基于远程预警雷达的临近空间无源相干定位系统

薄 超，吴 昊，李文魁

(中国航天科工集团8511研究所，江苏 南京 210007)



基于远程预警雷达的临近空间无源相干定位系统

薄 超，吴 昊，李文魁

(中国航天科工集团8511研究所，江苏 南京 210007)

针对空中高价值隐身目标的探测问题，研究了基于远程预警雷达的临近空间无源相干定位技术。对目标探测距离进行了简单分析计算，给出了系统工作信号处理流程，对其中的主要关键技术进行了梳理。该技术可应用于无线电静默状态下的非协同探测定位系统项目，通过与电子侦察系统多传感器融合可以进一步完善防空体系无源探测网，完成对侦察目标在电子静默情况下的态势判断。

无源相干定位；远程预警雷达；临近空间

0 引言

战争中，当敌方雷达静默关机时，电子侦察设备将无法侦收雷达辐射源，进而导致侦察系统对目标态势监视的失败，这会极大影响武器效能的发挥，从而对防御电子系统造成破坏。而空基无源相干定位系统可以提供大的监视范围和监视海空中大型目标，对机载系统不能进入的地区进行覆盖，完成预警、遥感、控制、空间探索等任务，目前已受到广泛关注。因此开展空基对空大型目标(预警机、反潜机)进行非协同侦察探测具有较大应用价值。无源相干定位系统是一种利用第三方发射的电磁信号探测目标的双/多基地定位系统，该体制定位系统本身不发射能量，而是被动地接收目标反射的非协同式辐射源的电磁信号，对目标进行定位和跟踪。无源相干定位系统具有较多优点，主要有：1)无辐射和无需频率分配；2)反隐身和低空探测能力强；3)研发和维护成本低、易于部署。

近几十年来，利用广播电视、通讯基站、导航和通信卫星、无线局域网络等机会照射源的无源相干定位系统逐渐受到人们的重视并成为新型探测技术的研究重点[1-3]。国内外已成功研制了多种试验系统，获得了大量实测数据，无源相干定位系统的基础理论与关键技术已取得了突破性进展，其中典型的无源相干定位系统有洛克希德·马丁公司研制的“沉默哨兵”和法国Thales公司研制的HA100等。但上述系统中外辐射源的发射功率相对较低，信号处理时间长，且不利于无源相干定位系统的远程目标探测，从而考虑选用发射功率较大的远程预警雷达作为外辐射源，浮空器作为接收站。远程预警雷达的发射信号具有较好的模糊函数、较大的发射功率和较宽的信号带宽，可使无源相干定位系统具有更好的距离和多普勒分辨率，而浮空器的视距较远，从而延长探测系统的预警时间。因此本文对基于远程预警雷达的临近空间无源相干定位系统及关键技术进行了研究，为其工程应用提供了理论基础。

1 探测原理和功率分析

1.1 探测原理

基于远程预警雷达的临近空间无源相干定位系统原理如图1所示，RT为外辐射源与目标之间的距离，RR为目标到无源相干定位系统的距离，L为双基地距离。远程预警雷达和浮空器分别作为辐射源和接收站，采用相干检测技术对目标回波进行处理，从而实现目标探测。本系统采用基于外辐射源的单站测角定位体制，目标探测时，预警雷达和浮空器的位置信息可分别通过情报注入和导航自定位获取，即外辐射源到无源相干定位系统的距离L已知；通常远程预警雷达的信号发射功率较大，目标回波信号功率亦较强，因此可选DBF体制，方位向用比幅测角方法计算目标回波方向和直达波方向，从而计算出L与RR间的夹角，与此同时，直达波与目标反射波进行相关处理后可得RT+RR，进而根据三角计算公式可求得目标所在位置。

图1 基于远程预警雷达的临近空间无源相干定位系统原理图

1.2 功率分析

以AN/FPS-115“铺路爪”陆基预警雷达[4]为代表进行功率分析。由双基地无源相干定位系统方程可得：

(1)

式中，PT=582.4 kW为外辐射源的发射功率；GT=42.5 dB为外辐射源天线功率增益；GR为无源相干定位系统天线的增益；λ=0.7m为信号波长(根据雷达工作频段计算)；σ=100m2为目标的双基地雷达截面积(典型空中目标)；k为波尔兹曼常数；T0为标准温度；Bn=5MHz为接收机带宽(跟踪模式情况下的带宽)；(S/N)min=10dB为最小可检测信噪比(目标检测概率大于99%)；Fn为接收机噪声系数；Ls=2 dB为电缆损耗。通过上述数据计算可得GR=31.7dB。

利用预警雷达在不同模式下接收天线增益统计值如表1所示，表中显示在跟踪模式和群分辨模式天线增益相对较大，不利于工程实现，但可通过信号处理方式延长相干处理时间获取积累增益来减小天线尺寸。信号积累增益公式可近似为：

g=n1/2Bnτ

(2)

式中,n表示脉冲数，τ表示脉冲时宽。

表1 利用预警雷达作为外辐射源接收天线增益统计

2 无源相干定位系统信号处理流程及关键技术

2.1 信号处理流程

远程预警雷达的发射信号属于非合作信号，它的信号参数具有较强的随机性，因此必须采用复杂的信号处理技术才能得到较好的检测效果。无源相干定位系统目标检测采用相关处理技术，在接收系统中设置2个通道：参考通道和监测通道，分别用来接收参考信号和目标反射信号；通过此两通道的互相关模糊函数计算获取距离-多普勒谱，从而实现目标检测和跟踪，具体的信号处理流程如图2所示。

由于该系统工作模式与传统雷达有所不同，因此其信号处理有自身的一些特点：

1)在参考信道中，如何获得良好的相干参考信号和确切的直达波方向是实现相干检测和定位的关键。浮空器的位置可通过导航信息获取，辐射源位置可通过情报侦察获取，进而采用指向性的接收天线获取相干参考信号。上述方法容易实现，但辐射源信号波形具有随机性，浮空器在空中亦是运动的，参考信号中可能存在干扰和多径信号，因此需要利用复杂的信号处理技术对干扰和多径信号进行抑制和消除，以获取纯度较高的参考信号。

2)在目标信道中，如何获取目标回波方向、抑制直达波以及如何在强干扰下进行小目标检测也是实现相干检测的关键。由于远程预警雷达发射天线具有方向性，通常目标回波信号是雷达旁瓣信号，为了提高目标回波的信噪比，目标接收天线主波束亦应指向目标方向。由于空间传播的多径效应使得杂波较强，因此，在目标信道中除了微弱的目标信号外，还混杂有较强的直达波信号(通常直达波比目标反射信号强 80dB 以上[5])、地物反射信号和多径信号等杂波，这就决定了接收机实际收到的目标回波信号远小于杂波。

3)通常目标反射信号滞后于相干参考信号，为了得到多个距离通道，可采用迟延-多普勒匹配滤波的处理方法(距离-多普勒方法)。距离-多普勒处理采用相关和FFT运算，然后将数据传至恒虚警率检测部分以得到目标的距离和多普勒信息。之后就可以依据距离、多普勒等测量信息，利用数据处理方法对运动目标进行定位与跟踪。

4)恒虚警率检测是无源探测系统中信号处理的重要组成部分。在目标检测中，门限值恒定时，虚警概率随杂波平均功率的增长而急剧增加，从而导致数据处理设备过载，不能做出正确的判决，所以保持恒定的虚警概率有很大的实际意义[6]。此外，为了提高对动目标的检测能力，需要较高的积累增益，即进行长时间相关积累处理。

图2 无源探测系统的信号处理流程图

2.2 关键技术

由上述信号处理流程可知，外辐射源雷达信号处理的关键技术归纳起来有以下几个方面：

1)目标信道中直达波、地杂波及多径杂波的抑制。

在目标信道中目标回波与杂波的功率强度差异通常为60～140dB[7]，目标回波和杂波经相干匹配滤波后具有很强的距离-多普勒主峰和副瓣，这些副瓣会把弱目标回波信号淹没，故需要对接收信号进行杂波抑制才能检测到目标。杂波抑制的方法很多，比如合理的天线设计、接收端地形选择、系统配置和信号处理等手段，并结合较好的通道特性设计来减弱直达波、地杂波和多径杂波的相消剩余对目标探测的影响。关于杂波抑制的研究可参考文献[8]。

2)参考信道中多径杂波及地杂波的抑制(直达波提纯)。

无源探测系统通过附加的接收天线来获得参考信号，该方法虽然易于实现，但信号在空间传输时会产生多径现象，致使获得的直达波信号不纯，进而在匹配滤波时出现失配现象，严重影响无源探测系统的检测性能。为了提高系统的相干检测性能，必须对直达波信号提纯。目前直达波信号提纯主要有两种途径：一种是多径干扰抑制，比如利用通信信号处理中的复倒谱、自适应均衡和盲均衡等[8]技术来抑制外辐射源雷达中的多径干扰；另一种是直达波信号恢复或重构[9]。

3)微弱目标信号的检测。

在回波信号中微弱目标回波通常被直达波、地物杂波和多径杂波所淹没。这些杂波被抑制到一定程度后，为了达到所需的威力覆盖范围，就需要对目标回波做长时间相干积累，用来提高有效检测所需的信杂比。当探测系统的通道性能较好，以至于对杂波有很高的相消比时，相干积累的时间便会缩短。然而在实际系统中由于诸多因素的制约，各通道总是存在误差，从而降低了相消比，导致回波信号相干积累时间延长[7]。关于长相干积累检测小目标的研究可参考文献[10]。

4)长相干积累情况下目标多普勒扩散。

通常系统接收的回波信号是辐射源旁瓣照射到目标的回波，其信噪比较低，要想获得足够的信号处理增益以检测目标的距离和多普勒，需要较长时间的相干积累时间，而在此相干积累时间内目标的运动姿态和速度很有可能发生变化，引起目标多普勒扩散现象，因此多普勒汇聚技术亦应是本系统研究的关键。

5)目标跟踪及数据融合。

Howland 在文献[11]中介绍了无源探测系统的目标跟踪算法，而无源探测系统的跟踪方法中大部分是对辐射源的跟踪，关于双(多)基地工作模式的无源探测系统跟踪研究较少。近年来，多传感器数据融合技术发展迅速，该技术有望提高无源探测系统的跟踪精度。

3 结束语

利用远程预警雷达和临近空间浮空器，本文开展了无源探测技术研究。通过理论分析说明了该系统建设的可行性，针对该系统信号处理流程中遇到的难点，归纳出了数字信号处理中的关键技术，为提高无源探测系统目标检测性能和远程预警能力提供了一种新的技术构想，以实现对防御区域内隐身目标的高概率探测，对提升防空、反导能力具有较重要的意义。■

[1] Griffiths HD. From a different perspective: principles, practice and potential of bistatic radar[C]∥International Radar Conference, Australia, 2003: 1-7.

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[4] Skolnlc MI．雷达手册[M]．王军，等译.2版．北京：电子工业出版社，2003.

[5] Poor HV. An introduction to signal detection and estimation[M]. New York: Sping-Verlag, 1998.

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[11]Howland PE. Target tracking using television-based bistatic radar[J]. IEE Proc.Radar, Sonar and Navigation, 1999, 146(3): 166-174.

Near-space passive coherent location system based on remote early warning radar

Bo Chao, Wu Hao, Li Wenkui
(No.8511 Research Institute of CASIC, Nanjing 210007, Jiangsu, China)

To solve the problem of target detection for high-value stealth targets in the air, near-space passive coherent location technique based on remote early warning radar is researched. Simple analysis and calculation of target detection distance is carried out. The signal processing flow of the system is given, and the key technologies are sorted out. The technique can be applied to non-cooperative detection and location system project in radio silence. Passive detection network of prevention and control system can be more perfect through fusing with electronic reconnaissance system’s multi-sensor in order to complete the situation estimation of the target in the case of electronic silence.

passive coherent location; remote early warning radar; near-space

2016-03-28；2016-07-17修回。

薄超(1983-)，男，工程师，博士，主要研究方向为无源定位技术。

TN971+<.5 class="emphasis_bold">.5 文献标识码：A.5

A