外辐射源雷达概述.pdf

1 研究背景与意义 雷达面临的四大挑战： （1）隐身目标的威胁 隐身飞机、 隐身导弹和隐身舰艇和无人机的出现使得雷达散射截面积成百上千倍的减小， 增加了雷达发现目标的难度。 （2）低空与超低空目标的威胁 战术导弹和战略巡航导弹等低空、超低空目标的入侵也给雷达探测带来了重大挑战。 （3）反辐射摧毁的威胁 反辐射导弹利用敌方雷达的电磁辐射进行制导并将其摧毁， 是电子对抗中对雷达硬杀伤 最有效的武器。 为应对日益恶化的外部电磁环境， 雷达往往需要发射更大的功率以达到同样 的探测性能，从而增加了被发现甚至被摧毁的风险。 （4）强电子干扰 传统雷达一般采用收发共置的布站方式， 其发射电磁波一旦被敌方发现和定位， 就极容 易被干扰，进而丧失整个武器战争系统的重要信息来源。 外辐射源 （无源） 雷达因能克服上述问题而引起人们的广泛关注。 外辐射源雷达分为两大类： 第一类是基于目标的红外辐射或自身发射的电磁波来对其探测， 目标发射的电磁波主要来源 于雷达、 应答机、 通信电台、 导航仪、 有源干扰机等通讯电子设备； 第二类是利用广播信号、 电视信号、手机信号、卫星导航信号等非合作照射源来探测目标。当目标静默（不发射电磁 波）时，利用第一类外辐射源雷达通过电磁波来探测目标就无法实现。对于第二类外辐射源 雷达，即使目标静默，也能探测到目标，因此对此类外辐射源雷达的研究成为热点。 外辐射源雷达的优势： （1）反隐身特性 隐身目标一般只大幅度减少鼻锥30范围之内后向散射的 RCS， 前向与侧向的散射还 是很强。 外辐射源雷达是一种双基地雷达， 它可以通过接收目标前向与侧向的散射回波信号 来探测隐身目标。其次，外辐射源信号多数工作在甚高频、超高频等波段，波长较长，隐身 飞机表面的吸波材料对该波段电磁波的作用极差；再者，外辐射源雷达在形式上属双（多） 基地雷达，可探测到隐身飞机前向和侧向的散射信号，具有空域上反隐身的特点。因此，外 辐射源雷达具有探测隐身目标的能力。 （2）探测低空与超低空目标 外辐射源雷达利用各种民用或商用信号作为照射源，频率一般较低，波长较长，因此照 射源能够通过衍射穿过低空障碍物探测到目标。 并且广播信号、 卫星导航信号等外辐射源信 号多采用高塔架设，向下发射波束，能够很好地覆盖低空范围，从而具有一定的超低空探测 能力。 （3）抗反辐射导弹 外辐射源雷达不发射电磁波，因此不容易被敌方的侦察系统发现。此外，第三方辐射源 具有数量大、地域分布广的特点，受反辐射导弹的攻击概率低，具有很强的生存能力和抗打 （4）抗干扰 外辐射源雷达没有配备专用的发射机， 而是借助于其它通信广播基站作为发射站， 无法 被电子侦察设备所发现， 也使其免受其它电子干扰源的影响。 并且没有其它主动发射雷达容 易受广播、通信信号干扰问题的困扰。 （5） 绿色环保，无电磁污染 外辐射源雷达本身并不发射电磁波，不需进行频谱规划，是一种绿色环保、无电磁污染 的电子装置。此外，随着无线通信和数字广播技术的发展，可被利用的辐射源越来越多。外 辐射源雷达本身并不发射电磁波，不需进行频谱规划，是一种绿色环保、无电磁污染的电子 （6）覆盖范围广，组网潜力大 目前可以用的外辐射源有广播信号、电视信号、手机信号、卫星导航信号等，随着无线 通信的发展，可利用的外辐射源形式将更加丰富，覆盖范围也将更加广。利用多种外辐射源 信号进行协同探测， 可提升雷达的探测性能和抗打击摧毁的能力。 同时探测系统可根据需要 合理组网，以弥补外辐射源雷达单站探测威力和精度不高的缺陷。 （7）低成本与机动性强 外辐射源雷达无需体积大且成本高的发射设备，只需要一套接收系统，具有成本低、灵 活性好、易维护、便于快速部署和撤离的特点，设备体积小带来的优点是易承载，除了地面 建站之外，还可将外辐射源雷达系统进行车载、舰载、机载等方式装配。 外辐射源雷达的缺点： 1.发射功率低 民用信号追求大面积覆盖，往往采用低增益全向辐射模式，导致了信号功率很低，从而 限制了外辐射源雷达的探测威力。 2.发射信号不可控 外辐射源雷达的信号源不是专门为雷达设计的，其功率、增益、调制方式、天线方向系 数等因素都不可控，增加了信号处理的难度。 3.信噪比低 外辐射源雷达接收到的目标回波能量通常比直达波、 多径等杂波低 3060 dB， 增大了回 波获取的难度，因此需要更加先进的信号处理技术。 2 研究历史与现状 2.1 国外研究概况 1922 年，美国海军研究室的 Taylor 博士和其助手 Young 在进行 60 MHz 的无线电波传播 实验时， 偶然接收到了船只经过收发点中间位置时的信号。 这被认为是历史上第一次通过无 线电波探测到目标。 1935 年，英国国家物理实验室利用 BBC 电台辐射的无线电短波信号（波长约为 49 m） 探测到12公里外的Heyford轰炸机， 这被认为是历史上第一次通过无线电探测到飞行目标。 该研究引起了英国国内广泛关注，之后英国建立了 Chain home 警戒雷达网。 二战期间，德国在丹麦部署了 Klein Keidelberg 雷达，利用英国 Chain home 警戒雷达网 发射的雷达信号探测从英国起飞的战斗机群， 完成了对盟军轰炸机的预警。 该雷达最远观测 450 公里之外的飞机，但测距精度较差，约为 10 公里左右。 同一时期，前苏联、意大利、日本等国也相继开展了基于外辐射源的连续波体制的双基 地雷达的研究。 随着 1936 年雷达天线收发转换开关的发明和 1940 年高功率脉冲磁控管的发明，人们 的研究重点转移到单基地雷达，双基地雷达在之后的 40 多年的时间里陷入了低谷，在此期 间对外辐射源雷达的研究很少，值得一提的是捷克研制的外辐射源雷达系统。 1987 年，捷克研制出了“塔玛拉（TAMARA） ”系统，该系统利用目标自身发射的电磁波 信号为照射源，可实时跟踪空中 500 批目标。据报道，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，在 1999 年的科索沃战争中，一架美 国的 F-117 隐形战机被南联盟用萨姆-3 导弹击落，而发现该隐形战机的正是“塔玛拉”雷 达。 1994 年，在法国召开的国际雷达会议上，三篇基于电视信号的外辐射源雷达论文的发 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，随着高速数字信号处理器件、 现代信号处理理论的发展， 以及信号检测与估计技术的逐渐成熟， 外辐射源雷达的研究进入 一个全新的阶段，世界上出现了几套典型的外辐射源雷达系统。 1998 年，美国 Lockheed Martin 公司成功研制出“沉默哨兵” （Silent Sentry）系统。该 系统是世界上第一种商业化和实用化的雷达系统，利用 50800 MHz 的 FM 广播和电视信号 作为外辐射源，方位覆盖范围为 60360，俯仰覆盖范围为 50空域。每秒钟可进行 8 次 数据更新，对 10m2目标探测距离达到 220 km，能同时跟踪 200 多个目标。公开报道的第一 代系统为固定站， 第二代系统发展成为更加灵活机动的雷达车， 系统的数据库储存了全世界 5.5 万多个调频广播台和电视台的位置与频率信息，因此其可以工作于世界大多数的地区。 2004 年推出了最新的第三代“沉默哨兵”系统，对于散射面积为 10m2的目标，探测距离可 以达到 550 km，能对 200 多个目标实现同时跟踪，并能区分出间隔 15 m 的两个目标，方 位覆盖范围为 0360，俯仰覆盖范围为 60空域。 2005 年，法国 THALES 公司研制出 Homeland Alerter 100（HA100）外辐射源雷达系统， 该系统利用 FM 信号为外辐射源，还可以拓展 DAB、AVB 和 DVB-T 等多种民用信号，作用距 离超过 200km、方位向 360、俯仰向 90以及 1.5s 的数据更新速率。 2000 年之前，外辐射源雷达采用的信号多为 FM 广播信号、电视信号等模拟信号，随着 数字广播、 数字电视以及数字通信网络的发展和普及， 数字信号逐渐取代模拟信号， 自 2000 年之后，基于数字体制的外辐射源雷达成为了研究热点。 2007 年至 2009 年，德国凯希德公司研发出 PARADE 外辐射源系统，目前该系统仍在不 断升级和完善中。PARADE 早期采用了频率为 88108 MHz，带宽为 100 KHz 的调频广播作为 工作波形； 随后增加了以频率范围为 174240 MHz， 带宽为 1.5 MHz 的数字音频广播 （DAB） 作为工作波形的系统模块；2009 年增加以频率范围为 470862 MHz，带宽为 7.6 MHz 的数字 地面电视广播（DVB-T）系统模块。最新的 PARADE 采用 FM/ DAB/ DVB-T 照射信号，引进了 跨带数据融合技术，将各子体统模块化并集成装配到机动车辆使得系统具有很好的灵活性。 系统采用多波段融合能够提高距离分辨率，使距离分辨率达到了调频子系统不能达到的 30 米。 另外，1999 年，McIntosh 发明了利用 GPS 作为外辐射源的雷达探测系统；2000 年，Tsui 发明了利用 GLONASS 作为外辐射源的被动探测系统；2005 年，Saini 和 Cherniakov 提出了基 于数字电视信号的外辐射源雷达；2008 年，Guo 和 Chetty 提出基于 wifi 的外辐射源雷达， 实现了在室外弱杂波环境下对低速运动目标的成像。 随着民用或商用信号种类的增多以及现 代数字信号处理水平的不断提升，越来越多的第三方信号被用于外辐射源雷达的研究中。 2.2 国内研究概况 国内外辐射源雷达的研究最早起步于 70 年代，但受限于当时的软硬件水平，仅作了一 些初步的理论分析和试验验证，没有形成实用的系统。从 2000 年起，西安电子科技大学， 北京理工大学，国防科技大学，南京理工大学，武汉大学，中电 14、38 所等单位先后开展 了外辐射源雷达的研究，利用的外辐射源包括模拟数字电视信号、手机信号、卫星导航信号 等，并且取得一系列重要的研究成果。 西安电子科技大学研制了利用调频（FM）广播作为外辐射源的雷达系统。该系统采用 八木天线，对 10 m2的目标探测距离达到 230 km。 武汉大学电波传播实验室从 2007 年开始从事基于数字广播/电视的外辐射源雷达研究。 分别建立了高频（HF）和超高频（UHF）波段外辐射源雷达试验系统。开展了我国首次数字 调幅广播 （DRM） 的高频外辐射源雷达实验研究， 给出了不同传播模式多种参数 （海洋环境、 电离层、舰船、飞机等）的典型探测结果，为该探测技术的发展奠定了理论与实验基础。 北京理工大学从 2000 年开始研究基于模拟电视信号的无源雷达，回波天线固定指向时 对民航飞机的探测距离达到 260 km，回波天线转动工作时对民航飞机的探测距离达到 190 km。 2.3 国内外典型系统对比 系统 外辐射源 探测距离 分辨力 方位覆盖 俯角覆盖 美国 第三代 Silent Sentry FM 广播，电 视信号 550 km 15 m 360 60 法国 HA100 FM 超过 200 km 360 90 德国 PARADE FM ， DAB ， DVB-T 160 km 30 m 西安电子科 技大学 FM 230 km 北京理工大 学 模拟电视信 号 260 km 2.4 外辐射雷达的关键技术和研究热点 （1）辐射源信号的分析与选择 外辐射源信号一般为民用或商业信号， 种类很多， 各种类型的外辐射源信号也存在一定 的差异。针对实际问题，应首先分析各辐射源信号的特征，选取满足实际需求的最优信号。 （2）模糊函数副峰抑制 模糊函数决定着雷达系统的分辨力，如何抑制模糊函数副峰是一个热点问题。 （3）直达波信号的提纯 参考天线除了接收到直达波外，还会接收到多径、杂波和多种噪声信号，这些信号的存 在使得直达波的纯度大大降低， 因此， 需要采取合适的方法来抑制多径、 杂波、 噪声等信号， 从而来提高直达波的纯度。 （4）目标检测、跟踪与信息融合 外辐射源雷达的最终目的是提取目标的方位、速度、距离等信息，需要经过目标检测、 跟踪等信号处理和信息融合等多个步骤。 但是由于目标的信噪比低， 因此往往需要进行长时 间的积累，但是积累时间过程又会带来跨距离单元，即出现距离徙动和多普勒徙动的问题。 （5）实时信号处理 外辐射源雷达系统的计算处理工作量取决于的带宽、 阵列的阵元数量、 相干积累时间长 度、算法的优化程度等工程参数。不同的应用背景、不同的频段对系统的存储空间和计算能 力具有不同的要求。 数字并行处理技术的发展大大缩短了信号的处理周期， 增加了信号的实 时性。 3 各种外辐射源特点 FM 广播信号最早被广泛研究的外辐射源之一，具有较大的发射功率，覆盖范围广。FM 广播中往往会存在语音或音乐信号的间歇性停顿， 再加上测量值受到闪烁噪声的影响， 很容 易引起信号的突发或捷变，这就会产生较大的测向误差。FM 广播信号比 AM 广播信号的频 带宽，音质好，信噪比高，抗干扰能力强，因此对 AM 广播信号的研究较少。 模拟电视信号具有与 FM 广播信号类似的特点， 但是其发射功率比 FM 广播信号强很多。 模拟调制信号（比如 FM、 模拟电视等）具有发射功率大、覆盖范围广等优点，但是同 时存在带宽小、信号波形随传递内容变化等缺点。随着数字化技术的发展，具有更大带宽、 更稳定波形特性以及更优良抗干扰能力的数字调制信号正逐步取代传统的模拟信