海上目標無源態勢感知技術試驗研究

張財生,劉 瑜,宋 杰,孫 順,王 聰,何 友

(海軍航空大學, 山東 煙臺 264001)

0 引 言

隨著海洋權益爭奪的日益激烈和海上活動的不斷增多,對海上目標的準確感知和監視成為維護國家海洋權益和保障海上安全的關鍵[1]。傳統的有源感知技術,在某些情況(如雷達因電磁干擾、目標隱身技術或環境因素的影響)下的使用會受限[2]。無源感知技術,利用自由空間中已存在的電磁頻譜資源,通過偵收各種非合作雷達輻射源照射的直達信號和海上艦船、低空無人機等典型目標二次散射產生的回波,以無線電靜默的方式即可實現對海上目標的探測與識別,具有優越的隱蔽性和抗干擾能力,成本低、功耗小,能夠依托海上各種平臺部署態勢感知節點,彌補現有無源探測技術(無線電偵測、光電探測)在探測目標類型和多目標探測方面的能力局限,又比裝備主動雷達的平臺具有更高的安全性和隱蔽性,在海上目標感知領域具有廣闊的應用前景。

國內外在基于連續波體制的民用機會照射源開展目標探測方面,尤其是基于數字電視或數字調頻廣播等信號的無源探測技術研究方面取得了顯著的成果,在目標檢測和定位理論方面也取得了很多的進展[3-6],但對該技術的研究和應用,主要體現在陸基固定站平臺上的應用,同時也存在一些不足：(1)對于海上目標探測,尤其是遠海,民用信號資源非常有限,在遠離海岸幾百公里的海域幾乎收不到信號;(2)由于FM/TV 或全球定位系統等民用信號并不是為了目標探測而專門設計的,其信號功率(作用距離)和信號帶寬(距離分辨力)往往不如雷達信號,無法滿足對電磁輻射有限制同時又對目標探測性能要求較高的應用。此時若利用脈沖雷達信號(包括海、空、天基軍用/民用雷達信號)作為非合作輻射源,具備如下主要優勢：(1)無源態勢感知系統成本較低,采用“遠發近收”的工作體制,可提供較大的探測距離;(2)與民用機會照射源相比,利用脈沖雷達信號作為非合作輻射源,這些雷達通常具有較為廣闊的探測區域,發射功率大、目標分辨力好;(3)系統幾何配置靈活,可以獲取目標的非后向散射回波,可為海上平臺的隱秘探測提供支撐,為維護國家海洋權益和保證海上安全提供重要支撐。

為了分析基于脈沖雷達信號開展海上目標無源感知技術的可行性和有效性,開展了相關外場試驗。試驗觀測背景在煙臺周邊海域,非合作雷達輻射源發射機位于某山頂,無源感知系統位于某綜合樓樓頂,并以海面上的各種船只為試驗探測目標,利用船舶自動識別系統(AIS)位置信息進行探測性能驗證。非合作雷達輻射源信號的載頻、脈沖重復頻率(PRF)、波形樣式等信息未知,需要利用直達波脈沖信號來實現頻率、時間和相位同步。本文將研究基于脈沖雷達信號的無源感知試驗中涉及的直達波脈沖信號參數的測量、天線掃描特性分析和信號相參性分析、無源相干檢測和顯示校正等方面的問題。

1 無源態勢感知系統概述

無源感知系統不發射電磁波,其探測目標的基本原理如圖1所示,其利用第三方非合作雷達來探測目標時,無源感知系統和非合作輻射源之間沒有專門的物理鏈路進行信號同步,系統通過接收非合作輻射源發射的直達波信號和海上各種典型目標二次散射產生的目標回波,實現對海上各種目標的無源監視、定位和識別,可為海上信息節點實現重點海域、關鍵航道的無源感知提供低成本的目標隱秘感知方法,全面提升海上目標綜合感知能力。

圖1 海上目標無源感知系統的基本原理

系統采用的輻射源是某遠程對海監視雷達,其天線副瓣電平較高,比主瓣低約為10 dB～15 dB,在目標回波信號接收時,定向接收天線可以在非合作雷達輻射源發射信號的整個扇區內收到直達脈沖信號,不需要專用直達波參考天線來接收直達波信號,但為實現對目標的檢測和定位,需要通過分析直達信號來測量天線的掃描時間和發射信號的PRF等參數。當直達信號脈沖可檢測時,可用于時間同步,將發射波束第一次掃過接收機站點時測量到的直達脈沖信號作為時間同步的基準,通過將采樣點除以采樣頻率Fs即可獲得每個信號的采樣時刻ts(s)=n/Fs,而相鄰直達波脈沖信號之間的時間間隔就是脈沖重復間隔Tr。在完成PRF同步后,雙基地距離等于直達波脈沖與目標回波信號間的時差ΔtTR乘以光速c,即

RT+RR-L=cΔtTR

(1)

式中：RT為非合作雷達輻射源到目標的距離;RR為目標到無源感知系統的距離;L為非合作雷達輻射源到無源感知系統間的距離。因此,雙基地距離的最大無模糊距離等于直達脈沖信號的脈沖重復間隔Tr與c的乘積,而直達波信號的到達時刻對應的雙基地距離RT+RR-L=0。

2 非合作雷達輻射源直達波脈沖信號分析

系統為了確定非合作雷達輻射源發射天線掃描角度和發射波形,需要利用直達信號來進行精確的時間同步和相位同步。而為了實現各種相參處理,對相位同步的精度要求通常比對時間同步的精度要求更高。在本試驗中,時間同步的更新時間Tu由非合作雷達輻射源發射天線的掃描周期Ts決定。為了分析非合作雷達輻射源信號參數,基于直達波相鄰脈沖串信號,如圖2所示的相鄰脈沖重復周期內的信號波形,相鄰脈沖間信號對應的采樣點數為4 750,可得非合作雷達輻射源信號的脈沖重復周期為

圖2 相鄰脈沖重復周期內的信號波形

Tr=4 750×0.005=2.375 ms

(2)

由于非合作輻射源是PRF固定的遠程對海監視雷達,因此在直達信號脈沖到達之前很可能存在僅有噪聲的時段。進一步將圖2所示的脈沖信號波形局部放大后,得到如圖3所示的直達波脈沖信號脈寬內的信號波形,脈沖內部對應采樣點數為483,可得信號的脈沖寬度為

圖3 直達波脈沖信號脈內的信號波形

τ=283×0.5=141.5 μs

(3)

通過觀測多個周期,可發現在測量期間非合作雷達輻射源發射的是PRF穩定的線性調頻脈沖信號,信號脈沖寬度約為141.5 μs。

實際中,當非合作雷達輻射源和接收系統間沒有直視距離的條件下,可以用發射信號的衍射或多徑分量來進行同步,但在整個掃描周期內,可能無法獲得穩定的雜波,就無法實現脈沖間的相位同步。若有一部分掃描時間不存在直達信號或穩定的雜波,時間同步、頻率同步和相位同步只能在天線掃描間實現,因此對時鐘穩定性的要求高,但可以減小雜波干擾和直達波對目標回波信號的遮擋。

3 非合作雷達輻射源天線掃描特性分析

由于接收天線波束寬度較大,角分辨率較差,因此無法利用接收天線波束的指向特性在雙基地等距離線上精確定位目標。而非合作雷達輻射源發射天線的半功率波束寬度較窄,因此與波束指向的同步可以提高目標的定位精度。然而,與單基地雷達目標探測過程中的雙程傳播效應相比,在無源感知系統中發射波束的方向性僅體現在單程照射上,導致雙基地角分辨率較低。當雷達輻射源掃描周期穩定且位置已知時,其發射天線波束指向的方位角位置可以通過掃描中最強的直達脈沖信號對應時刻來確定,即非合作雷達輻射源的發射波束與無源感知系統接收波束對準的時刻,此時發射天線對應的方位角AT為

(4)

式中：ATR是以真北為參考時發射天線波束對準接收天線時對應的方位角;Δt為相對直達波脈沖信號峰值時刻的時延;Ts為天線掃描周期為Ts(s)=N/Fs;N為相鄰直達波脈沖信號峰值之間的采樣點數。圖4所示為非合作雷達輻射源相鄰掃描周期內的信號波形,峰值對應的是非合作雷達輻射源發射天線與無源感知系統天線對準時接收到的直達波。相鄰峰值間對應的是一個天線掃描周期內的采樣,已知采樣間隔Δt為500ns,相鄰峰值間的采樣點數N為2×107,對應天線掃描周期為10s,即非合作雷達輻射源發射天線轉速為6 r/min。因此,利用直達波脈沖采樣可以分析非合作雷達輻射源發射天線的掃描特性。

圖4 非合作雷達輻射源相鄰掃描周期內的信號波形

估計得到天線掃描周期后,就可以通過測量發射波束掃過接收天線對應的脈沖串信號幅度變化,來確定發射天線的方位波束寬度,從而確定其方位角分辨率。將圖4中的峰值局部放大后得到圖5所示的發射波束寬度內對應的脈沖串信號,可以發現當發射波束掃過無源感知接收天線時,來自發射機的水平天線方向圖具有Sinc函數的形式,已知峰值內的采樣點數N為2×105,則發射天線主波束對應的掃描時間為T1=NΔt=0.10 s,對應非合作雷達輻射源發射天線在方位維的半功率波束寬度θ0.5為1.8°。

圖5 發射波束寬度內對應的脈沖串信號

4 信號處理與試驗結果

本節將給出無源態勢感知系統的相參處理過程,而相參處理的前提是相位同步處理。這是無源感知系統需要解決的關鍵問題,完成時間同步和相位同步后,將對測量的原始數據進行脈沖積累、動目標顯示(MTI)、恒虛警(CFAR)檢測等處理,處理流程如圖6所示。

圖6 目標回波信號的處理流程

4.1 回波信號相參性分析與預處理

系統處理的前提是相位同步,而不同的相位同步方法對時鐘的穩定度要求也不同：如果系統能實現脈沖間的相位同步,則所需的時鐘穩定度為Δφ/2fcΔtTR,其中Δφ是允許的相位誤差,fc是載頻,ΔtTR是直達波和目標回波信號間的雙基地時延;對于僅能在發射天線周期掃描間開展相位同步的情況,則所需的時鐘穩定性將隨著發射天線周期的增加而增加。

圖7給出了一個完整天線掃描周期的原始目標回波,無法直觀看到目標的相關態勢,有待進一步處理,圖8所示為原始目標回波信號脈沖串的相位和展開相位,噪聲和雜波區對應的回波信號的相位沒有相參性,目標回波對應的脈沖信號相位具有較好的連續性,但需要開展相位補償處理。相位補償處理后回波脈沖串的相位和展開相位如圖9所示,如果目標在脈沖間不起伏,則可進行多脈沖積累,以提高檢測性能。

圖7 一個完整天線掃描周期對應的原始目標回波

圖8 原始回波脈沖串的相位和展開相位

圖9 相位同步后回波脈沖串的相位和展開相位

4.2 脈沖積累與MTI處理

當回波信號有了明確的相位關系后,可采用相參積累。對于單基地雷達,其可積累的脈沖數通常是發射天線半功率波束寬度ΔθT范圍內掃描照射目標期間,接收系統截獲的脈沖數。而對于無源感知系統接收天線的方向性和視角將影響目標駐留時間,采用寬波束接收天線時將與單基地雷達確定積累脈沖數Nd的方法相同。圖10所示為基于實測數據非相參積累后的結果,與圖10所示的積累前的結果相比,非相參積累得到的是Nd個脈沖包絡的均值,減小了不相關加性噪聲的方差,目標更加清晰。

圖10 基于實測數據非相參積累后的結果

理論上,利用Nd個脈沖進行相參積累,是對回波信號進行復數相加,噪聲功率可以降低Nd倍。實際中,相參積累后目標信噪比改善程度取決于目標回波的相參性。如果能夠實現精確的相位同步,則Nd個脈沖積累后的信噪比可以提高到Nd倍。圖11所示為基于實測數據相參積累后的結果,與非相參積累僅僅積累幅度信息相比,相參積累更能提高信噪比。

圖11 基于實測數據相參積累后的結果

為了比對分析非相參積累和相參積累的結果,首先分析脈沖同步處理后脈沖積累前的對應回波的噪聲基底。利用完成相位同步和無源相干處理后的回波信號中,只含噪聲分量的采樣點進行統計分析。利用連續多個脈沖重復周期內都含有有效目標回波的數據,分別基于實測數據逐個脈沖相干處理輸出結果、非相參積累后輸出和相參積累后輸出的數據矩陣,抽取200×200個噪聲采樣數據的進行統計分析,得到如圖12所示的噪聲基底測量結果。當不采用脈沖積累時,而其噪聲電平可用于計算輸出端的信噪比。可以看出非相參積累后噪聲均值基本差不多,但標準差減小了,而相參積累后中,噪聲的均值和標準差都減小了。

圖12 脈沖積累前后噪聲電平的統計分析

圖13所示為脈沖積累前后目標回波信噪比的變化,可以發現與未積累的噪聲輸出回波相比,非相參積累后噪聲的抖動范圍明顯減小,而目標信號的峰值輸出基本相同,但與不積累的輸出相比,非相參積累后輸出的目標附近的副瓣降低了3 dB～4 dB。

圖13 脈沖積累前后目標回波信噪比的變化

然而,脈沖積累過程中雜波也會積累起來。無源感知系統為了更好地抑制雜波,也需要采用MTI、動目標檢測等具有雜波抑制性能的信號處理方法。對脈沖回波開展MTI對消處理可以減弱靜止雜波的影響,對消過程中采用一次對消處理的方法,即利用相鄰兩個脈沖回波進行對消處理;MTI一次對消處理的結果如圖14所示,可以發現,對消處理后還有雜波剩余,然后基于對消后的輸出再次開展非相參積累處理后,結果如圖15所示,從圖15中可以明顯發現目標回波變得更加清晰,能發現3個運動目標,但同時固定雜波對消剩余也部分積累起來了。因此,通過對消處理抑制靜止雜波后,非相參積累可以提高信噪比,但對慢速運動雜波的對消效果較差,需進一步處理。

圖14 MTI處理結果

圖15 MTI處理雜波對消后非相參積累結果

4.3 恒虛警(CFAR)檢測與顯示校正

由于回波信號中既包含目標回波信息,又包含背景噪聲和雜波,為了能更準確地檢測出目標信息,需要開展CFAR處理。實際信號處理時,考慮到海面雜波環境較復雜,為了能在雜波邊緣環境保持一個好的虛警控制性能,選用針對雜波邊緣而設計的GO-CFAR。GO-CFAR選取檢測單元兩側2個保護單元之外的40個參考單元取均值中較大者作為檢測器總雜波功率水平的估計,再結合門限因子Tn設計虛警門限閾值,將過門限值的單元列入有目標單元。在方位和距離二維平面內GO-CFAR處理結果如圖16所示,3個運動目標均可以檢測出,但同時還有5個雜波點也過了門限,根據統計結果可計算得檢測中的虛警概率為2.67×10-6。在目標檢測處理時,參考單元與保護單元的數量設置已結合回波的數據率和噪聲背景綜合考慮。試驗中發現,當數據率較低時,設置過多的參考單元會使對雜波背景的參考范圍過大,得到的雜波電平估計與實際不相符,導致檢測概率降低。

圖16 利用GO-CFAR算法處理的結果

到目前為止,目標檢測處理都是在雙基地距離-方位或多普勒-雙基地距離維,未考慮無源感知系統與非合作雷達輻射源之間的基線距離,實際中還需要通過基于目標探測中的雙基地幾何關系解算出目標相對無源感知系統的真實距離和方位。依據文獻[6]給出的雙基地距離解算公式,得到的校正結果如圖17所示。從顯示結果可以發現,在圖17的中心區域有一塊空白區域,該空白區域形成的原因是考慮了無源感知系統與非合作雷達輻射源之間基線距離后,對雙基地距離的校正導致的,與文獻[6]的理論分析一致。

圖17 以無源感知系統為中心的P顯圖及其與AIS信息的關聯對比

進一步借助船舶AIS獲取的海上船舶信息,可檢驗分析無源感知系統測量得到的海面目標位置、速度等信息的準確性。圖17也給出了系統探測信息和AIS信息、周邊環境的對應情況,可以發現環境雜波和目標探測信息與實際探測背景比較吻合,驗證了無源感知系統對海上船舶等目標探測的可行性和有效性。

5 討 論

上一節給出的是系統無源相干處理的過程和試驗分析結果,驗證了系統對海上目標探測的可行性和有效性。而隨著電磁環境的變化,海上目標無源感知技術將朝著更高探測精度、更廣范圍、更強抗干擾能力方向發展,同時也面臨著信號處理復雜度增加、目標特征變化多樣、海洋環境干擾等挑戰,也需要不斷創新和優化算法,提高信號處理能力和目標識別精度。

海上目標態勢感知理論應用于實際系統研制時,還有諸多工程化的問題需要解決,如系統需要根據實時測量的直達波脈沖信號參數、天線掃描規律開展無源感知系統時間同步、頻率同步和空間同步處理,并基于目標散射回波開展目標無源相干檢測、雙多基地定位和態勢顯示校正等實時處理。然而,其實現時間同步的唯一方法就是利用系統截獲的直達波脈沖信號作為接收系統采樣時鐘的同步觸發信號。文獻[7-8]給出了即使在直達波信號接收良好的情況下,直達波信號的信噪比影響PRF的估計精度后,采樣時鐘與接收信號不能精確同步時,脈沖間的相對采樣時刻存在漂移對脈沖間相參積累檢測性能的影響;文獻[9-11]給出了信噪比起伏和多徑效應等因素導致直達波信號相位紊亂,難以實現對發射信號頻率的準確估計時,對檢測和參數估計的影響。針對發射天線在方位上做機械掃描時其天線波瓣圖調制效應,可能導致直達波脈沖丟失和相位突變的現象,文獻[12-13]推導了存在脈沖丟失或/和相位突變時,系統互模糊函數峰值輸出的解析表達式,并借助信噪比損失和多普勒頻率估計誤差等參數來衡量脈沖丟失和相位突變的不利影響,給出了脈沖丟失或/和相位突變時的結果,并與理論計算結果進行對比分析。對于脈沖重復周期PRI為常數的脈沖信號,若系統能準確估計脈沖的PRI,并準確預測丟失的脈沖總數和相位突變時刻,則可以消除其帶來的不利影響。文獻[14-15]結合無源感知系統的特點,討論了發射天線掃描調制對系統相參處理可能帶來的損耗,給出了在發射天線掃描調制時系統接收信號的模型,分析了一般天線的方向圖傳播因子,然后分析了由于不能直接獲取發射信號波形,導致不能構建完美的匹配濾波器時,以理想匹配濾波輸出信噪比為參考,討論直達波信噪比起伏對系統相參積累輸出信噪比的影響,得到了三種工程等效近似天線方向圖條件下信噪比損失的解析表達式。在系統的目標檢測理論方面,文獻[16-17]研究了無源感知系統發射信號的帶寬未能準確估計而導致信號采樣帶寬失配時,廣義相參檢測器的構造思路,推導了適合目標檢測通用的廣義相參檢測統計量,得到了其檢測性能的解析表達式。

為了提高系統的實用性,亟需解決直達波信噪比非常低甚至無法截獲直達波時的目標檢測問題。遠海條件下,常見的非合作雷達輻射源發射天線的架設高度受其所在平臺的限制,無源感知系統與非合作雷達輻射源之間可能沒有視距,將無法截獲直達波,或者某些雷達采用高定向性天線且天線掃描的零點對準無源感知系統天線主瓣方向時,接收到的直達波信噪比非常弱。這些情況下,無法利用直達波信號來估計非合作輻射源發射信號的波形,也就無法基于直達波參考對目標回波做時延多普勒補償和互相關處理,導致無法采用傳統的無源相干檢測方法開展目標檢測。此外,與基于廣播電視信號的陸基外輻射源雷達相比,海上無源感知系統目標定位面臨的最大挑戰之一就是海上非合作雷達輻射源的地理位置是動態變化的,導致無法利用經典的雙基地基線距離即非合作輻射源與無源感知系統間的直線距離已知條件下的目標定位方法,還需要解決非合作雷達輻射源位置動態變化時的目標定位問題。

6 結束語

海上目標無源感知技術將以較低的成本賦予海上各種節點以無線電靜默的方式開展典型目標探測。本文主要介紹基于脈沖雷達信號的無源感知應用涉及的相關信號處理問題及其試驗結果。利用實測的直達波脈沖信號分析了非合作雷達輻射源天線掃描特性與信號參數,完成了與非合作雷達輻射源信號間的頻率同步、時間同步和相位同步處理,然后基于實測數據完成了直達波和目標回波信號的相參性分析和無源相干處理,并利用多脈沖回波信號開展了脈沖積累、MTI處理和CFAR檢測等處理,開展了基于實測數據的雙基地距離解算和顯示校正,并利用AIS信息對本試驗的處理結果進行了對比分析,驗證了基于脈沖雷達信號的開展海上目標無源態勢感知的可行性和有效性。

海上目標無源感知技術是一種新的可用于海上目標分布式無源自主感知的方法,將在海洋監測、海上安全、軍事防御等領域發揮更加重要的作用,實現對典型遠海區域全天候、全天時態勢感知。在遠海條件下,也可以實現對海上隱身目標和低空目標(如艦載無人機)的隱蔽監視與跟蹤,可大力提升我國關鍵海域、重要港口外圍、關鍵航道上的態勢信息感知能力。