非合作辐射源双基地雷达技术综述

庄敬敏,宋 杰,熊 伟,王中训

(1.烟台大学物理与电子信息学院,山东 烟台 264005;2.海军航空大学,山东 烟台 264001)

0 引言

随着科技的不断创新,电子战变得愈发复杂,在这种场景下,传统雷达对外发射信号容易被探测与跟踪,同时随着智能化电子干扰、超低空突防、反辐射导弹、目标隐身等技术的快速发展,传统雷达探测系统面临很大的挑战,为了对抗这些威胁,基于外辐射源的非合作双基地雷达系统得到了越来越多的关注和研究,并取得了大量的应用成果。

非合作双基地雷达是无源雷达的一种,同时也是一种特殊的双基地雷达。非合作双基地雷达可以定义为利用现有信号 (例如广播、通信、无线电导航或雷达信号),通过探测目标反射的回波信号从而实现目标探测的雷达系统。与传统有源主动雷达相比,非合作双基地雷达具有如下独特优势:1) 低空覆盖效果更佳;2) 目标探测性能更为优越;3) 安装部署更为灵活;4) 组网探测投资更为低廉。利用第三方发射的信号作为机会照射源进行被动的目标检测,避免了发射站的建设投资,同时进一步提高了战场的生存能力。

该雷达系统辐射源分为商业辐射源和雷达辐射源,其中商业辐射源包括广播电视类辐射源(包括FM、DAB、DVB-T等),移动通信类辐射源(包括Wi-Fi、GSM、LTE等),卫星导航定位类辐射源(包括伽利略、GPS、北斗信号等)。据公开文献分析,该领域研究大多是基于商业辐射源,这些商业外辐射源信号一般不是专门为雷达信号处理设计,普遍存在发射功率小、模糊函数旁瓣高等问题。与商业辐射源相比,雷达辐射源探测距离更远,探测范围更广且分辨率更高。雷达辐射源既可以选择我方雷达,也可以选择敌方雷达,亦或选择中立方雷达辐射源。基于雷达辐射源的非合作双基地雷达在侦察能力、抗干扰能力、抗隐身能力、战场生存能力上有着极大的优势,因此,研究基于雷达辐射源的非合作双基地雷达变得极为重要。

综上所述,基于雷达辐射源的非合作双基地雷达既丰富了双基地雷达类型,同时又提高了雷达的探测性能,但是由于收发装置的特殊性和辐射源的非合作性,也为探测系统带来了不少技术难题。为了探究非合作无源探测系统在实际工程中的实际需求,开展了基于雷达辐射源的系统关键技术研究,并展望了未来该雷达系统的发展趋势。

1 国内外发展状况

1.1 国外研究现状

早在20世纪80年代,Yamano和Lightfoot等人分别于1984年和1985年申请了非合作辐射源目标探测相关专利[1-2]。20世纪90年代在美国IEEE雷达会议上,英国 Racal 公司的Hawkins在其文章中公布了英国皇家海军进行的非合作目标探测实验研究[3],该实验利用远程交通管制雷达为外辐射源,成功探测到130 km以外的目标。

2010年12月,日本三菱公司利用现有脉冲雷达进行PBR信号处理,以机场监视雷达(ASR)为发射机进行了实验研究[4],该实验的几何结构如图1(a)所示。该实验在东京国际机场附近进行,接收器位于东京国际机场,距离ASR约12.5 km,实验的目标是飞行轨迹距离接收器约3 km的离港飞机。图1(b)显示了比较结果,实验结果表明,所提出的PBR方法在雷达发射参数未知的情况下实现了雷达信号处理。该方法能够成功地估计未知发射参数并检测出目标。

图1 日本三菱公司利用机场监视雷达为辐射源的目标探测系统实验

2012年华沙理工大学数字信号处理实验室利用主动空中交通管制雷达作为辐射源,其配有机械扫描天线,在这种配置中,最大探测范围可以扩展,使用SBS-1作为接收机,为了验证系统的准确性,解码来自飞机应答器的S模式信号,提供了观测飞机的地面实况[5]。该实验成功检测到了在华沙机场降落的航班。图2(a)和图2(b)显示出了在不同时间间隔(连续发射机天线扫描)的匹配滤波之后获得的结果。运动目标易于识别,但会出现地杂波的强烈反射。图2(c)和图2(d)显示出了去除地杂波之后的结果。空中目标在图2(d)所示的最终结果中清晰可见。

图2 华沙理工大学利用交通管制雷达为辐射源的目标探测结果

搭车式双基地雷达(HBR)作为一种低成本的补充,用以提高现有单基地雷达的灵敏度和覆盖范围。公开文献中提到的唯一作战HBR可追溯到二战时期德国的Klein Heidelberg[6],它是第一个真正用于战场的双基地雷达,开启了世界上首部应用型的外辐射源雷达探测系统的先河。在此基础上,2013年挪威学者Sindre Strømøy 与FFI合作开发了一个实验性HBR接收机[7],如图3所示,利用远程监视雷达为外辐射源开展实验。利用真实数据估计雷达波形参数、PRF和扫描时间的方法,以改善目标的同步技术和定位技术。该实验结果在距离接收站100 km处探测到一架大型飞机,并提出类似目标的估计距离为180 km。

图3 以远程监视雷达为外辐射源的非合作实验系统

2014年日本电子导航研究所(ENRI)开始了无源监视系统雷达作为常规初级监视雷达(PSR)替代方案的可行性研究[8]。技术中最具代表性的系统是多基地一级监视雷达(MSPSR),与当前的PSR相比,该雷达实现了更高的更新率和检测率,在研究使用DVB-T和FM的被动监视系统的同时,考虑使用被动PSR系统来覆盖常规PSR的阴影区域。图4结果表明,在无源二次监视雷达(SSR)无法进行定位的情况下,无源PSR系统性能良好。

图4 日本导航研究所非利用合作雷达辐射源的目标探测结果

2014年新加坡南洋理工大学Chong Sze Sing 利用机会主义雷达对海上目标进行被动多基地检测[9],一艘护卫舰大小的军舰充当PMR接收机,并检测到了低雷达散射截面(RCS)目标,该系统可以对半径范围达30 km的目标进行被动探测,探测覆盖率达到85%或更好。

2015年加利福尼亚州海军研究院模拟了一个海上场景[10],如图5所示,商船充当多个非合作机会主义发射机,而装备电子战(EW)和测向(DF)接收机的护卫舰在PBR/PMR配置中扮演接收机的角色。目标被认为是通用的强大级护卫舰,并开发了一个Matlab模型来模拟工作环境和无源探测定位过程。探讨了使用多对无源双基地雷达(PBR)检测低RCS目标的可能解决方案。

图5 加利福尼亚州海军研究院的海上场景建模

2016年日本电子导航研究所提出使用光纤无线电(ROF)的新雷达系统概念[11]。该系统是基于无源双基地雷达的光纤连接无源一次监视雷达(OFC-PPSR)。如图6所示,实验结果运动飞机在仙台机场被OFC-PPSR雷达系统成功探测到。

图6 仙台机场光纤连接无源雷达实验

华盛顿大学G.V. PRATEEK等人在2017年提出了一种在双基地无源极化雷达网络中检测目标的方法[12],首次考虑使用天气监视雷达作为辐射源进行目标检测,在此之前,在无源双基地雷达方面没有研究过使用天气雷达进行目标检测。同时使用电磁矢量传感器(EMV)作为接收器建立信号模型。在信号相关杂波存在的情况下,推出了一种适用于双基地场景的GLRT检测器,此方法对非均匀杂波具有很好的鲁棒性,但是也有一定的局限性。

2015年,“忠诚僚机”概念[13]被首次提出,“忠诚僚机”属于无人机,可以与有人机协同作战,从而发挥出其最大优势。2019年3月5日,美军XQ-58A“女武神”无人机在亚利桑那州尤马武器试验场完成首次飞行,标志着忠诚僚机从有无到有,由理论变为实践。“女武神”无人机采用简洁的机身设计(如图7),体积小,载荷轻,因此不适合装备较重,发射功率大的有源雷达,而适合体积小重量轻的无源雷达设备。实施侦察时,战斗机的相控阵雷达作为辐射源,“女武神”则把收到的回波信号进行预处理后传给战斗机。截至2020年1月,XQ-58A无人机已完成四次飞行试验,累计飞行5个多小时,超过了飞行试验方案的原定目标。“人机协同”的优势显而易见,为了适应更为复杂的作战环境,还需要经过不断地改革与创新,才能在未来的战场上发挥最佳实力。

图7 XQ-58A“女武神”(Valkyrie)无人机

美国空军积极发展“忠诚僚机”构想,正在推进几个项目的研究。早在2019年,波音公司以自己的“澳大利亚”ATS项目加入了美国空军代号“天空博格人”的研究计划。目的是研究“忠诚僚机”领域的技术和解决方案。2020年5月5日,波音澳大利亚公司推出了首架空中力量编组系统(ATS)无人机。次年,ATS首次完成试验飞行。2022年3月21日,ATS的部分项目改称为MQ-28,无人机也称为“鬼蝙蝠”,这一无人机已经展示了自主和集群能力。

2022年7月11日,洛马公司“臭鼬工厂”总裁的约翰·克拉克表示由于其他公司研制的“忠实僚机”成本更高,负载更重,因此他们正在探索“一次性飞机”的研究。图8是洛马公司提出的F-35A与未来多种低成本无人机编组作战概念想象图。

图8 洛马公司提出的F-35A与未来多种低成本无人机编组作战概念想象图

1.2 国内研究现状

我国在该领域研究开展时间相对较晚,但是经过多年的发展,我国对基于非合作雷达辐射源的双基地雷达的研究也有了很多成果。

文献[14]基于脉冲雷达辐射源的非合作双基地雷达系统,提出了一种迭代提高测量精度的方法,该方法在推导距离方法的基础上,对定位精度进行了分析。假设目标是民用飞机的模拟实验,测试表明该方法取得了良好的效果。

文献[15]研究了使用以脉冲雷达作为发射机的数字阵列无源双基地雷达 DA-PBR实现弱目标检测系统。文献[16]还提出了一种基于标准杆数的PBR信号处理方法。该方法从直达波中估计参数,并利用回波信号制作R-T图来检测目标。经过现场试验,该方法能够在90 km以上的距离范围内对飞机进行检测和跟踪。图9(a)描绘了6 min内目标的轨迹,双基地距离为80～110 km。图9(b)显示了在另一个6 min内接收到的信号的R-T图,距离范围为50～100 km。

图9 利用非合作雷达辐射源的目标探测结果

文献[17]提出了一种利用非合作雷达作为辐射源的无源双基地雷达(PBR)信号处理方法。该方法可以成功地应用于目标角度和双基地测距。外场试验目标是接收器周围两家航空公司的飞机。由于所提出的系统在没有任何积分算法的情况下提供了远距离探测距离,该团队计划通过研究合适的积分方法来提高系统的探测距离。此外,为了获得精确的目标位置,将在未来的实验中使用平面阵列。

文献[18]以X波段 bridge-master海事雷达为非合作辐射源开展了空中目标探测,并用ADS-B数据进行了校验;以L波段岸基海事雷达信号为辐射源,以进出港口的船舶为目标进行了海上运动目标的检测[19]。

此外,文献[20—24]均在非合作双基地雷达领域开展了大量研究,并有了很多成果。

文献[25]针对线性调频雷达,对其脉冲采取截取叠加与移频调制干扰相结合方法,能够获得更好的假目标干扰效果。高精度时差的提取是降低误差的关键,对被动雷达中时差定位技术的方法进行仿真实验,找出了一种最优定位方法。

综上所述,基于非合作雷达辐射源的双基地雷达具有重要的理论研究和应用价值。针对不同发射源采取不同技术进行实验仿真和外场试验验证,随着科技的不断进步和工业化水平的不断提高,以及各种辐射源种类和数目的涌现,基于雷达辐射源的非合作双基地雷达探测技术会不断地改革与完善,尤其是捷变频相控阵雷达为外辐射源的非合作双基地雷达系统具有更好的探测性能和更佳的雷达分辨率。作为常规雷达的有力补充,基于雷达辐射源的非合作双基地雷达的发展更能顺应电子战更为复杂的环境中。

2 系统关键技术

非合作双基地雷达与传统有源主动雷达的区别主要在两方面:一方面在于双基地雷达系统收发装置距离较远;另一方面在于系统本身不辐射任何电磁能量,而是利用具有非合作性的外辐射源发射能量。非合作双基地雷达在系统结构上比传统雷达更为复杂。如图10所示,由于外辐射源具有非合作性,为了使接收机能接受到直达波信号,因此接收机设置了直达波参考通道和回波监视通道。直达波参考天线指向外辐射源位置接收直达波信号并在参考信号内进行直达波估计用于后期时频同步;监视天线用于接收目标回波信号用于后期目标检测、定位和跟踪。

图10 非合作雷达辐射源目标探测系统示意图

这种独特的几何模型,使系统的探测范围更远、探测性能更好,具有抗隐身、抗干扰等优势。但是双基地雷达最具有挑战的关键技术难点在于系统接收机和发射机同步问题,由于外辐射源具有非合作性这一特点,特别是以现代体制雷达为外辐射源,使非合作双基地雷达系统同步变得更加困难,从而导致目标检测难度增加,目标检测概率降低。除此之外,外辐射源的非合作性加上接收机、发射机两机相隔较远导致该雷达系统杂波干扰来源具有多样化。

2.1 雷达辐射源信号的类型选择与分选识别

2.1.1雷达辐射源的类型选择

随着科技的发展、复杂的电磁环境以及当前对该领域的研究逐步深入,各种雷达辐射源开始大量出现。与合作发射站辐射源不同,非合作无源雷达发射站辐射源的波形是不知道的,不能确定外辐射源的参数特征和位置信息。不同的辐射源有不同的特点,针对不同的探测要求需要找到合适的辐射源,雷达辐射源类型可以按照以下几个方面进行择优选择:1) 选择的辐射源具有较好的模糊函数形状,一般而言,一些商用或军用雷达是相关专家们通过在雷达信号脉内添加各种调制方式设计出来的,因此其模糊函数形状会更为理想化;2) 为了对目标进行有效探测和定位精度,辐射源信号覆盖范围和位置也必须考虑在内。

2.1.2雷达辐射源的分选识别

在实际的电场战中,雷达辐射源信号的分选识别扮演着极其重要的角色。雷达辐射源信号的分选主要利用不同辐射源信号的不同识别参数划分多组脉冲,分析当前雷达的型号和工作模式;识别主要根据雷达辐射源的信号参数特征,判断目标的所属类型。对雷达辐射源的正确分选识别是目标检测、定位跟踪的基础。

20世纪70年代,由于雷达信号参数相对简单,常用特征参数匹配法进行雷达辐射源分选识别。该方法利用常规特征参数为每一类辐射源构建向量模板,将雷达辐射源信号的特征参数与模板进行匹配,这种方法难以区分波形复杂和参数重叠的辐射源。随后专家们又开始深入研究脉内特征分析法和数据融合识别法,但是这两种方法无论从适应范围还是应用条件上都有一定的局限性。为了应对复杂的电磁环境,基于人工智能的雷达辐射源分选识别开始蓬勃发展。人工智能算法领域包括以下几方面:1) 机器学习算法,提高辐射源分类的准确性。文献[26]提出了一种基于栈式线性降噪器(SLIDE)和支持向量机(SVM)的雷达辐射源信号识别模型,该模型有助于实现对辐射源信号的实时提取,且在低信噪比下识别性能更优越。2) 群智能优化算法,克服了传统识别算法速度慢等缺点。文献[27]提出了基于蚁群聚类算法的雷达辐射源识别方法,该算法基于蚂蚁觅食原理,能够更好地处理噪声数据。3) 深度学习算法,使大规模辐射源数据处理成为可能。文献[28]研究了一种基于循环神经网络的雷达辐射源分类识别算法,该算法直接用原始雷达辐射源信号,简化了识别流程,信号识别效率得以有效提高。仿真实验表明,该算法对雷达辐射源分选识别具有很好的鲁棒性。

2.2 空时频同步技术

由于非合作雷达辐射源的时频参数捷变,并且每个脉冲中存在多个不同频段的线性调频(LFM)信号分量,为了获得精确的目标信息,接收系统在进行信号处理时必须与辐射源发射信号的所有参数相匹配以实现同步。同步技术包括时频同步、空间同步、相位同步。

由于传统双基地接收机和发射机之间具有合作性,可以通过物理链路进行信息传递以实现空间同步,与传统双基地雷达不同,非合作双基地雷达信号波形无法预知,因此实现空间同步变得极其困难。目前已知的同步技术有:1) 窄波束发射,宽波束接收;2) 宽波束发射,窄波束接收;3) 窄波束发射,多波束接收;4) 窄波束接收同步。由于监视天线无法预知下一刻外辐射源发射波形的位置,且需要保证回波的有效性,目前主要采用DBF同时多波束接收法进行空间同步,这个方法有较高的分辨率,可以在感兴趣的区域任意观测,但是会提高虚警概率和加大杂波的干扰。

如图10所示,直达波在监视通道内完成参数估计以便用于时间和频率同步,因此要实现非合作双基地雷达的时频同步,主要就是直达波参数估计问题。由于线性调频信号(LFM)具有低截获概率、高距离分辨率等特点,深受研究学者们青睐,继而被广泛应用到各种先进体制雷达中。因此当外辐射源发射波形为线性调频信号时,主要就是解决线性调频信号的参数估计问题。

如何快速估计直达波参数,文献[29]在参数模板库的基础上,提出了一种基于模板匹配的时频同步方法,该方法结合了模板匹配、解线调算法和 CLEAN 算法。文献[30]依次通过分段自相关方法、脉宽模板匹配法、解线调算,载频模板匹配法、匹配滤波法估计直达波参数,进而实现系统时频同步。文献[31]提出了一种具有极高鲁棒性的的脉冲提取方法,在脉冲提取的基础上,给出了直达波脉冲参数的估计方法。文献[32]采用基于频域检测,基于STFT 和解线调法的频域参数估计算法和模板匹配算法实现直达波参数提取,该参数提取方法具有极高的精度,计算速度快,计算量较小,已经成功应用到某电子侦察系统中。面对多参数提取算法,文献[33]以某型远程预警多阵面相控阵雷达(phased array radar,PAR)为外辐射源,对针对非合作 PAR 参数分析这个方向,简要分析了 LFM 信号参数提取各算法的优劣性,指出研究多分量 LFM 信号的快速高精度参数估计算法具有非常重要的意义。

经过长时间对线性调频信号的大量研究,文献[34]提出了一种对线性调频信号的检测与估计方法,解决了多分量线性调频信号的检测与估计,且为了强弱信号能够明显分离,提出了分阶段傅里叶域的信号分离方法。同时提出了一种自适应滤波方法,利用分数阶傅里叶变换对信号进行旋转和抽取,去除大量噪声,然后根据分阶段傅里叶反变换恢复到原来的线性调频信号[35]。

2.3 杂波干扰抑制

由图10所示的特殊几何观测模型可知,相比传统主动雷达,非合作双基地雷达面临直达波干扰及其直达波多径干扰问题,而这些多径干扰通常大部分表现为周围环境(包括森林、山丘、大型建筑等)的地物散射杂波;其次,直达波信号可以从辐射源天线旁瓣泄露到回波信号中,进入监视通道内的直达波能量远远大于目标回波能量,这会导致回波信号淹没在直达波信号中,使目标检测变得困难。此外,外辐射源是非合作性的,随着无线电技术的发展,无源双基地雷达不仅会受到作为机会照射源的基站的干扰,还会受到同频或邻频基站的干扰,这就导致雷达数据中的虚警概率增高,会降低目标检测结果。因此杂波干扰抑制问题是非合作无源雷达系统最关键的技术之一。

非合作无源探测杂波干扰可以分为雷达信号处理阶段的杂波干扰和雷达数据中的杂波干扰。目前,非合作双基地雷达在信号处理阶段的杂波干扰抑制问题可通过空域、时域、频域杂波干扰抑制三种方式实现,也可以进行三种方式的结合。目前较成熟的方案就是基于三种方式的联合处理。

空域上根据干扰来波方向的不同进行抑制,空域滤波是最常用也是最有效的一种杂波干扰抑制方法,不仅能抑制直达波干扰及其多径杂波,也能抑制不同来向的同频或邻频干扰。空域上进行杂波抑制主要有三种手段:从天线入手,物理性隔离直达波干扰[36-37];自适应旁瓣对消(adaptive sidelobe cancellation, ASLC[38-39];自适应波束形成(adaptive beamforming, ABF)[40-41]。由于天线通道间的非理想因素存在,空域杂波抑制算法无法完全抑制掉强干扰信号,因此还需在后续时域、频域和数据处理中进行进一步杂波抑制。

时域上结合参考通道信号对回波通道进行时域滤波实现维纳滤波对消进行抑制。无源雷达时域杂波干扰抑制算法主要有以下两类:一类是自适应维纳滤波类算法,又称最小二乘类算法;另一类是扩展相消(extensive concellation algorithm, ECA)类算法。

采用空时杂波抑制的自适应信号处理算法(STAP),即从空域和时域同时进行杂波抑制。在经典算法的基础上,文献[42]提出了基于阻塞矩阵的分步自适应扩展相消算法,这是一种时空联合的无源雷达近程杂波干扰算法。

频域上抑制杂波主要有两种途径:一种是接收机的角度抗杂波干扰,例如采用频率多级滤波和采用信化道方式;另一种途径是从信号处理算法的角度进行杂波干扰抑制,最典型的两个算法是通过距离多普勒处理的动目标检测(moving target detection, MTD)算法和通过线性滤波处理的动目标指示(moving target indication, MTI)算法。

雷达数据中的杂波干扰数据一类是由信号处理目标检测过程引起的虚警数据点,另一类是由地物散射引起的静态杂波数据点。传统的杂波抑制方法主要有两类算法,分别是基于杂波图辅助的杂波抑制方法来抑制静态地物杂波和基于数据关联的杂波抑制算法降低虚警数据点,提高检测概率。

2.4 微弱目标检测技术

非合作目标信号检测中,真正的目标回波信号通常比较微弱,特别是对远距离的小目标而言,信噪比和信杂比都非常低,因此从这一角度来看非合作目标信号检测也可以归为微弱信号检测的范畴。

为了提高信噪比增加检测概率,提高雷达的探测威力,必须进行长时间信号积累,动目标检测(MTD)方法是传统的雷达弱目标检测方法,但是这种方法积累脉冲只能限制在一个距离单元时间内,若积累时间过长,会导致跨距离单元走动现象(如图11),从而导致目标能量扩散,因此传统的MTD检测方法积累性能下降(如图12)。

图11 脉冲压缩

图12 MTD检测结果

为了解决这一难题,在基于参考信号距离拉伸的基础上,文献[43]给出了一种时延补偿方法有效地聚集多个脉冲回波信号的能量,提高了信噪比,增加了检测概率。文献[44]通过keystone变换算法校正距离单位走动,对捷变频点进行处理消除相位走动,该算法能够有效进行目标探测。文献[45]提出了一种基于Radon-NUFFT 的相参积累算法。文献[46]提出了一种基于捷变波形广义Radon-Fourier变换算法进行相参处理,进而实现弱目标的探测,根据实验数据的测量,该算法比传统算法相参积累性能更高。文献[47]采用周期间相关检测的处理方法进行目标检测,通过二次处理降低虚警概率,提高了目标的检测性能。

为研究在不同情况下的目标检测情况,针对强弱目标并存的情况,文献[48]提出了一种新的雷达微弱目标检测算法,采取先强后弱的策略,通过keystone变换和最小二乘FIR滤波器原理从原始回波中把强目标回波大部分滤掉并在此进行相参积累,实现弱目标的检测。文献[49]通过FRFT与keystone变换解决了匀加速目标运动参数(目标初始速度和距离)的估计问题;文献[50]解决了由长时间信号积累带来的距离走动和目标多普勒模糊问题,并通过引入两级速度补偿算法进行积累检测,该算法对噪声具有很好的鲁棒性,同时保证参数的估计精度,提高了空间目标的检测性能。

此外,背景杂波和随机噪声降低了系统的目标检测性能。针对这一问题,文献[51]提出了一种基于信号相位匹配的信噪比增强方法,它充分利用了目标信号和干扰信号的相位差。根据信号相位匹配成功地将目标信号从背景杂波和随机噪声中分离出来。仿真结果表明,该方法能有效抑制背景杂波和随机噪声,显著提高非合作双基地雷达系统的信噪比,对于提高非合作双基地雷达系统的目标检测性能具有重要的现实意义。

2.5 目标定位跟踪技术

非合作无源探测平台通过对直达波信号的有效提取来获取直达波信号参数,进而对探测目标的反射信号进行分析,从而实现对目标的定位和跟踪。目标跟踪技术在民用和军用上都有着广泛应用。

航迹处理是目标跟踪技术系统最为关键的一步,目前国内外关于目标跟踪航迹处理的研究主要基于合作式双基地雷达,对非合作式双基地雷达鲜有研究,这主要是因为无源定位数据不连续、相邻点迹间时间间隔随机、定位误差大。针对这些无源定位特点,文献[52]结合速度规则、NN法、自适应相关门以及EKF的技术,消除了无源定位特点所带来的影响,实现了既平稳又迅速的航迹处理。

随着现在越来越复杂的电磁环境,多种数据融合定位技术开始逐渐出现在大家的视野中,多种数据融合技术将各自平台处理的信号进行融合检测,更能提高检测效率。文献[53]提出了将非合作探测技术和电子侦察技术两个平台检测到的数据融合在一起完成高精度定位。文献[54]通过机会照射协同模式的多接收机回波信号,分析了两种关于融合检测算法——“M/N”准则融合检测算法和基于多平台目标信号的融合检测 CFAR 算法的性能。文献[55]提出了一种多非合作辐射源的定位融合算法模型,选取Newton法进行模型求解,对目标匀速直线运动进行仿真验证,该融合算法提高了定位精度,目标的截获次数也显著提高。

面对检测概率低、虚警杂波高的复杂场景问题,文献[42]提出一种带有自适应新生强度估计的改进 PHD 滤波器,但是这种滤波器计算成本比较大,只能在低目标检测概率下有优势。而文献[56]以粒子滤波PHD滤波器为基础,提出了基于改进概率假设密度(improved-PHD,I-PHD)滤波器的非合作双基地雷达目标跟踪算法,所提I-PHD滤波器能够有效实现非合作双基地雷达多目标跟踪。避免了目标因连续多帧漏检而丢失,剔除了高杂波引起的假目标。

杂波对消算法很难抑制所有的干扰,尤其是来自同频或邻频基站的干扰,残留的干扰会严重影响目标检测和DOA估计。针对这一问题,文献[57]提出了一种基于压缩感知稀疏重构的PBR目标检测与DOA估计方法。该方法不仅能够在残余干扰存在的情况下实现目标检测和DOA估计,而且有更好的抗主瓣干扰和高分辨DOA估计性能。

3 当前存在问题及发展趋势

随着辐射源个数和种类不断地增加,DSP技术和MET的进步与完善,以及当前应用环境的变化和应用要求的提高,非合作无源雷达系统在不断地更新与发展。虽然非合作无源双基地雷达系统有诸多优点,但其大范围的应用与部署仍受到许多限制,部分关键技术难点还有待研究和突破。

3.1 非合作无源双基地雷达当前存在的问题

在雷达辐射源分选识别方面,由于电子战的需求不断增加,各种新型体制雷达的涌现,使得各种电磁设备发出的信号变得更为复杂多样,雷达辐射源类型识别与分选面临严峻挑战,当前主要面临四个难题[58]:1) 雷达辐射源脉内脉间调制方式较为复杂;2) 同一雷达由于不同脉间调制类型可以发射不同类型信号造成分选困难;3) 大量的漏脉冲率使低截获雷达信号分选变得困难;4) 未知辐射源个体识别时效性较差。如何提高雷达辐射源分选识别性能是一个可以深入研究的方向。

在微弱目标检测方面,其跨距离单元走动现象导致目标能量扩散,积累处理时间过长,距离改变量可能会大大超过一个距离分辨单元,径向距离改变使回波能量分布在不同距离单元内,传统的MTD检测方法积累性能下降;雷达探测频率更高,多普勒更敏感;空间覆盖角度大,雷达回波数据增大,高维度信号导致计算复杂度高。因此寻找既能补偿距离走动、相位抖动,而且计算量简单快捷的最佳目标检测算法是当前亟待解决的问题。此外,杂波对消算法很难抑制所有的干扰,尤其是来自同频或邻频基站的干扰,残留的干扰杂波会严重影响目标检测和DOA估计。因此,如何能够更大程度地抑制残留干扰杂波是当前需要解决的问题。

目标定位跟踪也是非合作探测系统中一个关键部分。前文中有关目标跟踪的方法都是基于辐射源静止时的目标定位跟踪方法,采用的诸如多种数据融合算法、改进PHD滤波器等方法解决目标定位问题。当辐射源运动时,位置随时间变化而不断变换,相当于双基地雷达中发射站的位置不断变换,如何解决辐射源运动条件下目标的快速跟踪是需要深入研究的问题。此外,国内外文献中鲜有考虑目标数目位置、出现时间随机等复杂场景条件下的多目标跟踪问题。因此,如何在复杂场景的情况下实现多目标跟踪需要进一步考虑和研究。

3.2 非合作无源双基地雷达的发展趋势

作为近年来雷达领域的研究热点,非合作雷达辐射源目标探测系统未来可在多个方面发展。总的来看,非合作无源双基地雷达会有以下发展趋势:

1) 承载平台多样化

除了地基辐射源或者固定基辐射源外,近年来,基于机载移动平台的无源探测也得到了越来越多学者的重视。由于外辐射源雷达体积小、重量轻,因此适合机载,将平台高度升高可以使目标探测盲区减小。因此基于机载移动平台的非合作无源探测系统将是发展方向之一。但是机载雷达面临严重的地海杂波影响,杂波可能会淹没目标回波。因此,如何有效抑制地海杂波以提高复杂背景下的目标检测能力是接下来的具体研究内容。

2) 系统配置网络化

利用单个辐射源的非合作无源雷达探测在探测范围、探测距离、定位精度等方面都有很大的局限性,而多辐射源多接收机组网进行网络化探测,可以优化系统探测性能。因此,非合作双基地雷达的一个发展趋势是从单发单收向多辐射源多接收机网络化探测方向发展,扩展信息获取维度,通过网络技术和多个平台信息融合技术实现目标的定位跟踪。网络化探测研究目前还在起步阶段,多发多收联合定位、接收机优化配置、多种数据融合技术等核心问题亟待解决,进而形成一套体系完好的网络化探测结构。

3) 信息处理智能化

在极为复杂的电磁环境条件下,能够自主感知外界环境,且精确提取到辐射源方向、信号能量分布等参数,并能够智能化地处理信息,将会是该雷达的一个重要发展趋势。智能信号处理在非合作无源雷达各个关键技术中均有很大的发展潜力。在雷达辐射源分选识别方面,智能化和自动化识别可以快速将雷达辐射源分选出来。例如文献[59]对于识别算法的不足,提出了一套改进流程,该流程对原先构建的雷达辐射源分类模型进行动态更新,形成自学习能力,以更好地满足当前需要。在杂波抑制方面,可以构建杂波特性智能提取模块用于判断杂波类型,提取杂波分布建模以及杂波参数估计,并且通过对空时频域各种杂波干扰抑制算法之间进行排列组合,系统根据需求进行自主选择最优搭配组合,使得杂波抑制性能得到大的提升。在目标检测方面,可以对杂波和回目标波进行精准建模,提取杂波和目标回波的信息从而可以降低虚警概率,提高目标检测。

4) 探测技术一体化

非合作无源雷达作为用频装备,正在从传统单一探测功能向多功能一体化发展,将目标识别能力、侦察成像能力、反隐身能力、抗干扰能力综合一体,真正做到“一机多能”达到资源整合、探测效果增倍的目的。

4 结束语

本文对非合作雷达辐射源双基地雷达系统进行了系统阐述。回顾了国内外发展历程和研究现状。对空时频同步技术、杂波干扰技术、目标检测技术、目标定位跟踪技术等关键技术及其当前存在问题进行详细阐述,为后续研究提供了参考和借鉴价值。该雷达系统在未来会呈现承载系统多样化、系统配置网络化、信息处理智能化、探测系统一体化等趋势。