靜態(tài)雜波。選取圖中目標(biāo)進(jìn)行MTI處理，圖11（c）為圖11（a）MTI處理之后目標(biāo)區(qū)域的B 顯圖。經(jīng)過MTI 處理之后雜波基本被對消掉，所以這些雜波主要是靜止雜波，區(qū)域1 中靜止目標(biāo)部分消除，這是由于MTI濾波器0 頻處凹口過小導(dǎo)致的，而目標(biāo)1、目標(biāo)2 和目標(biāo)3 這些移動目標(biāo)被保留下來。由此可見，利用非合作雷達(dá)發(fā)射機(jī)對海上目標(biāo)進(jìn)行被動雷達(dá)探測，實現(xiàn)海上移動目標(biāo)探測是完全可行的。

圖11 PBR系統(tǒng)動目標(biāo)處理結(jié)果

4 結(jié)束語

本文介紹了一種用于海上目標(biāo)探測的被動雷達(dá)系統(tǒng)，該系統(tǒng)以L波段岸基雷達(dá)作為非合作雷達(dá)輻射源發(fā)射機(jī)，可以接收發(fā)射機(jī)直達(dá)波信號和目標(biāo)回波信號。給出了一系列信號處理流程，在PC端通過Matlab 完成了直達(dá)波參考信號重構(gòu)、脈沖壓縮、直達(dá)波干擾抑制、非相參積累、MTI 和MTD運動目標(biāo)處理，實現(xiàn)對海上目標(biāo)的檢測。針對雙基地?zé)o源雷達(dá)在海上目標(biāo)探測的實際應(yīng)用，團(tuán)隊進(jìn)行了一系列實時目標(biāo)探測的外場實驗，成功采集了一些直達(dá)波和回波數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行了一系列的分析和處理。實驗獲得了非常清晰的顯示圖，并成功檢測到進(jìn)出港口的船只。實驗證明系統(tǒng)對慢速海上目標(biāo)有較為良好的檢測能力，該系統(tǒng)可以用于海上移動目標(biāo)的檢測。