一种利用运动外辐射源的无源探测处理方法

王 烨，杨金超

(1.海军装备部，四川 成都 610036； 2.西南电子设备研究所，四川 成都 610036)

0 引 言

基于外辐射源的无源探测定位(PCL)技术(也称外辐射源探测技术)是指利用非合作辐射源信号，从接收到的目标对辐射信号的散射回波中提取目标信息，实现对目标的探测定位。基于非合作辐射源的无源探测系统具有隐蔽性好、战场生存力强和成本低等诸多优势，相关领域的技术研究和应用受到国内外学者的广泛关注。以洛克希德·马丁公司的“沉默哨兵”系统为典型代表，基于调频广播信号、数字电视广播(DVB-T，DTMB)的无源探测定位系统[1-3]的研究已趋于成熟。

近年来，基于运动平台的无源探测定位成为该体制无源探测技术的一个重要发展方向。国外的华沙工业大学(WUT)，英国伦敦大学学院(UCL)和新加坡南洋理工大学(NTU)在这一领域展开了相关工作，并基于机载或车载平台开展了试验验证，取得了一些有价值的成果[4-6]。

本文主要针对该体制利用运动外辐射源，介绍了外辐射源探测技术的定位原理以及性能评估方法，分析了利用运动外辐射源实现无源探测定位与传统基于静态辐射源的无源探测的主要区别，提出了利用运动外辐射源的信号处理方法，并通过仿真试验，验证了所提方法的有效性。

1 定位原理

外辐射源探测技术是通过接收的非合作照射源直达信号与目标对照射信号的散射回波的互相关输出结果来检测目标，得到目标对应的时间延迟、多普勒频移等信息，再利用测向对目标实现无源定位和跟踪。基于利用运动外辐射源的无源探测的原理如图1所示，此时，外辐射源可以在运动的车辆或者飞行平台上进行辐射。

图1 定位原理

由图1可知，针对每一节拍的处理，运动外辐射源持续照射目标，对于每一节拍的定位处理可以采用1个时差椭圆与1条侧向线交叉的方式实现对目标位置信息的获取。

对于每一个节拍的处理，双基地雷达方程[1]同样适用，系统接收到的目标回波的信号功率如下：

(1)

可评估在运动辐射源等效发射功率PER为15 kW，信号频率f为500 MHz，σ为民航飞机RCS取10 m2，接收增益GR为22 dB，损耗L为3 dB，利用此运动外辐射源，在系统灵敏度Smin为-148 dBm/8 MHz时，对目标的作用距离可达150 km以上。

2 方法研究

由上一章节的介绍可知，传统外辐射源探测的基本原理以及性能评估方法同样适用于利用运动的外辐射源，但是由于外辐射源由静止状态变为了运动状态，传统的处理方法不再完全适用，需要针对运动外辐射源的新状态，研究适应性方法。

这其中最重要的区别在于，对于静止外辐射源，静止地物杂波的多普勒为零，容易与多普勒不为零的运动目标区分，从而通过杂波抑制，实现目标检测。而对于运动外辐射源，由于运动辐射源的运动状态的变化，静止的地物杂波的多普勒不再为零，传统针对静止杂波的对消方法不再适用。本文提出基于杂波预测的逐级联合对消方法实现对运动杂波的有效抑制，其处理流程如图2所示。

图2 处理流程

图2中，回波信号包含了强杂波以及有用的微弱目标信号，通过利用参考信号进行逐级联合对消得到对消后的回波信号。此时，影响微弱目标检测的大部分杂波可被有效抑制。此后，对消后回波信号与参考信号进行二维相关处理，然后利用相关结果进行目标检测，数据处理部分可对剩余杂波进一步抑制，最后呈现目标航迹结果。

与传统的利用静态外辐射源无源探测系统信号处理不同，为了利用运动外辐射源，信号处理流程增加了基于场景的杂波预测，并改进了传统杂波对消方法，传统抑制静态杂波的对消方法替换为基于杂波预测的逐级联合对消方法。

在本文的应用场景中，固定的无源接收节点位置已知，可根据运动外辐射源的位置、运动状态，结合简单的环境地形地貌信息，根据电磁波散射与传统特性，对于确定的地物散射点，其时间延迟、多普勒等参数可通过计算获得。基于场景的杂波预测结果可指导后续的杂波对消处理，逐级联合对消杂波预测信号，实现杂波的联合对消处理，从而实现动杂波的有效抑制。

3 仿真结果

仿真场景如图3所示。

图3 信号同步输出结果

仿真场景中，圆圈表示无源接收节点，其设置位于坐标系的中心原点处，其运动状态为静止状态；星型符号表示辐射源，位置在图3坐标系中[25 km，-25 km，2 km]，其运动状态为[-200 m/s，0 m/s，0 m/s]；实心点表示地物杂波所在位置，其运动状态设定为静止状态。

基于简单的环境地形地貌信息，根据运动辐射源的位置、运动状态以及无源接收系统的位置，可对地物杂波在距离-多普勒维度的分布特性进行预测计算。如图4所示，给出了在图3特定场景下地物杂波的分布特性。由图3可知，该场景下，杂波分布在较为确定的多普勒-时延位置，且分布与所处角度相关。

图4 地物杂波分布特性

首先，本文给出传统对消的处理结果作为对比，如图5所示。图中灰色部分为处理前信号频谱，黑色部分为处理后信号频谱，对消后对消比18.81 dB(对消比定义为对消前信号能量减去对消后信号能量)。由图5可知，对消后还有一定的杂波剩余将影响微弱目标的检测。

图5 传统方法对消比

针对预测的地物杂波距离-多普勒维度的分布特性，设置级联综合对消得相应参数，本文所提基于杂波预测的逐级联合对消处理结果如图6所示，此时对消比提高到23.78 dB，同样，灰色部分为处理前信号频谱，黑色部分为处理后信号频谱，对比图5，对消比提高了4.97 dB，对消后信号更为平坦，可见杂波基本已经对消干净。

图6 所提方法对消比

二维相关后目标检测维度的结果如图7所示(该仿真数据中加入了1个目标信号)。由图7可知，经本文所提方法处理后，二维相关结果中目标清晰可见，可实现目标的检测。

图7 目标探测结果

4 结束语

本文首先介绍了利用外辐射源照射的无源探测定位的基本概念、基本原理以及外辐射源探测向运动平台发展的趋势，然后重点论述了利用运动外辐射源的应用场景，详细介绍了基于杂波预测的逐级联合对消实现目标检测的信号处理流程。本文利用仿真数据通过信号处理新方法实现微弱目标检测，验证了在运动外辐射源应用场景下，所提信号处理方法的适用性和有效性，从而为在实际环境中实现该应用场景下的目标探测和定位奠定了基础。