海上目标无源态势感知技术试验研究

张财生,刘 瑜,宋 杰,孙 顺,王 聪,何 友

(海军航空大学, 山东 烟台 264001)

0 引 言

随着海洋权益争夺的日益激烈和海上活动的不断增多,对海上目标的准确感知和监视成为维护国家海洋权益和保障海上安全的关键[1]。传统的有源感知技术,在某些情况(如雷达因电磁干扰、目标隐身技术或环境因素的影响)下的使用会受限[2]。无源感知技术,利用自由空间中已存在的电磁频谱资源,通过侦收各种非合作雷达辐射源照射的直达信号和海上舰船、低空无人机等典型目标二次散射产生的回波,以无线电静默的方式即可实现对海上目标的探测与识别,具有优越的隐蔽性和抗干扰能力,成本低、功耗小,能够依托海上各种平台部署态势感知节点,弥补现有无源探测技术(无线电侦测、光电探测)在探测目标类型和多目标探测方面的能力局限,又比装备主动雷达的平台具有更高的安全性和隐蔽性,在海上目标感知领域具有广阔的应用前景。

国内外在基于连续波体制的民用机会照射源开展目标探测方面,尤其是基于数字电视或数字调频广播等信号的无源探测技术研究方面取得了显著的成果,在目标检测和定位理论方面也取得了很多的进展[3-6],但对该技术的研究和应用,主要体现在陆基固定站平台上的应用,同时也存在一些不足：(1)对于海上目标探测,尤其是远海,民用信号资源非常有限,在远离海岸几百公里的海域几乎收不到信号;(2)由于FM/TV 或全球定位系统等民用信号并不是为了目标探测而专门设计的,其信号功率(作用距离)和信号带宽(距离分辨力)往往不如雷达信号,无法满足对电磁辐射有限制同时又对目标探测性能要求较高的应用。此时若利用脉冲雷达信号(包括海、空、天基军用/民用雷达信号)作为非合作辐射源,具备如下主要优势：(1)无源态势感知系统成本较低,采用“远发近收”的工作体制,可提供较大的探测距离;(2)与民用机会照射源相比,利用脉冲雷达信号作为非合作辐射源,这些雷达通常具有较为广阔的探测区域,发射功率大、目标分辨力好;(3)系统几何配置灵活,可以获取目标的非后向散射回波,可为海上平台的隐秘探测提供支撑,为维护国家海洋权益和保证海上安全提供重要支撑。

为了分析基于脉冲雷达信号开展海上目标无源感知技术的可行性和有效性,开展了相关外场试验。试验观测背景在烟台周边海域,非合作雷达辐射源发射机位于某山顶,无源感知系统位于某综合楼楼顶,并以海面上的各种船只为试验探测目标,利用船舶自动识别系统(AIS)位置信息进行探测性能验证。非合作雷达辐射源信号的载频、脉冲重复频率(PRF)、波形样式等信息未知,需要利用直达波脉冲信号来实现频率、时间和相位同步。本文将研究基于脉冲雷达信号的无源感知试验中涉及的直达波脉冲信号参数的测量、天线扫描特性分析和信号相参性分析、无源相干检测和显示校正等方面的问题。

1 无源态势感知系统概述

无源感知系统不发射电磁波,其探测目标的基本原理如图1所示,其利用第三方非合作雷达来探测目标时,无源感知系统和非合作辐射源之间没有专门的物理链路进行信号同步,系统通过接收非合作辐射源发射的直达波信号和海上各种典型目标二次散射产生的目标回波,实现对海上各种目标的无源监视、定位和识别,可为海上信息节点实现重点海域、关键航道的无源感知提供低成本的目标隐秘感知方法,全面提升海上目标综合感知能力。

图1 海上目标无源感知系统的基本原理

系统采用的辐射源是某远程对海监视雷达,其天线副瓣电平较高,比主瓣低约为10 dB～15 dB,在目标回波信号接收时,定向接收天线可以在非合作雷达辐射源发射信号的整个扇区内收到直达脉冲信号,不需要专用直达波参考天线来接收直达波信号,但为实现对目标的检测和定位,需要通过分析直达信号来测量天线的扫描时间和发射信号的PRF等参数。当直达信号脉冲可检测时,可用于时间同步,将发射波束第一次扫过接收机站点时测量到的直达脉冲信号作为时间同步的基准,通过将采样点除以采样频率Fs即可获得每个信号的采样时刻ts(s)=n/Fs,而相邻直达波脉冲信号之间的时间间隔就是脉冲重复间隔Tr。在完成PRF同步后,双基地距离等于直达波脉冲与目标回波信号间的时差ΔtTR乘以光速c,即

RT+RR-L=cΔtTR

(1)

式中：RT为非合作雷达辐射源到目标的距离;RR为目标到无源感知系统的距离;L为非合作雷达辐射源到无源感知系统间的距离。因此,双基地距离的最大无模糊距离等于直达脉冲信号的脉冲重复间隔Tr与c的乘积,而直达波信号的到达时刻对应的双基地距离RT+RR-L=0。

2 非合作雷达辐射源直达波脉冲信号分析

系统为了确定非合作雷达辐射源发射天线扫描角度和发射波形,需要利用直达信号来进行精确的时间同步和相位同步。而为了实现各种相参处理,对相位同步的精度要求通常比对时间同步的精度要求更高。在本试验中,时间同步的更新时间Tu由非合作雷达辐射源发射天线的扫描周期Ts决定。为了分析非合作雷达辐射源信号参数,基于直达波相邻脉冲串信号,如图2所示的相邻脉冲重复周期内的信号波形,相邻脉冲间信号对应的采样点数为4 750,可得非合作雷达辐射源信号的脉冲重复周期为

图2 相邻脉冲重复周期内的信号波形

Tr=4 750×0.005=2.375 ms

(2)

由于非合作辐射源是PRF固定的远程对海监视雷达,因此在直达信号脉冲到达之前很可能存在仅有噪声的时段。进一步将图2所示的脉冲信号波形局部放大后,得到如图3所示的直达波脉冲信号脉宽内的信号波形,脉冲内部对应采样点数为483,可得信号的脉冲宽度为

图3 直达波脉冲信号脉内的信号波形

τ=283×0.5=141.5 μs

(3)

通过观测多个周期,可发现在测量期间非合作雷达辐射源发射的是PRF稳定的线性调频脉冲信号,信号脉冲宽度约为141.5 μs。

实际中,当非合作雷达辐射源和接收系统间没有直视距离的条件下,可以用发射信号的衍射或多径分量来进行同步,但在整个扫描周期内,可能无法获得稳定的杂波,就无法实现脉冲间的相位同步。若有一部分扫描时间不存在直达信号或稳定的杂波,时间同步、频率同步和相位同步只能在天线扫描间实现,因此对时钟稳定性的要求高,但可以减小杂波干扰和直达波对目标回波信号的遮挡。

3 非合作雷达辐射源天线扫描特性分析

由于接收天线波束宽度较大,角分辨率较差,因此无法利用接收天线波束的指向特性在双基地等距离线上精确定位目标。而非合作雷达辐射源发射天线的半功率波束宽度较窄,因此与波束指向的同步可以提高目标的定位精度。然而,与单基地雷达目标探测过程中的双程传播效应相比,在无源感知系统中发射波束的方向性仅体现在单程照射上,导致双基地角分辨率较低。当雷达辐射源扫描周期稳定且位置已知时,其发射天线波束指向的方位角位置可以通过扫描中最强的直达脉冲信号对应时刻来确定,即非合作雷达辐射源的发射波束与无源感知系统接收波束对准的时刻,此时发射天线对应的方位角AT为

(4)

式中：ATR是以真北为参考时发射天线波束对准接收天线时对应的方位角;Δt为相对直达波脉冲信号峰值时刻的时延;Ts为天线扫描周期为Ts(s)=N/Fs;N为相邻直达波脉冲信号峰值之间的采样点数。图4所示为非合作雷达辐射源相邻扫描周期内的信号波形,峰值对应的是非合作雷达辐射源发射天线与无源感知系统天线对准时接收到的直达波。相邻峰值间对应的是一个天线扫描周期内的采样,已知采样间隔Δt为500ns,相邻峰值间的采样点数N为2×107,对应天线扫描周期为10s,即非合作雷达辐射源发射天线转速为6 r/min。因此,利用直达波脉冲采样可以分析非合作雷达辐射源发射天线的扫描特性。

图4 非合作雷达辐射源相邻扫描周期内的信号波形

估计得到天线扫描周期后,就可以通过测量发射波束扫过接收天线对应的脉冲串信号幅度变化,来确定发射天线的方位波束宽度,从而确定其方位角分辨率。将图4中的峰值局部放大后得到图5所示的发射波束宽度内对应的脉冲串信号,可以发现当发射波束扫过无源感知接收天线时,来自发射机的水平天线方向图具有Sinc函数的形式,已知峰值内的采样点数N为2×105,则发射天线主波束对应的扫描时间为T1=NΔt=0.10 s,对应非合作雷达辐射源发射天线在方位维的半功率波束宽度θ0.5为1.8°。

图5 发射波束宽度内对应的脉冲串信号

4 信号处理与试验结果

本节将给出无源态势感知系统的相参处理过程,而相参处理的前提是相位同步处理。这是无源感知系统需要解决的关键问题,完成时间同步和相位同步后,将对测量的原始数据进行脉冲积累、动目标显示(MTI)、恒虚警(CFAR)检测等处理,处理流程如图6所示。

图6 目标回波信号的处理流程

4.1 回波信号相参性分析与预处理

系统处理的前提是相位同步,而不同的相位同步方法对时钟的稳定度要求也不同：如果系统能实现脉冲间的相位同步,则所需的时钟稳定度为Δφ/2fcΔtTR,其中Δφ是允许的相位误差,fc是载频,ΔtTR是直达波和目标回波信号间的双基地时延;对于仅能在发射天线周期扫描间开展相位同步的情况,则所需的时钟稳定性将随着发射天线周期的增加而增加。

图7给出了一个完整天线扫描周期的原始目标回波,无法直观看到目标的相关态势,有待进一步处理,图8所示为原始目标回波信号脉冲串的相位和展开相位,噪声和杂波区对应的回波信号的相位没有相参性,目标回波对应的脉冲信号相位具有较好的连续性,但需要开展相位补偿处理。相位补偿处理后回波脉冲串的相位和展开相位如图9所示,如果目标在脉冲间不起伏,则可进行多脉冲积累,以提高检测性能。

图7 一个完整天线扫描周期对应的原始目标回波

图8 原始回波脉冲串的相位和展开相位

图9 相位同步后回波脉冲串的相位和展开相位

4.2 脉冲积累与MTI处理

当回波信号有了明确的相位关系后,可采用相参积累。对于单基地雷达,其可积累的脉冲数通常是发射天线半功率波束宽度ΔθT范围内扫描照射目标期间,接收系统截获的脉冲数。而对于无源感知系统接收天线的方向性和视角将影响目标驻留时间,采用宽波束接收天线时将与单基地雷达确定积累脉冲数Nd的方法相同。图10所示为基于实测数据非相参积累后的结果,与图10所示的积累前的结果相比,非相参积累得到的是Nd个脉冲包络的均值,减小了不相关加性噪声的方差,目标更加清晰。

图10 基于实测数据非相参积累后的结果

理论上,利用Nd个脉冲进行相参积累,是对回波信号进行复数相加,噪声功率可以降低Nd倍。实际中,相参积累后目标信噪比改善程度取决于目标回波的相参性。如果能够实现精确的相位同步,则Nd个脉冲积累后的信噪比可以提高到Nd倍。图11所示为基于实测数据相参积累后的结果,与非相参积累仅仅积累幅度信息相比,相参积累更能提高信噪比。

图11 基于实测数据相参积累后的结果

为了比对分析非相参积累和相参积累的结果,首先分析脉冲同步处理后脉冲积累前的对应回波的噪声基底。利用完成相位同步和无源相干处理后的回波信号中,只含噪声分量的采样点进行统计分析。利用连续多个脉冲重复周期内都含有有效目标回波的数据,分别基于实测数据逐个脉冲相干处理输出结果、非相参积累后输出和相参积累后输出的数据矩阵,抽取200×200个噪声采样数据的进行统计分析,得到如图12所示的噪声基底测量结果。当不采用脉冲积累时,而其噪声电平可用于计算输出端的信噪比。可以看出非相参积累后噪声均值基本差不多,但标准差减小了,而相参积累后中,噪声的均值和标准差都减小了。

图12 脉冲积累前后噪声电平的统计分析

图13所示为脉冲积累前后目标回波信噪比的变化,可以发现与未积累的噪声输出回波相比,非相参积累后噪声的抖动范围明显减小,而目标信号的峰值输出基本相同,但与不积累的输出相比,非相参积累后输出的目标附近的副瓣降低了3 dB～4 dB。

图13 脉冲积累前后目标回波信噪比的变化

然而,脉冲积累过程中杂波也会积累起来。无源感知系统为了更好地抑制杂波,也需要采用MTI、动目标检测等具有杂波抑制性能的信号处理方法。对脉冲回波开展MTI对消处理可以减弱静止杂波的影响,对消过程中采用一次对消处理的方法,即利用相邻两个脉冲回波进行对消处理;MTI一次对消处理的结果如图14所示,可以发现,对消处理后还有杂波剩余,然后基于对消后的输出再次开展非相参积累处理后,结果如图15所示,从图15中可以明显发现目标回波变得更加清晰,能发现3个运动目标,但同时固定杂波对消剩余也部分积累起来了。因此,通过对消处理抑制静止杂波后,非相参积累可以提高信噪比,但对慢速运动杂波的对消效果较差,需进一步处理。

图14 MTI处理结果

图15 MTI处理杂波对消后非相参积累结果

4.3 恒虚警(CFAR)检测与显示校正

由于回波信号中既包含目标回波信息,又包含背景噪声和杂波,为了能更准确地检测出目标信息,需要开展CFAR处理。实际信号处理时,考虑到海面杂波环境较复杂,为了能在杂波边缘环境保持一个好的虚警控制性能,选用针对杂波边缘而设计的GO-CFAR。GO-CFAR选取检测单元两侧2个保护单元之外的40个参考单元取均值中较大者作为检测器总杂波功率水平的估计,再结合门限因子Tn设计虚警门限阈值,将过门限值的单元列入有目标单元。在方位和距离二维平面内GO-CFAR处理结果如图16所示,3个运动目标均可以检测出,但同时还有5个杂波点也过了门限,根据统计结果可计算得检测中的虚警概率为2.67×10-6。在目标检测处理时,参考单元与保护单元的数量设置已结合回波的数据率和噪声背景综合考虑。试验中发现,当数据率较低时,设置过多的参考单元会使对杂波背景的参考范围过大,得到的杂波电平估计与实际不相符,导致检测概率降低。

图16 利用GO-CFAR算法处理的结果

到目前为止,目标检测处理都是在双基地距离-方位或多普勒-双基地距离维,未考虑无源感知系统与非合作雷达辐射源之间的基线距离,实际中还需要通过基于目标探测中的双基地几何关系解算出目标相对无源感知系统的真实距离和方位。依据文献[6]给出的双基地距离解算公式,得到的校正结果如图17所示。从显示结果可以发现,在图17的中心区域有一块空白区域,该空白区域形成的原因是考虑了无源感知系统与非合作雷达辐射源之间基线距离后,对双基地距离的校正导致的,与文献[6]的理论分析一致。

图17 以无源感知系统为中心的P显图及其与AIS信息的关联对比

进一步借助船舶AIS获取的海上船舶信息,可检验分析无源感知系统测量得到的海面目标位置、速度等信息的准确性。图17也给出了系统探测信息和AIS信息、周边环境的对应情况,可以发现环境杂波和目标探测信息与实际探测背景比较吻合,验证了无源感知系统对海上船舶等目标探测的可行性和有效性。

5 讨 论

上一节给出的是系统无源相干处理的过程和试验分析结果,验证了系统对海上目标探测的可行性和有效性。而随着电磁环境的变化,海上目标无源感知技术将朝着更高探测精度、更广范围、更强抗干扰能力方向发展,同时也面临着信号处理复杂度增加、目标特征变化多样、海洋环境干扰等挑战,也需要不断创新和优化算法,提高信号处理能力和目标识别精度。

海上目标态势感知理论应用于实际系统研制时,还有诸多工程化的问题需要解决,如系统需要根据实时测量的直达波脉冲信号参数、天线扫描规律开展无源感知系统时间同步、频率同步和空间同步处理,并基于目标散射回波开展目标无源相干检测、双多基地定位和态势显示校正等实时处理。然而,其实现时间同步的唯一方法就是利用系统截获的直达波脉冲信号作为接收系统采样时钟的同步触发信号。文献[7-8]给出了即使在直达波信号接收良好的情况下,直达波信号的信噪比影响PRF的估计精度后,采样时钟与接收信号不能精确同步时,脉冲间的相对采样时刻存在漂移对脉冲间相参积累检测性能的影响;文献[9-11]给出了信噪比起伏和多径效应等因素导致直达波信号相位紊乱,难以实现对发射信号频率的准确估计时,对检测和参数估计的影响。针对发射天线在方位上做机械扫描时其天线波瓣图调制效应,可能导致直达波脉冲丢失和相位突变的现象,文献[12-13]推导了存在脉冲丢失或/和相位突变时,系统互模糊函数峰值输出的解析表达式,并借助信噪比损失和多普勒频率估计误差等参数来衡量脉冲丢失和相位突变的不利影响,给出了脉冲丢失或/和相位突变时的结果,并与理论计算结果进行对比分析。对于脉冲重复周期PRI为常数的脉冲信号,若系统能准确估计脉冲的PRI,并准确预测丢失的脉冲总数和相位突变时刻,则可以消除其带来的不利影响。文献[14-15]结合无源感知系统的特点,讨论了发射天线扫描调制对系统相参处理可能带来的损耗,给出了在发射天线扫描调制时系统接收信号的模型,分析了一般天线的方向图传播因子,然后分析了由于不能直接获取发射信号波形,导致不能构建完美的匹配滤波器时,以理想匹配滤波输出信噪比为参考,讨论直达波信噪比起伏对系统相参积累输出信噪比的影响,得到了三种工程等效近似天线方向图条件下信噪比损失的解析表达式。在系统的目标检测理论方面,文献[16-17]研究了无源感知系统发射信号的带宽未能准确估计而导致信号采样带宽失配时,广义相参检测器的构造思路,推导了适合目标检测通用的广义相参检测统计量,得到了其检测性能的解析表达式。

为了提高系统的实用性,亟需解决直达波信噪比非常低甚至无法截获直达波时的目标检测问题。远海条件下,常见的非合作雷达辐射源发射天线的架设高度受其所在平台的限制,无源感知系统与非合作雷达辐射源之间可能没有视距,将无法截获直达波,或者某些雷达采用高定向性天线且天线扫描的零点对准无源感知系统天线主瓣方向时,接收到的直达波信噪比非常弱。这些情况下,无法利用直达波信号来估计非合作辐射源发射信号的波形,也就无法基于直达波参考对目标回波做时延多普勒补偿和互相关处理,导致无法采用传统的无源相干检测方法开展目标检测。此外,与基于广播电视信号的陆基外辐射源雷达相比,海上无源感知系统目标定位面临的最大挑战之一就是海上非合作雷达辐射源的地理位置是动态变化的,导致无法利用经典的双基地基线距离即非合作辐射源与无源感知系统间的直线距离已知条件下的目标定位方法,还需要解决非合作雷达辐射源位置动态变化时的目标定位问题。

6 结束语

海上目标无源感知技术将以较低的成本赋予海上各种节点以无线电静默的方式开展典型目标探测。本文主要介绍基于脉冲雷达信号的无源感知应用涉及的相关信号处理问题及其试验结果。利用实测的直达波脉冲信号分析了非合作雷达辐射源天线扫描特性与信号参数,完成了与非合作雷达辐射源信号间的频率同步、时间同步和相位同步处理,然后基于实测数据完成了直达波和目标回波信号的相参性分析和无源相干处理,并利用多脉冲回波信号开展了脉冲积累、MTI处理和CFAR检测等处理,开展了基于实测数据的双基地距离解算和显示校正,并利用AIS信息对本试验的处理结果进行了对比分析,验证了基于脉冲雷达信号的开展海上目标无源态势感知的可行性和有效性。

海上目标无源感知技术是一种新的可用于海上目标分布式无源自主感知的方法,将在海洋监测、海上安全、军事防御等领域发挥更加重要的作用,实现对典型远海区域全天候、全天时态势感知。在远海条件下,也可以实现对海上隐身目标和低空目标(如舰载无人机)的隐蔽监视与跟踪,可大力提升我国关键海域、重要港口外围、关键航道上的态势信息感知能力。