（通信与信息系统专业论文）基于天线和波形设计的反无源探测雷达技术研究.pdf

摘 要 abs tract p ass i v er a d ars hav eb e c o m ean im p o 比 an t re s e archare aof m o d e m r 园阮s for t h e 让 exc el l ent p e 宜 forlnanc ein anti 一 el i ni ， 明t l 一 el e c tr o ni ccou nt e r . c o u n t e n 刀 ” 眠 ， 明石 一 就 e 川 th 恤g ets， 阴 t i . r a d i ation m is si le ， 朋 t l 一 x tra l ow fli ght. h o wev er， o ncead y es让 山 e adv antage o f our ra 山 盯5 1 91 班 1 s todo targ e t s d e t ect i 0 n and l o c atio n， i t w i l l 卜 父 。 me a se ri 七 us t hre a t too urr a d ar ， s o it i s n ece s s a rytostud y th e ant i. p as s i v e d e te ct i o n . 丁 七 eanti 一 p ass i ve d e t e c t i on isthe tec】 i n o 1 0 gy th a t p r e v ent advers 硕es， r a 山 az s丘 o m t ak l ng adv an ta g eo f our r adal si gnal s to do ta r g ets d ete比on an dle c ation. f or the 阴幼 一 p as s l v e d e t e c t 1 on sy stemw hi ch isco m pos edo f a hostr a 山 灯明 d i nte对 免 r o m et e r ， 而5 p 叩 erstudi esthe ad t i 一 as si v e d etectio n 朗 址 e v e d 勿 th e hostr 朗 址即d inte r fe ro m e t e r ， 5 a n t e n n a and tr 出 招 r n ltt e d si g n a l desi gn. 丁 h ema i nc o 刀 t 对 b u t io n s o f t h edis s o rt 川 l on a e as fou 0 ws : 1 . a n a 1 y ses o f the b 1 s ta i cr a dar c h ar act e ri st i cthe anal y se s are c o n d u c t ed on al l kindso f re l at io ns hi p under th e bi 引 泊 i c ra 山 盯 g e o m e t ri c alre striction an d the peri 沁 rm暇 。 f co her e n t d e t e c t i on w hi ch are th e t b e o r e t 1c alb as esfo r our s tu d i es . upon 面s an al y se s， c o m p u l e r s i m ul atio n i s d o n e . 2 . r 幻 盯an t elinaan d l n t er fe ro m e te r a n t e n 刀 a de si 笋 m 殆give the m etho d howto cont r o l the in t e 到 免 r o m e t e r a n t e n n a r a d l ation p a tt e m， s wid e n ul l tocoinc i de w i ththe r adar 阳 t e nna r adi at io n p a ti e m 、m a 回。 比， 胡 dan al y sethe sp atiaio rtho 9 o nali tyb e twe e n th e h o str ad班 助dint e 对殆 r o me t er. 3 . r a da r tr an s 而t si gnal desi gn. we i n tr o d uc e th e c 抽 口 c t eristi c ofs ome re p r e s e n tative 51 9 扭 1 5 ， deri vethe i r ambiguo usfun ction 胡d s to d y the abili tyofant l 一 assi ved e t ect l on. key w o r d s : b i s tatic r a d ar， ant i一 p as s iv e d e t e c ti on， ante nna p a tt e m ， amb iguity 加 n ct ion， c o s tas s i gnal ， o f d ms ignal n 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果， 尽我所知， 在 本学位论文中， 除了 加以 标注和致谢的部分外， 不包含其他人已 经发 表或公布过的研究成果， 也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。 与我一同 工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名:年月日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学 位论文的电子 和纸质文档， 可以 借阅 或上网公 布本学 位论文的部分或全部内容， 可以向有关部门或机构 送 交并授权其保存、 借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。 对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名: 年月日 硕士论文基 于 天线和波 形设计 的反无源 探裁 雷达技 术研 究 1 绪论 l l 课题研究背景 无源雷 达是指雷达本身不发 射电 磁波信号而只 用目 标辐射电 磁信号 ( 外辐 射) 进 行目 标 探测和 跟踪的 雷达 111 。 根 据目 标辐 射 信 号 源的 类 型， 无源 雷 达 可 分为 两类 : 一 是利用目 标自 身 辐射源的 无源雷达， 包括待观测的目 标自 身携带的 辐射源， 如雷 达、 通信、 应答机、 有源干扰和导 航等电 子设备; 二是 利用第三方发 射信号经目 标反射的 信号的无源雷达，这类发射源包含地面广播电台、电视台、 通信台站、直播电视卫星 和卫星导航定 位系统 等。 无 需发射机， 只需要接收 机就可构成目 标 探测系统， 即 基 于 机会照射源的无源雷达，因此这是一种基于无线电通信和传播的双多基地雷达体制 121 1 。 由于 第二 类无源雷 达具有以 下 优点: ( 1)无需发 射机， 只需要 接收机就可构成目 标探测系统， 因此成本比较 低。 ( 2) 接收机是静默的， 又可 机动， 所以 系统具有抗电 子侦察， 系统生存能力强: (3) 可 利用空中、 空间的照 射源， 可以 探测到发射机 视线 ( 地平 线) 以 下和远区 超低空的目 标， 抗超低空突防能 力强。 因 此国内 外大量开展了 这类无 源雷达的 研究，如: 八十年 代初， 英国的c 朽 m ths h . d . 等人利用电 视信号 对 目 标进行定位izjllgj， 讨论了电 视 信号 作为雷达 信号 处理的可 行性， 并且对信号检 测中 的 若千问 题进行了具体的数值分析，得出了一些有价值的结论;1 9 90 年 d ai ef. dick i ns o n提出 在卫 星上把 v hf几 i h f广播电 视信号 用在无源雷达中。 九十年代， 以 色列埃尔塔公司在机载短时差定向 系统基础上 派生了 e l il 一 8 3 00 低 级防空预等电 子 情报系统( 多站被动探测) ， 此后 又推出了 e l 几一 8 3 8 8系统， 具 有实时 跟踪空中多 批目 标的 能力;19 98 年 p rati c 等提出 在 地球同 步的 s a r系统中 利用反向散射的 数字 音频广播;1 9 98年底 loc khe edm artin公司花费 大约巧年时间， 研 制出多 基雷 达系 统 一沉默 哨 兵 ， ， 12 0 一 1翔 ， 该 系 统 利 用 商 业 调 频电 台 和电 视台( 5 。 s oo m h z ) 的 连续 波 信 号来实现目 标的 探测、 分辨、 定 位和跟踪， 实 验证明 该系统可在12 5 一 13 6 英里的 距离 上 观测到散射面积为10平方 米的目 标等. 而随着先 进的监 视系统 和技术的 发展， 敌 人可能使用无 源探测技 术来利用我 们在 先 进传感器上的 投资， 尤其是 在相对 简单的 接收机系 统中， 敌 人能够 利用我们的 照 射 源来实现无源 探测， 对我方 构成很大的 威胁。 因此， 我们必须进行反 无源探测， 也 就 是阻止敌人的无源探测。 敌方接收 机工 作原理如图1 1 所示， 其基本原 理: 敌方 接受机通 过获得由 我方雷 达的 旁瓣信息估计出 参考信号， 然 后与目 标回 波信号进 行相关运算从 而实 现目 标的 检 测与估计。 传统的反无源探测雷达技术包括低旁瓣发射天线、物理隔离、扩频信号等， 然而 硕 士 论文基于天线和波形设计的反无源探侧雷达技术研究 这 些技 术并不适用于空 基探测平台， 因此本文则 通过对从雷 达发 射机和干涉仪的 天线 方向图以 及发射波形进 行联合设计， 来达到反 无源探测的目 的。具 体思 路为: 我们首先考虑通过对干涉仪天线和雷达发射机天线设计， 探讨是否可能通过叠加 在雷达 发射机天线主波束 方向 上干涉方向 图的宽 零陷 ( b r o adnul l ) ， 来完成雷达 发射 信号和干涉仪信号之间获得空间正交。 如果正交， 雷达天线的旁瓣被搜盖， 而对雷达 天线主瓣的影响降到最低。因此，当雷达发射信号时， 雷达发射信号的旁瓣将被较强 的干涉仪 信号屏蔽， 使得敌 方接受机不能 获得我 方雷达的旁瓣信息而 无法估计出 参考 信号，因 而无法对我方 雷达实 现无源探测。 其次， 我们分别 考虑雷达发射机和干 涉仪的波形设 计， 为了 可以干 扰敌方无 源雷 达探测，同时也具有通信功能， 选择合适发射机和千涉仪波形。如果敌方的侦察接收 机接收到的 是经过千涉仪 伪装的 我方 信号， 而 又无法从中 提取有用的 发射机 信号。 那 么也就无 法实 现无源探测， 那么说明我 方雷达也就具 有反无源探测的能力. 目标 目标回波信号 我方雷达 相关干涉参考信号 图 1 . 1 敌方接收机工作原理图 1 ， 2 方法 如图1 . 2 所示， 使用一 个 ( n 十 2) 单 元雷达天 线阵 列， 其中n个单 元组成的 天线 系统被雷达用于发 射信号探测目 标， 而另外2 个单元组成了干 涉仪天线系统， 用来 干 扰敌方对发 射信号旁 瓣的接收和 通信。 两个天线 系统独立工 作， 具有独立 波形发生 器、 独立周期和独立控制环路。 单基地雷达 主要天线:n单元 干涉空间否定天线 图 1 .2独立波形控制，适时提供发射机旁瓣调制的干涉单元对 硕 士 论文基于天线和波形设计的反无源探溉雷达技术研究 理 想的 干涉仪天线方向图在 整个时间或部 分时间能覆盖雷 达天线的 旁瓣， 而对 雷 达天线主瓣的影响降 到最低。 因 此， 当雷达发 射信号时， 其旁瓣信号被干涉 仪所屏蔽， 从而使敌方的无 源雷达 接收机无法估算直达 信号。 为了 增加屏蔽的效果， 采用脉 冲串 调制干涉 仪天线方向图。由 于脉冲串 调制的 特 性， 用它来屏蔽雷达天线旁瓣比用噪声信号效果好， 以阻止敌方无源雷达对我雷达天 线旁瓣发射的直达信号接收。 同样， 通过仔细选择 千涉调 制， 一个理 想的 信号 可以 嵌入到旁瓣内 ， 如数 据 / 声音 信号， 既 可以 干 扰敌方 无源雷达探测， 同时也 具有通 信功能。 利用多信道相位 阵列天 线 和正 交空时 波形方法， 使信号能随角 度变换， 这 样通过不同 角度的 位置的接收 机接 收和分 离雷 达信号和干扰信号 ( 或通 信信号) ， 而敌 方的无源雷达接收机却无 法分离 直达的干扰信号和雷达信号，因而不能实现无源探测，这正是我们研究的目标。 l 3 研究目 的 本文 通过对雷达天线和 波形设 计， 实现如 下目 的: ( 1)通 过对 天 线的 设计 ， 使雷 达 天线 方向 图 主 瓣 方 向性 最 好， 旁瓣 最 小 ; 通 过 雷达信号 和千涉仪信号空间正交以 及对千涉 仪信号的宽 零陷 方向的 控制， 使敌方 无源 雷达难以从接收的混合信号中分离出我方的雷达信号， 进行目标无源探测或我方雷达 位置定位，从而使我方雷达具有反敌方无源雷达探测功能。 (2) 通过分析雷达 和干涉仪的波形模 糊图 ( 相关 特性) ，设计新颖的 波形。 因为 一般敌方无源雷达接收机是通过对接收的信号相关分析来实现探测的， 如果雷达信号 和干涉仪信号模糊图 非常相似，特性 好 ( 主瓣能量 大， 旁瓣能量小) ，且频率 相近， 这样敌方无源雷达相关接收 机就无 法分离出 直达的雷 达信号和干 扰信号， 而我 方单 / 多 基雷达由 于知 道两者的频率差异， 能 够从中 分离出 雷达信号和千扰信号， 所以 雷达 和干涉仪波形的优良 设计， 既可以 降低我方 雷达被敌 方利用的可能性， 又不会降 低自 身应用功能。 总之， 我们反 无源探测的目 的 就是阻止敌方 接收机 通过接收我方雷达信号的 旁 瓣 ( 直达信号)来实现无源探测和定位。 1 .4 本文研究内容与 结构 本文共分五章， 各章的具体内容 如下: 第一章是绪论部 分。 介绍了 课题 研究背景和 方法，给出了 论文的内 容和结构 。 第二章是双基雷 达基本理论。 首先介绍 双基地雷 达的定义: 然后探讨 双基 地几 何 结构 约束下的各种基 本关系: 几何关系、 能量 关系、 距离关 系、 多普勒关系、 目 标分 辨力 关系、 同步关系: 最后研究了非 合作式收发 分置接收 机相关接收检测 性能， 为后 硕士论文 基于天线和波形设计的反无源探侧雷达技术研究 续研究提供理论依据。 第三章是雷达和干涉仪的 天线设计。首先 研究了 干涉仪和雷达天线方向 图的主 瓣、 旁瓣以 及零陷 特征; 然后通 过对天线位置、 形状、 激励 信号 分析， 探讨控制干 涉 仪 天线方向图宽 零陷 位于雷达主波束之处， 实现 雷达和干涉仪 信号 之间空间 正交， 导 致 收发分置的敌方接收 机性能 严重退化， 不能 有效利用我 方雷 达信号， 与此同 时， 确 保我雷达自身功能正常: 最后探讨了几种典型的信号在干涉仪天线中的应用， 得出一 些有益的结论。 第四 章是 雷达和干涉仪的波 形设计。 首先分析了 跳频信号雷达模糊函数 特性; 然 后 分析了c o s t as序列信号、 o f d m信号的雷达 模糊函 数特性; 最后 探讨了 选用c 朋 枉 比 信号 作为 雷达信号， o f d m 信号作为干涉仪信 号时， 收发分置的敌 方接收 机无源探 测 和定位能力。 在 研究 过程中， 通过计 算机 仿真， 对结论给出了 验证。 第五 章是 全文总结， 对本文的 研究 作了 总结， 对未 来的 工作提出了 建议。 硕士论文 基于天线和波形设计的反无源探侧雷达技术研究 2双基地雷达基本理论 我们研究的 反无源探测的雷达技术 是基于 第二类无源探测雷 达， 该雷达系 统是一 种基 于无线 电通 信和 传 播的 双基 地 雷 达 体 制 z1 1 。 因 此 我 们 介 绍了 双 基 地 雷达 是以 收 、 发 分置为基本 特征， 其性能优势与系统的 几何结 构有直接的关 系。 本章介绍双 基地雷达基本理论， 讨论双基 地几何结 构约 束下的各种基本 关系: 几 何关 系、 能 量关系、 距离关系、 多 普勒关系、目 标分辨力 关系、 同 步关 系以 及相 关检 测性能等，作为后续研究的基础。 2. 1 双基地雷 达系统定义 1 982 年ie e e标准 13 给出 了 双 基 地 雷 达 系统 定 义 : 使 用 处 于不 同 位 置 的 天 线 进 行 发射和接收的雷 达. bl ake l . v 提出了 双基地雷 达的必要和充分 条件 : 双基地雷 达 的 发射天线和接 收天线相距很远， 而且 还应满足 发射 天线和接收天线对目 标 指向 角 之 差 ( 双基角) 不小于其中任一天线的波束宽度或者目标到发射机和接收机距离之差对 其中 任一距 离 之比 是一 相当 大 的小 数 。 19 86年h 耐c e . 又 提出 了“ 广 义 ” 和 “ 狭 义 一 双 基地雷达的概念 1 23. 所谓广义的双基 地雷达， 则包含了 各种有两个工作 ( 收 或发) 基 地的无 线电 定位系统: 而狭义的双基地雷 达则应 符合 blak e的必要和充分 条件。目 前常 采用统一的 狭义的双基地雷达定义: 双基地 雷达是发射机( 含 天线) 和 接收机( 含 天线 和信息处理设 备) 分离很远的雷达系 统， 其 收、 发间的基线 距离与等效作 用距离 ( 相同 发射机和接收 机参数的 单基地雷达的 作用距离) 同量级. 2 .2 双基地雷达几何 关系 由 发射基地、目 标和接收基地构成的双基地 雷达系统实际 上是一 个立体 几何结 构， 但是为了 便于分析 和研究 双基地雷达的基 本关系， 突出 其本质 特征， 通常 将双基 地雷达 和目 标限定在双 基地平面内， 如图2. 1 所示. 目标 夕 1 2r : 双基角 发射 机 接收机 l 图2 . 1 双基地雷 达几何关系直 角坐标示 意图 硕士论文 基于天线和波形设计的反无源探测雷达技术研究 图2 1 中x轴 与基 线 同线 ， y 轴 垂 直 于 基 线， 凡是 发 射 机 到目 标 的 距 离 ，久 是 目 标观察角 ， 凡是目 标到 接收 机 的 距离 ， l 是 发射 机 到 接 收 机的 距 离 ( 基 线) ， 刀 是 双基角，v 是目 标 速度，沪 是双 基角二分线与目 标速度方向夹角。 此外， 亦可用极 坐 标表示，即以基线中点为坐标原点，方位角是以基线为起点， 逆时针旋转为正，如图 2 2所示。 目标 尸 吓 ， n ( 正北)广 井护 发射机原点接收 机 图2 .2 双基地雷达几何关系极坐标示意图 2 3 双基地雷达的能量关系 双基地雷达的能量方程与单基地雷达能量方程在形式上基本相似. 但两方程又有 明显的差别: 双基雷达方程中， 发射基地到目 标的距离与接收基地到目标的距离之积， 取代了单基雷达方程中雷达到目标距离的平方项， 这一差别导致了双基地的工作与单 基地相比有显著的不同，主要表现在目 标距离的标识、 信噪比等值线、目 标的雷达截 面积、收发天线的增益以及方向图传播因子等方面。 双基地雷达方程 双基地 雷 达方 程推 导 与单 基地 雷 达方 程 推 导 相 类 似， 由 文献 3 可 知 它 的数 学 表 达 .3.式 2 ( 凡 凡) 一 弓 乓吼矛 几玲嘴 ( 4 二 )， * 兀 凡 ( 5 / 万 ) 二 斗 几 (2. 1) 式中k 是玻 尔兹 曼 常数(l.3 8 、 1 。 一j / k ) ，兀 是 接 收 机噪 声温 度，凡是 接收 机检 波 前 的 噪 声 带 宽 ， (s/ n ) 二是 正 常 检 测 时 接 收 机 输 入 端 所 需 的 最 小 信 噪 比 ， 耳是 发 射 机功率 ， 乓是 发射 机 天线 功率 增益 ， 吼是 接收 机 天线 功 率 增 益， 又 是 发 射 信 号 波 长， 几是 目 标 双基 地 雷 达 截面 积， 凡是 发 射 机 到目 标 方向 图 传 播 因子 ， 凡 是目 标 到 接 收 机方向 图 传 播 因子 ，寿是 发射 机 系 统 损 耗， 纵是 接 收 机 系 统 损 耗. 对式 (2. 1) 进行计算机仿真，可得到双基雷 达系统各工作参数与 距离积 关系， 图 2. 3给出了参数 凡= 50 平， q= 30 ， 仇= 30， 又 = 3 cm ， 斗= 1 ， 乓:l ， 硕士论文 基于天线和波形设计的反无源探测雷达技术研究 凡= 一 35， 凡= 一 3 .5 ，l = 10 。 加， aa= 10 扩， 民= 60 五 打 众 时的 关 系图 。 发射机功率分析发射机频率分析 一 户 才 一 ， 一甲./一 一-一-一二林之.一 、 (z山0哥撼苏欲料 穿口吧僻俘苏摄州 最 大 距 离 积 伽b: 袱 目 标雷达截面积分析 最 大 距 离 积 (kmb: 砂 信噪比分析 幼 份 怕 . 卜 一 官笔)妇昏架 -。-。价。 一一 。 孟. 11 52 梦 x怕 弓舫 11 二2 最 大 距离 积 ( k ln 勺 乃 x 衬 日5因忍彩旧银返皿 最 大 距 离 积 少 澎 ) 图2 .3系统分析:发射机功率、 频率、目 标雷达截面积和信噪比与距离积关系 图2 3清楚地表明了双基雷达发射机功率、发射机工作频率、目 标雷达截面积、 最小信噪比 与雷达探测距离积的关系。 与单基地雷达不同， 双基地雷达得到的是距离 乘 积( 凡 凡) ， 而 非 单 基 地 情 况 下 的 最 大 距 离猛 ( 凡 凡) 取 得 最 大 值 并 不 意 味 着 某 个 值 可 以 很 小 而 另 一 个 值 可 以 很 大 实 际 上 ( 凡 凡 ) 的 允 许 值 会 受 到 双 基 地 雷 达 几 何 关系上的限制，即 凡一 凡 卜 l 凡+ r : 之 l (2一 2) 1 3 .2 信噪比 等值线 ( 卡西尼卵形 线) 卡西尼卵形线族可直观地反映检测信号所需信噪比 ( 5 / n)与距离的关系。 双 基雷达卡西尼卵形线定义 ( 见图2 . 1) 是对边长度 ( 双基雷达基线)不变与项点相邻 的 两 边 乘 积( 凡 r ， ) 为 常 数 的 三 角 形 顶 点( 目 标 处 ) 的 轨 迹。 因 此， 单 基 雷 达 的 信 噪比的等值线是一个以雷达为中心的圆， 而双基地雷达的信噪比的等值线是一个以 双 基 地 雷 达 发 射 机 和 接 收 机 为 焦 点 的 卡 西 尼 卵 形 线。 为 了 方 便 推 出 卡 西 尼 卵 形 线 方 程 ， 采用如图2. 2 所示的极坐标示意的几何关系图。 令 距 离 积 等 于扩 ， 在 正 常 工 作 状 态 下 ， 几、 fr、 凡、 寿、 纵、 凡均 为 常 数 ， 则式 ( 2. d 变为: k r = ， ( s i n 猛 ( rt 凡)k (2 .3 ) ( 4 二 ) ， * t. 凡 乌 纵 7 硕士论文 墓于天线和波形设计的反无源探侧雷达技术研究 式中k是双基地雷达常数。 由图2. 1 可知: :4) (2(2 ( 凡 凡 了 二 (， ， + 尸 ， 4 犷 一 r ，刀 co sz 。 将式 (2.4 ) 代入式 ( 2. 3) 即得 到卡西 尼卵 形线方程为; 了 一 一、k si n、 = t r + 刀 / 4 ) 一 r 公 co s 0 根 据式 ( 2. 5) ，图 2. 4 给 出在一 定 的常 规 双 基雷 达工 作 参数 ( 界= 50 平， 乓= 30， 乓= 30， 兄 = 3 cm， 凡= 凡= 一 3.5， l =l00 加， 几= 1 0m， ， 乌= 纵= 1 ， 凡二 60 几 刃 云) 条 件下 ， 卡 西 尼卵 形 线族 . 一 馨彝一一 距离你 犯 ) 图2 4 k 习 。 砂时 的卡西 尼卵形线族 ( 亦称信噪比等 值线族) 由 图2. 4 可见，双基 地雷达可分为 三个不同的 工作区域， 它 们是: (l )l 2 而 : 最 大 作 用 距 离 为 两 个 小 卵 形 线。 当 凡凡， 工 作 在以 接 收 机 为 中 心的小 卵形 线 内; 当 凡凡， 工 作 在以 发 射 机为中 心的 小 卵 形 线内 。 (2)l = 2 在 : 最 大 作用 距离 为 双 纽 线 。 ( 3) l l 一 介 或 者l + rr 寿 l 一 时 : 硕士论文基于天线和波形设计的反无源探测雷达技术研究 图2 .5 观 察面积几何示意图 、 = 告 、 (、 一 sin 、 ) 十 亏 (、 一 1 、 ) ( 21 0) 仄仄 任井 ) 气兴 ) 1a0(r晰zcos1zcos-( 一-一-一 玲今再八 式中l 是基 线， 再是发 射 机观 察角 ， 八 是 接 收机 观 察角。 (2) 当 + l + rr ， ac= 二 褚 : l 十 ，人= 耐; 由式 (2， 1 0) 进行计算机仿真可得发射机、接收机和目标高度关系如图2 .6所示。 一 一 一 _飞丈一 _扛一 !_ _ 一 一 一 ” 一 “ 一 又 簇衷遨乡共基 二 二 ， ， 马 . 州 期胡翎。 (ul侧褪嘟以璐盆绷 02 加4 朋翻08 即1 0 0 0 目 标高 度( m ) 图2. 6 发射机、接收 机和目 标高度关系 由 图2. 6 可知，对于 基线为l 的双基 雷达， 当发 射机 ( 或接收机) 天线在零高 度 处，目 标高度 大于900m ， 才有足够的视 线;当目 标高 度为 700m 时， 天线必须 升高 到50 m ， 而当目 标高 度为200m 时， 天线 必须升高到4 90m ， 才能保 证有足够的视 线。 所以对 于双基 地雷达， 当 要求 观察 低空目 标时， 必 须精心地选择发射 机或接收 机地 址， 比 如放 置于高山、气球、飞 机和卫星上。 2. 4 双基地雷达的距离关系 在双基地雷 达中， 由 于双基， 其测 距方法与 单基地雷达相比 有很 大差别. 双基地 l 0 硕士论文荃于天线和波形设计的反无源探测留达技术研究 雷达的距离测量不仅与回波的 延迟时间有关， 而且还与目 标相对发射和接收基地的几 何 位 置 有 关。由 图2 . 1 可 知 发 射 基 地到目 标 距离凡或目 标 到 接收 机 距离凡不 能 直 接 测得， 必须借助于另外测量， 通过计算才能得到。 双基地雷达目 标定位一般有三种典 型 方 法 ，3 ， 。 1 . 距离和一 角度定位法 此方法是双基地雷达测距的典型方法，根据图21 利用余弦定理求得: 凡 = ( r ， 一 刀 ) ( 2 ( r + l ， in ( 么 ) ) ) 凡 = ( r ， + lz + z rl s in ( 久 ) ) ( 2 ( r + l s in ( 氏 ) ) ) (21 1 ) 刀 = z c o s 一 ， 1 / 2+ 凡+ l s in ( 氏 ) 2 了 r 孟 + lz + 2 凡 l s in ( 久 ) (2. 1 2) 式中r 是发射机到目 标的距离与目 标到接收机的距离和， 它通过测量发射信号经目 标 到 接 收 机与 发 射 信号 直 接 到 接 收 机的 时 间 差 获 得 ( r = 凡+ 凡= 心十 l ) : 久是目 标 探 测方向与正北方向夹角，由天线测得;l 是基线，可由 测量直达信号延迟或由 gps 系统等多种方法得到。 2 ， 角度一 角度定位法 此 方 法 是 在 精 确地 测出目 标 视 角( 么 ， 凡) 的 基 础 上 进 行的 。 根 据图2 . 1 利 用 正 弦定理求得: 凡 l s in ( 么一 休 ) l s i n ( 氏一 休 ) s i n 休 凡 ， in ( ， 8 00 一 久 ) 3 ， 双曲 线定位法 对于复合双( 多 ) 基地雷达系统可以 采用双曲 定位法确定出目 标的精确位置 (21 3 ) ，以达 到测距目 的. 在多基地系统中， 接收机测量两 个发射信号 经目 标的传播时间差， 或两 个接收 机测量一个发射信号至目 标后到 接收机的 时间差. 等时差的目 标轨迹就是 双曲 线， 利用接收站对目 标视角的测量值与双曲线的交点就可概略测定目 标位置， 再使用 第三个发射机或接收机得到两组双曲 线， 由 两组双曲 线的交点即可精确地表示目 标的 位置。 图2. 7 为单发射站 和两 个接收站直线排列时， 利用双曲 线对目 标定位的 几何关 系。 硕士论文荃于天线和波形设计的反无源探测雷达技术研究 接收机2 图2 7单发射站、 双接收站情况下双曲线定位几何关系 由图2 .7可得目 标距离为; 凡1 ， lz + 此+ 2 丑 d l co s 氏 2 ( 2 . 1 4) r r ， = 2 ( rd一 l c o s 么 2 ) 刀一 砚 2 ( 凡一 l co s 久 2 ) 式 中 凡是目 标 回 波 到 两 接 收 站 距 离 差， 即rd= 凡 ， 一 凡 2 = c 夕 ， 夕可 通 过 测 量 发 射站到接收站直达波与发射站经目 标到接收站回波时间差来获得。 2. 5 双基地雷达的多普勒关系 双基地雷达的多普勒频移定义为波长兄 归一化的散射信号的总路径长度随时间 的变化率，即: 个 贵 奈 助 叼 一 耳 些十 些、 兄欠dtdt j (2. 1 5 ) 由图2 1 可求得多普勒频移为: 叽 = 犷 c o s ( 沪 + 刀 / 2 ) 些 dt = 犷 co s ( 沪 一 刀 1 2 ) (2， 1 6) 二 ( z v / 之 ) co s ( 沪 ) c o s ( 声 1 2 ) ， 以毋 为函 数，以 刀 为 参 变量， 得到fa一 护 ， 刀 关系曲 线 如图2. 8 所 dtfa 根据式 ( 2 . 1 6 ) 不 。 由图2. 8 得到如下结论: (1)对 所 有 的夕 值， 当 一 9 护 护 9 护 时 ， fa为 正 ; 当 9 护 沪 27 护 时 ， fa为 负 。 (2)对任一 给定沪 值， 双基地目 标多 普 勒 频 移 ( 刀 护 0 ) 均小 于处于 双 基 地 角 平 分线上的 单基地的目 标多 普勒频移 ( 刀 二 0 ) 。 ( 3 )所有的距离等值线包括基线都是双基地目 标零多普勒等值线。 硕士论文基于天线和波形设计的反无源探测雷达技术研究 劲相 佃诩赞犷 少少卜卜少 之华 尹 -一一腌 _ 旧 细的功0绷1 翻 .拥翻 n洲邑娜显摇枷镜 目 标速度方向角 沪 (de g) 图2. 8目 标回 波的 多普勒 频移关系( 犷 = 3 o 0 m/ 5 净= 8 00) 2. 6 双基地雷达目 标 分辨力 双基雷达目 标分 辨力定义与单 基雷达类似. 它定 义为 两个具有大致相等回 波幅度 和 任意恒定相位的目 标在距离、 角度和 速度上能 被区分的 程度。 单基地雷达目 标分辨 力 是以 雷达到目 标的 视线为参考基准， 而双基地雷 达目 标分辨力通常是以 双基 地角平 分线为其参考基准。 双基地雷达距离分辨力定义为双基地雷达能够分辨的两个目标之间的最小距离 间隔， 角度分 辨力 定义为同一距 离上能够分辨的 两个目 标之间的最小 角度， 而速 度分 辨力定 义为同 一角度和距离 上能够分 辨两个目 标之间的最小 速度间隔。 文献23 给出 双 基地雷达临近目标的距离、角度和速度分辨力定义为: 左澎 z b co s ， ( 刀 / 2 ) 梦留 z a 氏r ， co s ( 刀 / 2 ) f留 又 z t co s ( 刀 1 2 ) (21 7) 式 中b 是信号 带 宽 ，夕 是雷 达双 基 角 ， 氏是 接 收天 线 单 程 方向 图 半 功 率 波 束宽 度， c 是光速，几是信号波长，t是相干积分时间. 2. 7 双基地雷达的目 标分辨 单元面积 双基地雷达的目 标分辨单元面积定 义为距离单元与发射基地和接收基地天线主 瓣波束 在地 ( 海) 面上的交叠区。 它与 单基雷达不同， 双基地雷达的分辨单元 面积不 仅与发 射与 接收 两波束以 及脉 冲宽度有 关， 而且与 雷达几何结构 有关。 在实际 应用中， 用脉冲宽度的 标称值和天线在方位角和仰角平面上的波束宽度就可以以 满意的精度 估算出雷 达 分辨 单 元面 积191 . 1 . 波束宽度决定的分辨单元面积 波束宽 度决定的分 辨单 元面积可 用图2. 9 中四边形 面积决定. 由图2 乡可求得: ( 凡) 。 “ ( 凡 乓 ) ( 凡 久 ) sin 刀 (2. 1 8 ) 硕士论文 基于天线和波形设计的反无源探测雷达技术研究 牙 华 粗 图2 .9 双基地雷达分辨单元几何关系 波束宽度约束) 2 . 脉冲宽度决定的分辨单元面积 脉冲宽 度决定的分辨单元面积可用图2. 10中四 边形面积决定。 ( 人) 。 故 刃 三 砚 今 尸分拼 尹性丫一， 盯 连 接收机 妙乡二 发射机 图2. 1 0 双基地雷达分辨单元几何关系 ( 脉冲宽度约束) 由图2 . 1 0 可求得: z c o s ， ( 刀 / 2 ) 周 ，1.月奋 ( 凡 氏 ) co s ( 刀 / 2 ) cr凡a 氏 (2， 1 9) 从 翔 凡 由 式 (218) 和 ( 2. 19) 可知， 无论哪种情况下， 分辨元的面积总是随 着双 基地 角刀 的 增大而 增大。 对于 大距离 和的 情况， 分 辨元为 平行四 边 形: 对于 小 距离 和的 情 况， 当刀 小 时 ， 分辨 元的 形 状 为 梯 形 或 三 角 形， 声 大 时 为菱 形 或 六 边 形. 当 夕 二 1 8 00 时， 式 (2. 1 8 ) (2. 19) 不再成立， 此时分 辨单元处于双基地雷达在距离上不可分 辨的 区域。 2. 8 非合作双基地雷达接收机同 步 为了 获得非合作双基地雷达接收机的最佳覆盖和 探测灵敏度， 接收机必须知道或 者能够估算出以 下发射机的参量: 发射位置、 天线极化、 载波频率、 天线波束方向图 和波束宽 度、 天线扫描方式和波形的复 包络等。 我们可以 利用干涉信号干扰这些 参量 尽可能破坏非合作双基地雷达接收机与雷达发射机之间的同步， 降低非合作双基地雷 硕士论文基于天线和波形设计的反无源探测雷达技术研究 达接收机性能。 2. ， 双基地雷达接收机相关检测性能 非合作式双基地雷达接收机是利用对主动雷达发射信号的估计与目 标回波信号 相关来实现目 标探测。 在实际中， 需要对参数的估计不断更新，以 解决主动雷达发射 信号的振幅、频率、相位的故意或无意的 变化问 题，提高无源探测的精确性。 双基地雷达接收机对主动雷达信号复包络的典型估计方法是通过对直达路径信 号( 主动雷达信号直达接收机) 观测而实现的。 一般说来， 直达路径信号易受到杂波 和噪声破坏， 将引起信号处理的 严重损耗， 从而导致主动雷达信号复包络的估计效果 变差.由 此可知， 杂波和噪声是复包络估计精度降低的主要原因， 这样我们不仅可以 依靠干扰 ( 干涉仪产生) 和噪声来防止双基地雷达接收机 ( 非合作) 对直达信号的 接 收， 而且宽 频谱的千扰和噪声能掩护主 动雷达信号， 使双 基地雷达接收机 ( 非合 作) 接收变得更加困难。 主动雷 达和干 涉仪复 包 络分别定 义为夕 翻 d (t)和毛 阳(t)。 这些 信号 的能 量定 义 为 编二 r 5。 (t 扩 * 编一 r 卜 二 (t )lz dt 假设 两 种信号具有相同 的 周期乙。 为了 表示方便， (22 0) (22 1 ) 假设 信号了 沁 刀 ( t) 和关 不材 (t)能 量归一化为: 户 杨(t)lzdt=r 蝙砰卜， (22 2 ) 复包络可以表达为: 翩= 涯 蕊忘 刀 (t)(2.2 3 ) 蝙(t) = 涯忑偏(t) 设主动雷达到收发 分置接收机的直达路 径信号延时为r 即， (2 。 2 4 ) 多 普勒频 移为f dp， 直 达路径上的 接收 噪声复 包 络为n dp (t)， 则 直 达 路径 信号的 复 包络为: 严(t)= 嗡少 沁 。 (t 一 : dp )e/ 2 ，j 加 (l 一 产 + 喘偏(t 一 r dp )e 2 俨(l 尹， + 。 dp (t) (22 5 ) 式中 无 能和喘 是 复 常 量 ， 分 别与 雷 达 和 干 涉 仪 的 天 线 增 益 、 接 收 机 天 线 增 益 以 及直达路径距离等因数 ( 略) 有关。 如图2. 1 所示， 从目 标反 射到接收机的 信号包含两种成分: 一 种是来自目 标 对主 动雷达信号反射;另一种是来自目 标对干涉仪信号的反射。 设 收 发 分 置的 接收 机 接 收 的目 标反 射 信 号 延 时 为: 汀 ，多 普 勒 频 移 为严 ，接收噪 l 5 硕士论文 基于天线和波形设计的反无源探测雷达技术研究 声的 复包络为n dp (t ) ， 则目 标反射信号的复 包络为: ， 护 (t ) 以品忘。 ( t 一 : 分 ) e ， ，jv“ 俨， + 嗡蝙 (t 一 ， 冲 ) 。 ， ， 俨一 ” + 。 ” ( ， ) (2.2 6) 式中k 蕊和无 渭 子 是复 常 量， 分别 与 雷 达 和 干 涉 仪 的天 线 增 益 、 接 收机 天 线 增 益 、 目标雷达截面积以及主动雷达到目标和目标到接收机等因数 ( 略)有关。 由 接收 机检 测 理论 可知 ， 收发 分 置 接 收 机 一 般 是通 过， 少 (t)与 5 冲 (t)相 关 ， 其 输 出 与由 接收准则 ( 如纽 曼皮尔逊准则) 确定的门 限比 较来判别目 标存 在与否。 根 据复 波 形石 (t)和fz (t)的 相关 性 ; ， = j . (t ) 人 (t ) *(2 2 乃 得到非合作双基地雷达接收机的相关器的测试统计输出为: = j s dp ( 卜 于 ， ) * e 一 ， ， 九 (t 一 尸 一 ， ，5 ， (tw (22 8 ) 式 中: 。 = : tp 一 : dp 是 双 基延 时，几二 f tp 一 厂 dp 是 双 基多普 勒频 移 ， f = : ， 一 : 是ra 的 估 计 值 ， 元 = fa 一 ， 是 几的 估 计 值 ， 将 式(2 2 5)和(2 .2 6)带 入 方 程(2 2 8) ， 消 去s dp (t)和5 冲 (t)，经 整理得接收机统计 输出为: 二 丁 “ 无 篇 ) fa