基于DRM数字调幅广播的高频外辐射源雷达实验研究

万显荣 赵志欣 柯亨玉 程 丰 饶云华 龚子平

(武汉大学电子信息学院无线电探测研究中心 武汉 430079)

1 引言

利用高频电磁波(HF,3～30 MHz，又称短波)沿导电海面绕射传播特性和沿电离层返回散射传播机理可分别构建地波雷达、天波雷达和天地波混合雷达[1－6]，3类雷达均具有作用距离远、超视距、反隐身等突出优点，是用于战略预警、国土防空、海洋权益维护的重要装备，此外该雷达还可作为远程大面积海洋表面动力学参数(风、浪、流)监测和大区域电离层环境遥感的有力手段。现有该频段雷达多采用主动辐射信号的有源体制。

高频外辐射源雷达(HF Passive Bistatic Radar,HFPBR)是一种利用第三方发射的高频电磁信号探测跟踪目标的双/多基地雷达系统，该体制雷达本身并不发射能量，而是被动地接收目标反(散)射的非协同式辐射源的电磁信号，对目标进行跟踪和定位。该雷达除具备上述传统高频天/地波雷达优点外，还集成了双/多基地外辐射源雷达的多种优点，主要包括：(1)无需频率分配、无辐射污染；(2)抗有源定向干扰、反辐射导弹、抗摧毁能力强；(3)研制和维护成本低、设备体积小、机动性强、易于部署等。因此该雷达为某些特殊需求(如不希望有主动发射源)的用户或“反隐身飞机网”提供了一种新的选择。

相对于VHF/UHF波段外辐射源雷达的研究[7－9]，HF波段外辐射源雷达发展相对滞后。但随着DRM(Digital Radio Mondiale)数字短波在全球覆盖范围逐步扩大，节目播出时间增长，为研究高频波段外辐射源系统提供了极为便利的条件。DRM数字广播标准是目前被国际电联广播业务组(ITU-R)确定为全球短波数字声音广播的唯一制式，从2003年6月16日日内瓦召开ITU无线电行政大会开始，国际上不少专业广播机构的部分发射台以 DRM 方式正式投入广播运行。这些发射台主要分布在欧洲，包括 BBC(英国)，DW(德国)，VOR(俄罗斯)，RNW(荷兰)等，因此在欧洲从事HFPBR研究具有得天独厚的优势。英国伦敦学院是国际上知名的无源雷达研究机构，从上世纪80年代初开始从事无源雷达的研究[10]，随着DRM数字广播在欧洲的播出，H.D. Griffiths 教授等人[11－13]近年开始探索 DRM信号作为雷达照射源的可行性，他们直接利用AOR公司AR7030短波通信接收机中频输出，采集了某26 MHz短波电台的 OFDM(正交频分复用)信号，通过实验数据分析，初步证实了OFDM信号具有图钉型模糊函数，而且距离分辨率与节目内容无关。澳大利亚阿德雷德大学Coleman等人[14]与英国巴斯大学合作，采用类似 Griffiths教授的方法，利用ICS554B数字接收机采集了DRM电台信号并分析了模糊函数，列举了 DRM信号的可能应用。澳大利亚DSTO超视距雷达专家G.A. Fabrizio近期也撰文介绍了在 HF无源雷达上的研究进展[15]，不过实验数据是基于机会高频雷达辐射源采集的，文中也提出了将来利用数字调幅广播照射源的设想。我国的数字广播在技术上是紧跟世界潮流的，数字广播取代传统模拟广播是大势所趋，我国现已在长沙开始了中波DRM广播，但短波DRM广播在我国发展比较缓慢，目前还停留在试验层面，但短波通过电离层超视距传播，国内现已具备开展该研究的条件[16,17]。本文主要叙述了利用武汉大学新近研制的有/无源一体化高频地波雷达设备，在我国进行外辐射源探测的研究进展，包括系统理论与关键技术、探测设备和初步试验结果等。

2 高频外辐射源雷达理论及关键技术

2.1 HFPBR的传播机理和雷达方程

与有源双基地高频雷达传播机理类似，根据DRM 广播发射站和接收站部署位置及高频电波传播特点，HFPBR可利用的主要传播模式有 4种：地波模式、天波模式、天地波混合和天波/视距直达波传播模式。为描述方便，本文主要讨论前3种模式如图1所示。若短波广播辐射的高频电磁波沿导电海洋表面传播、在与目标作用后又沿导电海洋表面绕射至接收站，则可构建地波模式HFPBR(黑色虚线)；若依靠电离层两次或多次反射到达接收点，可构建天波模式HFPBR(绿色实线)；如电波经电离层反射后再沿导电海面绕射传播到达接收点，则被称为天地波混合传播模式HFPBR(蓝色点划线)。

图1 HFPBR 3种传播模式示意图

3种传播模式对应的雷达方程可统一表达为

其中，Pt为发射天线功率，Gt为发射天线增益，σ为目标散射截面，Gr为接收天线增益，λ为工作波长，T为累积时间，传播距离R1,R2和传播损耗因子Lp在3种模式下的对应量如表1所示，Ls为系统损耗因子，K为波尔兹曼常数，T0为环境温度，Fa为大气噪声系数。

2.2 信号处理关键技术

2.2.1 探测信号结构与波形特性修正

DRM广播信号采用正交频分复用(OFDM)调制技术，可以很好地对抗频率选择性衰落，其标准中定义了5种不同的鲁棒模式(A～E)，允许发射端根据不同的传输信道与服务质量动态地调整信号参数。DRM广播信号传输以超帧为单位，每个超帧由多个传输帧组成，每个传输帧又包含多个OFDM符号，其基带信号可表示为[18]

表1 3种模式对应的R1,R2和Lp

其中，k为子载波序号，Kmin与Kmax为k的上下限；Ns表示一个传输帧里的OFDM符号个数；s为每帧符号序号；r为传输帧序号；cr,s,k为第r帧中第s个符号的第k个子载波的复调制数据；Tu表示OFDM符号有效部分时间长度，Tg表示OFDM符号循环前缀时间长度，Ts表示一个完整OFDM符号时间长度。DRM标准中常用模式B对应的各参数如表2所示。

模糊函数是研究雷达波形的有效工具，它描述了雷达系统所采用波形具有的距离分辨力、杂波抑制能力等潜在性能。由于外辐射源雷达波形并非为雷达探测系统专门设计，对其模糊函数的分析显得尤为重要。DRM模糊函数可表示为

表2 DRM模式B的OFDM参数

其中，τ是时延，fd为多普勒频移，其模糊函数如图2(a)所示，可见DRM信号具有图钉型模糊函数，但除零距离和零多普勒处的主峰外，还出现了很多有规律的副峰，因此需要基于DRM信号结构对波形特性进行修正。分析不同副峰的规律和形成机理并对相应部分处理后，副峰均被抑制，如图 2(b)所示，可见经修正后的信号具有理想的图钉型模糊函数。文中模糊函数图和距离-多普勒(RD)谱上的距离为相对于直达路径的距离差，多普勒为双基地角平分线多普勒。

图2 DRM模糊函数及其特性修正

2.2.2 直达波抑制

外辐射源雷达目标检测采用相干处理技术，即在接收系统中至少要设置2个通道：监测通道和参考通道，分别用来接收目标回波信号和参考信号；然后通过监测通道与参考通道的互相关模糊函数(2D-CCF，即匹配滤波)求解获取RD谱，从而实现对目标的检测与跟踪。DRM数字调幅广播外辐射源雷达通过将阵列接收天线波束分别指向发射台和目标方向以得到参考通道和监测通道信号。而由于波束宽度和副瓣的影响，监测通道信号中会不可避免地存在直达波和多径杂波，而直达波和多径杂波往往比目标回波强很多，其旁瓣使得目标在回波谱上被掩盖。因此，直达波和多径杂波的有效抑制是各种体制外辐射源雷达的主要难点之一，其解决方法大致可分为时域方法[19－21]和空域方法[22－24]。时域方法主要是基于维纳滤波理论，即依据不同的准则寻找M阶最优权系数W求解表达式，其中s(n)为监测通道样R本，sref(n)为M个参考通道样本构成的向量；根据不同的准则，可分为LMS,NLMS,RLS算法和LS算法。空域方法是多径杂波抑制常用的方法，普通双通道无源雷达系统可通过降低监测天线的副瓣来实现直达波抑制，多通道阵列无源雷达可通过自适应波束形成深零陷以抑制多径杂波。

2.2.3 参考信号重构

与有源雷达的探测波形先前已知不同，外辐射源雷达系统的参考信号是未知且随机的，如单纯通过波束形成得到的参考通道信号不可避免也会面临多径和噪声污染，因此纯净参考信号的提取是系统实现目标相干检测的关键，其中基于重构的信号提纯方法可获得更为干净的参考信号，其处理流程如图3所示，其中各步骤所包含的具体内容也在图中给出。接收信号的解调误码率对参考信号的重构质量有一定影响，而重构质量却直接影响了时域直达波抑制的能力，如图4所示仿真结果可见，误码率越低，直达波抑制效果越好。

图3 参考信号获取与重构流程

图4 误码率与抑制能量关系统计

2.2.4 目标定位

目标定位主要针对天波和天地波混合模式，因为此模式下系统得到的实际上是目标在自由空间、电离层及海洋表面传播的群路径与直达波路径之差，而目标距接收站的实际地面距离才是我们关心的，因此在天波和天地波混合模式下必须考虑目标的定位问题。

对于最简单的均匀球对称结构电离层情况，天地波混合模式下的目标与雷达系统位置关系可简化为平面几何关系[5]。利用三角函数公式可推出目标定位方程为

其中R为目标相对于接收站的距离，D0为从发射站到接收站的基线距离，h为电离层等效虚高，θ为目标与收发基线之间的夹角，d为天地波混合路径距离，可以由时延差和直达路径距离得到。同理可以求得天波模式下的目标定位方程。但实际中电离层是随时间空间变化的，因此要实现目标精确定位就要依赖实时电波环境参数和部分先验信息并运用复杂的电离层传播理论、灵巧的电离层重构技术和精确的射线追踪技术来处理。

3 实验设备

武汉大学新近研制的主被动一体化高频地波雷达基于软件无线电思想设计，发射和接收均采用全数字方案，具有很好的通用性和可扩展性，是一部兼容多基地、多频率、多波形并且可实现多功能探测的实验系统。系统工作频段8-25 MHz，发射可采用对数周期天线或三元组合单极天线，接收天线单元采用宽频带2 m高无源单极螺旋天线，接收系统可灵活配置为16-32通道。收发系统结构示意图如图5所示。

图5 收发系统结构示意图

本次实验共设计了两种探测模式，接收阵列沿海岸布置，接收的DRM 广播信号分为真实外辐射源和自主外辐射源。真实外辐射源探测实验直接接收国外对华广播的DRM 信号。自主外辐射源探测实验主要用于解决两方面的问题：一方面可以用于外辐射源信号的分辨性能和接收系统设计研究，因DRM广播的OFDM波形并非专为雷达探测设计，用于雷达探测时会遇到传统探测波形(如线性调频，相位编码)所未曾面临的问题，如探测波形特性需要修正、需要更大动态范围的接收机系统等；另一方面用于如上所述的关键信号处理算法前期研究。自主式外辐射源探测收发采用双基地结构，由频率合成器模拟产生 DRM 广播信号通过功率放大器后由天线发射，接收系统在信号处理时采用两种方式，(1)假设发射波形未知，则系统工作在无源探测模式；(2)假设发射波形已知，则系统工作在有源探测模式。在数据分析时因发射波形实际上事先已知，可以将两种不同处理方法的结果进行比对。

4 实验结果

4.1 自主式外辐射源探测实验

实验中自主式高频外辐射源探测采用双基地地波传播模式，发射站位于青岛沿海，接收站位于烟台沿海，实验布局如图6所示，收发站间的距离约为50 km。通过频率综合器模拟产生DRM标准B模式信号，经由1 kW功率放大器输出。接收天线为32元双排线阵，发射信号主要经过地波传播模式到达接收阵列。图7(a)～ 7(f)给出了地波模式的探测结果，可见 DRM 外辐射源雷达可实现对不同目标(飞机、舰船、海洋和电离层)的探测：图 7(b)的RD谱上电离层回波具有宽多普勒扩展特性，几乎覆盖了整个多普勒分析带宽；经过空时域自适应处理(如自适应数字波束形成等)滤除直达波后，被掩盖的目标得以显现；且连续跟踪到了飞机和舰船目标；由于同时存在地面多径回波和海洋回波，杂波环境复杂，杂波的有效抑制方法是一大技术难题。

4.2 真实外辐射源探测实验

图6 自主式高频外辐射源探测实验布局图

图7 自主式高频外辐射源探测结果

真实DRM外辐射源雷达采用同样的接收阵列，在不同时段分别接收德国和俄罗斯的 DRM 广播信号，其中俄罗斯DRM对华广播的电波覆盖如图8所示。由于距离达几千公里，发射信号被电离层反射传播到达接收阵列。图 9给出了利用俄罗斯 15 MHz DRM广播电台的探测结果，图9 (a)和图9 (b)分别对应天地波混合模式和天波模式的回波谱。根据2.1节所述不同传播模式下的雷达方程，目标与雷达系统位置关系简化为平面几何关系，下面给出图8所示收发配置在典型传播条件下的最大地面探测距离结果：电台发射功率Pt=3 0 kW，发射天线增益Gt=1 2 dB，收发系统地面距离为2020 km，接收阵列增益Gr=1 5 dB，系统损耗Ls=1 0 dB,Fa=3 7 dB。舰船目标散射截面σ=3 0 dBm2，其与接收站连线同收发基线夹角为 90°，累积时间T=218 s，设定最小目标检测信噪比为 11.2 dB(检测概率 0.5，虚警率 1 0−6)时，天地波混合模式下设电离层等效反射高度为250 km，天波路径传播衰减为8 dB，五级海态，其相应的最大地面探测距离约为180 km；天波模式下设两次天波路径电离层等效反射高度分别为220 km和280 km,Lp=12 dB，其相应的最大地面探测距离典型值为1500 km。对于相同几何位置、散射截面σ=2 0 dBm2的飞机目标，累积时间T=2 0 s ，其在天地波混合模式下的最大地面探测距离约为160 km。高频雷达是一种典型的环境依赖型设备，此处仅给出了典型参数和简单模型下的部分探测性能。

图8 真实高频外辐射源探测实验布局图

图9 真实外辐射源实验15 MHz信号探测结果

5 结论

高频外辐射源雷达集成了传统高频天/地波雷达和双/多基地外辐射源雷达的多种优点，具有广阔的应用前景；该雷达的研究除面临传统高频天/地波雷达和双基地无源雷达的难点外，还涵盖了数字通信技术与雷达技术交叉而引入的一系列新问题。本课题组在国家自然科学基金多个项目资助下，利用武汉大学新近研制的全数字有/无源一体化高频地波雷达系统，开展了我国首次基于DRM数字调幅广播的高频外辐射源探测实验，并对探测的关键技术进行了前期研究，给出了HFPBR的3种传播模式很有意义的探测结果。据作者知识所及，上述实验结果报道在国际上尚属首次，后期工作将进一步完善HFPBR不同传播模式下的探测理论模型以及深入研究目标信息获取关键技术。