TNR型调频广播外辐射源雷达探测实验

2019-05-18江胜利皇甫流成田明辉

雷达科学与技术 2019年2期

，江胜利，皇甫流成，田明辉

(1.中国电子科技集团公司第三十八研究所，安徽合肥 230088；2.中国人民解放军驻三十八所军事代表室，安徽合肥 230088)

0 引言

外辐射源雷达利用第三方的非合作信号，比如FM广播信号、模拟电视信号、数字电视信号、GPS信号等，作为其照射源进行探测，具有绿色环保、生存能力强、抗干扰性能好等优势。其中，调频波段(FM，88～108 MHz)广播发射功率大、覆盖范围广、反隐身，是一种被外辐射源雷达广泛利用的信号。洛克希德·马丁公司的“静默哨兵”和泰利斯公司研制的Home Alerter 100均利用调频广播信号作为主要照射源[1-2]。

实际使用中，利用单个调频广播信号进行探测非常容易受到信号带宽变化、目标RCS闪烁、甚至电波传播等因素制约，导致系统探测性能不稳定[3]。此外，受调频广播信号带宽和频段的限制，系统的定位精度差，也直接制约着调频广播外辐射源雷达的军事应用。

所以，充分利用不同发射塔的多个调频广播信号，构建一种TNR(多发一收)的系统，可以克服利用一个调频广播信号时发现概率低、定位精度差等缺点，对基于调频广播外辐射源雷达的发展具有重要的实用价值和研究意义。本文给出了一种TNR型系统探测实验方案，并构建实验系统进行了外场试验。实验结果证明，该方案可以有效提升基于调频广播外辐射源雷达的性能。

1 工作原理

当只利用一个调频广播信号时，通过测量回波信号与参考信号间的时间差τ、目标相对于接收站的方位φr、发射站和系统间的基线距离L，就可以解算出目标距离接收站的距离Rr，单源定位原理如图1所示[4]。

图1 单源定位工作原理图

时差估计τ=(S-L)/c，距离和S=Rt+Rr，L为收发站间距，即S=τ×c+L。因此得到Rr：

(1)

如式(1)所示，在只利用一个调频广播信号时，目标距离接收站的距离Rr与距离和测量误差、基线误差和测角误差相关。受到天线有效孔径的限制，在米波波段测角误差较大，因此造成测距误差也较大，即测角误差较大时目标的距离精度也会恶化。

当系统利用两个以上不同位置的发射台进行目标定位时，由于目标相对不同发射台的位置不同，系统得到两组距离和参数S1(S1=τ1×c+L1)和S2(S2=τ2×c+L2)，对应两个空间椭圆。通过解算，获得两个距离和椭圆的交叉点，再结合单站测量获得的目标方位，就可以解决多值问题，实现对目标的定位。这种方法摆脱了米波雷达测角误差大对系统的影响，能够得到更高的定位精度。

该定位技术是基于信号的到达时间之和(TSOA)与到达角(AOA)的定位技术，所以又称为TSOA/AOA定位[5]，如图2所示。

图2 两个辐射源交叉定位原理示意图

如图2所示，R1为接收站(坐标[x1,y1,z1])，T2(坐标[x2,y2,z2])和T3(坐标[x3,y3,z3])为广播发射站，目标在椭圆交汇处，θ为目标相对接收站的夹角。L1,2和L1,3为接收站到两个发射站的基线，r1为目标到接收站的距离，r2和r3为目标到两个发射站的距离。两个辐射源交叉定位时，获得基础方程如式(2)所示：

(2)

式中，

(3)

式中，r1,2,r1,3和θ可以测量获得。通过采用改进的线性最小二乘算法，可以较好地求解上述方程。算法先利用距离和方程组估计目标位置的初始估计值(初始值可通过单站定位获得)，然后利用初始值和最小二乘算法可以获得目标位置的修正量，进而得到目标位置的新估计值。如此迭代，可以得到目标距离接收站的距离和方位[5]。

2 广播信号优选

每个发射台的节目数根据全国广播电视覆盖网总体规划要求，一般情况省市级主要发射塔：电视为1～4套节目，调频广播为1～5套节目；而且，雷达系统接收机灵敏度高。尤其当实验场地位于高山时，系统可以接收到大量的广播电台信号(如图3所示，系统可接收电台超过40个)。但是，这些电台信号并不是都适合于进行目标探测，因此外辐射源雷达工作时首先要进行辐射源筛选。系统在进行辐射源筛选时，要综合考虑辐射源的发射功率、发射天线层数、发射天线方向性、调制形式、是否受到干扰和干扰抑制效果等多个方面，然后根据综合评定结果，完成单个辐射源的优选。

图3 空间频谱图

本文在进行多源探测优选时主要考虑以下因素：

1) 探测威力

利用民用广播的外辐射源探测系统实际是一种特殊的双基地系统。当广播发射站、接收站以及涉及系统威力的功率、天线增益等因素确定后，系统的收发距离积为一常数，系统的等信噪比探测范围按卡西尼卵形线分布，如图2所示。

(4)

虽然无论选择何处的电台，系统的距离积都是一样的，不影响系统的技术性能；但是，从作战性能角度分析，目标距离接收站的距离Rr更为重要。因此，在距离积一定的情况下，为了保证作战性能，应当尽量选择距离探测任务区域较近的电台。

2) 基线夹角

基线距离定义为辐射源到外辐射源雷达的距离。基线夹角定义为不同辐射源和雷达站间的夹角，如图4所示。

图4 基线和基线夹角

如图5所示，为了保证探测范围和精度，选择的电台要分布在阵地的两侧，基线夹角180°为最佳。

(a) 基线夹角和距离精度关系图

(b) 基线夹角和方位精度关系图图5 距离精度和方位精度的基线夹角变化图

3) 信号带宽

FM信号由于播送的节目内容不同，频谱上存在较大差异。节目停顿时瞬时频率的变化较大，带宽较低。一般情况下，音乐节目的FM信号的瞬时带宽在100 kHz以内，而静音时系统频谱只剩下主载波。

广播信号的带宽直接影响着系统的探测威力、分辨率和探测精度。广播信号随着不同节目的变化，带宽会发生较大变化。如音乐节目的有效带宽较宽而且相对比较稳定、其模糊函数为图钉形，如图6所示；评书和新闻节目的带宽较窄而且变化快，其模糊函数不再为图钉形，如图7所示。

(a) 音乐节目频谱

(b) 音乐节目模糊函数图6 音乐节目的频谱和模糊函数图

(a) 谈话节目频谱

(b) 谈话节目模糊函数图7 谈话节目的频谱和模糊函数图

因此，利用民用调频广播探测系统尽量避开连续长时间的单声道语音节目，选择以音乐进行调制的立体声节目为佳。

4) 多频点高低组合和发射塔高低搭配

选择的频点尽量高低频点搭配，同时尽量利用不同位置、不同高度的发射塔，等效增大垂直发射天线发射孔径，共同改善空域覆盖情况[6]。

3 系统试验及结果

3.1 试验系统构成

根据调频广播信号的特性和外部调频广播辐射源的实际分布情况，构建了一种可以同时利用多个发射塔的不同调频广播信号的TNR型试验系统。该系统工作在调频广播频段(87～108 MHz)，可同时利用4个不同的广播频点，周边主要发射塔和试验系统的位置关系如图8所示。为了保证能接收到不同方向的电台信号，系统设有4套参考天线。

图8 系统组成框图

在试验过程中，首先根据周边的电台分布情况，在每个发射塔筛选出1～2个频点，在工作时可根据电台节目、是否受到干扰等情况灵活进行配置。

图9 试验系统周边电台分布情况图

3.2 仿真分析

对于图9所示的探测扇区，发射塔1和发射塔3近似构成“一”字形布阵，通过系统采用TSOA/AOA定位方法，可以改善系统测角精度差、定位精度低的问题，提升系统的性能。仿真时单站距离精度取800 m，方位精度取2.0°时，基于式(2)和式(3)所给TSOA/AOA定位方法，利用发射塔1和发射塔3的信号进行探测时，在200 km内，系统的距离定位精度可以达到0.3 km以内，测角精度可以达到0.3°以内，如图10所示。

(a) 利用发射塔1和3的距离精度分布

3.3 试验结果

试验系统对探测扇区内的多批民航飞机进行了连续的跟踪。选择一批典型的民航目标进行了统计分析。该目标连续探测约28 min，向站飞行，最大探测距离336 km，最近探测距离116 km。对各个频点的探测数据进行分段，每段约6 km，对各段的发现概率进行统计，如图11～图14所示。从图11～图14可以看出，各个频点在不同距离段的发现概率呈明显的波浪型，非常不稳定。为了更加直观地比较，以50%的发现概率作为门限，对各个距离段超过该门限的概率进行统计，如表1所示。从表1可以看出，当只用1个频点进行探测时，最高的为频点1，发现概率超过50%的占67.4%；最低的为频点2，发现概率超过50%仅占30.2%。

由此可见，单个调频广播信号进行探测受到信号带宽变化、目标RCS闪烁，甚至电波传播等因素制约，导致系统探测性能非常不稳定。