外辐射源雷达研究历史

外辐射源雷达是双（多）基地雷达的一种特例，其研究历史最早可追溯到雷达发展的初期。1935 年英国的 Arnold Wilkins 首次借助外部辐射源进行了雷达探测研究，他领导的研究小组依靠 BBC 电台发射的短波无线电信号，用一部装在运输车上的接收机探测到了 12km 外的轰炸机，这就是著名的 Daventry 试验。首次用于战争环境的双基地外辐射源雷达是二战期间德国研制的“Klein Keidelberg”雷达，以英国海岸警戒雷达 Chain Home 的发射机为辐射源，通过安装在丹麦的接收机来搜寻目标的反射信号，对从英国起飞的战机进行探测和定位，能探测到450 公里外的战机，精度较差大约为 10km，但在当时很好的完成了对盟军轰炸机的预警任务。1936 年雷达天线收发转换开关的发明，使人们的注意力开始转向单基地雷达，在随后的 40 年间，双基地雷达领域很少为人们所关注。七十年代，捷克台斯拉公司进行了无源被动探测系统的研究，于 1987 年推出了“塔玛拉（TAMARA）”系统，据称在 1995 年的波黑战争中，塞族利用该系统发现美国的 F-16 战机并将其击落；另据报道，1999 年参加科索沃战争的一架 F-117 隐形战机被南联军用萨姆-3 导弹击落，而发现该隐形战机的正是“塔玛拉”雷达。它的移动型就是 1998 年推出的“维拉（VERA）”系统，可同时跟踪200 批空中目标。 1974 年美国的 Marko 等人利用基于调频广播的双基无源雷达来测定目标的位置。该系统利用互相关技术测量目标反射信号相对于外辐射源直达波信号的延迟时间，得到目标所在的等距离椭圆，再结合反射信号的到达角测量即可对目标进行定位。1986 年，英国伦敦学院大学（UCL）的 Griffiths 等人首次对基于电视信号的外辐射源雷达进行研究，对信号检测中的若干问题进行了分析，并指出外辐射源波形的模糊函数是研究的关键，它决定着距离分辨率、距离模糊间隔、距离旁瓣水平及多普勒的分辨率。随后的 1992 年，Griffiths 等人提出将卫星转播的电视信号作为雷达的辐射源，接收端由接收卫星电视信号的直达波信道和接收目标反射波的回波信道组成，对两路信号做相关处理，之后利用非相干积累来提高处理增益。研究表明对于 100km 外 RCS=20m2的目标，要达到10-6虚警率和90%检测概率，需要 80dB 的处理增益，然而由于相干积累和非相干积累的时间间隔分别受目标多普勒频移和运动目标距离偏移的限制，对于速度为 200m/s 的民航飞机却只能达到 45dB 的处理增益。该项试验未能实现在可能的距离上检测到真实目标。1994 年，在法国召开的国际雷达会议上，三篇基于电视信号的无源雷达论文的发表标志着外辐射源雷达的研究进入了一个全新的阶段。之后，随着信号处理方法和器件的更新，以及成熟信号处理技术的引入，世界上出现了几套典型的外辐射源雷达系统。法国国家航空研究局在 1994 年研制了以电视台为非合作辐射源的多基地雷达试验系统。辐射源是位于巴黎附近的电视台，接收站位于帕莱素，接收站采用了两副八木有向天线。该系统采用 5 个发射台，仅利用多普勒信息进行定位和跟踪，由于系统跟踪算法需要较高的信噪比，只探测到距离接收站 5 km 的目标。同年，英国防御研究局的 Howland 研制了一套基于电视信号的无源雷达系统。该系统把法国雷恩的电视音频调幅载波作为辐射源，接收设备包括一对八木天线和一套数字接收机，通过测量多普勒频移和到达角（DOA）信息对目标进行定位。试验结果表明运用现代信号处理技术和跟踪算法，该系统可实现对 260km内空中目标的探测和跟踪。德国研制的无源雷达系统，则把美国的全球定位卫星和俄罗斯的全球导航卫星作为外辐射源。由于导航系统由多个卫星组成，可提供多个外辐射源，因此该系统可使用灵活的相控阵接收天线。研究结果表明，要探测到距离接收站 1 公里远 RCS=1m2的目标，接收机需要70dB 的信号处理增益。美国华盛顿大学研制的 Manastash Ridge 雷达是一部用于对大气层和电离层进行气象探测和成像的无源探测雷达。该雷达以西雅图的调频电台为照射源，采用两个接收站：位于华盛顿大学内的参考接收站用来接收电台的直达信号，此接收站采用指向增益为 5dB 的对数周期天线；位于 115km 外 Manastash 山的接收站则捕获目标散射信号，此接收站采用简单的重叠偶极子天线。该系统用 GPS 来完成两接收站间的时间和频率同步，曾成功的探测到 240km 处的目标。美国洛克希德马丁（Lockheed Martin）公司于 1998 年研制成功的“沉默哨兵”（Silent Sentry）是一种达到实用化的基于商业调频电台和电视信号的外辐射源雷达系统。该系统的接收站由相控阵天线、大动态范围的数字接收机、每秒千兆次浮点运算的高性能并行处理器和三维战术显示器组成，通过测量目标的到达角、多普勒频移和目标信号与直达波信号到达接收站的时间差，利用无源相干定位（PCL）技术来对目标进行定位与跟踪。“沉默哨兵”系统的信号源数据库存贮了全球 5.5 万个商用电台、电视台的位置与频率信息，因此该系统可在世界大多数区域使用。该系统对 RCS 为 10m2的目标的探测距离可达 220km，定位精度达到警戒雷达的要求，但还不能满足跟踪雷达的要求。近年来美国又研制出了第三代“沉默哨兵”系统，新系统的相控阵天线采用仿生学原理，仿照苍蝇360“复眼”结构，将四面尺寸为 2.5m2.5m 左右的天线安装在固定雷达站基座上，可实现对目标全方位全天候的监视。“沉默哨兵”分为固定站系统和快速部署系统，另外，该雷达还可安装在飞机和舰船上，能够实时实现对飞机、导弹等空中目标的高精度探测，能对 200 多个目标实现同时跟踪，并能区分出间隔 15m 的两个目标。该系统还曾捕获 250km 外美国空军的 B-2 隐身轰炸机。此外，1999 年美国伊力诺依大学通过传感器阵列测量调频广播和电视信号经目标反射的回波，利用贝叶斯方法实现对目标的联合跟踪和识别。另外，该大学还研究了无源双（多）基地雷达的成像算法，采用直接傅立叶重构（DFT）和基于 wigner-ville 分布（WVD）算法对运动目标成像，选用 22 个电视台和调频电台作为辐射源，利用仿真数据研究了成像算法以及发射台的位置和系统配置的选择对成像质量的影响。进入二十一世纪，外辐射源雷达发展迅速，许多国家的科研机构纷纷把外辐射源雷达作为研究的重点，所利用的外辐射源信号形式也日益广泛。2001 年Poullin提出将 COFDM 调制的 DAB 和 DVB 电视信号作为外辐射信号，随后他证实该无源雷达对目标具有可检测性；Saini 等对数字电视信号的模糊函数进行了研究，提出一种失配滤波方法来消除模糊函数中的干扰旁瓣。Capria 等利用基于 DVB 电视信号的无源雷达对靠近海岸的移动船只进行了探测试验，进一步证实基于DVB-T 的无源雷达的可行性。Conti 等提出一种改善 DVB-T 无源雷达距离分辨率的方法，使 DVB-T 无源雷达对目标的成像和识别变的可行。2001 年德国西门子公司研制了利用 GSM 蜂窝基站发射信号的无源雷达系统，该系统能对飞机和汽车进行成功探测，还可安装在预警机上，对大型空中目标探测距离超过100km。另外新加坡、意大利等国也正在研究基于 GSM 的无源雷达。由于 GSM信号带宽的限制，该无源雷达的距离分辨率较差约为 1.8km，而第三代（3G）蜂窝移动通信标准 CDMA 的带宽约为 1.2MHz，相应的距离分辨率可达 122m，因此，基于CDMA信号的无源雷达的研究也相继出现。2007年Guo 等提出基于 WiFi信标信号的无源雷达，利用 WiFi 信号探测到室外低噪环境下的目标，随后他们又对室内强噪声环境下的目标探测进行了研究。Mojarrabi 等研究了以 GPS 为照射源的无源雷达，并在理论上计算出该雷达的最大探测距离约为 214km。另外NAVSYS 公司利用含 109 个单元的相控阵接收天线和数字波束控制，通过提高信号增益来检测微弱的 GPS 信号，该天线相对于单个天线的增益提高了 20dB，可检测到单个天线检测不到的信号。杨进佩对基于 GPS 的无源雷达也进行了研究。除了对多种外辐射信号进行研究之外，有学者还在外辐射源雷达的基础上提出了新概念，譬如南非的 Inggs 提出无源相干认知雷达的概念，该雷达由多个接收站多种辐射源（包括 FM, 手机蜂窝基站，WiFi，其他雷达等）组成，可在干扰、复杂地形环境下达到提高雷达性能的目的。各种利用不同外辐射信号的无源雷达可利用感知的方法，检查频谱的占用情况及感知外辐射源所处的位置信息，以改善系统的覆盖性能；波兰的 Kulpa 提出 MIMO 无源相干定位雷达的概念，把 MIMO的概念及信号处理技术引入无源雷达，可增大雷达的监视范围和减少无源雷达的探测盲区。国内在上世纪七十年代末，曾进行过利用调幅