萬顯榮 趙志欣 柯亨玉 程 豐 饒云華 龔子平

(武漢大學(xué)電子信息學(xué)院無線電探測研究中心 武漢 430079)

1 引言

利用高頻電磁波(HF,3～30 MHz，又稱短波)沿導(dǎo)電海面繞射傳播特性和沿電離層返回散射傳播機理可分別構(gòu)建地波雷達、天波雷達和天地波混合雷達[1－6]，3類雷達均具有作用距離遠、超視距、反隱身等突出優(yōu)點，是用于戰(zhàn)略預(yù)警、國土防空、海洋權(quán)益維護的重要裝備，此外該雷達還可作為遠程大面積海洋表面動力學(xué)參數(shù)(風(fēng)、浪、流)監(jiān)測和大區(qū)域電離層環(huán)境遙感的有力手段?，F(xiàn)有該頻段雷達多采用主動輻射信號的有源體制。

高頻外輻射源雷達(HF Passive Bistatic Radar,HFPBR)是一種利用第三方發(fā)射的高頻電磁信號探測跟蹤目標(biāo)的雙/多基地雷達系統(tǒng)，該體制雷達本身并不發(fā)射能量，而是被動地接收目標(biāo)反(散)射的非協(xié)同式輻射源的電磁信號，對目標(biāo)進行跟蹤和定位。該雷達除具備上述傳統(tǒng)高頻天/地波雷達優(yōu)點外，還集成了雙/多基地外輻射源雷達的多種優(yōu)點，主要包括：(1)無需頻率分配、無輻射污染；(2)抗有源定向干擾、反輻射導(dǎo)彈、抗摧毀能力強；(3)研制和維護成本低、設(shè)備體積小、機動性強、易于部署等。因此該雷達為某些特殊需求(如不希望有主動發(fā)射源)的用戶或“反隱身飛機網(wǎng)”提供了一種新的選擇。

相對于VHF/UHF波段外輻射源雷達的研究[7－9]，HF波段外輻射源雷達發(fā)展相對滯后。但隨著DRM(Digital Radio Mondiale)數(shù)字短波在全球覆蓋范圍逐步擴大，節(jié)目播出時間增長，為研究高頻波段外輻射源系統(tǒng)提供了極為便利的條件。DRM數(shù)字廣播標(biāo)準(zhǔn)是目前被國際電聯(lián)廣播業(yè)務(wù)組(ITU-R)確定為全球短波數(shù)字聲音廣播的唯一制式，從2003年6月16日日內(nèi)瓦召開ITU無線電行政大會開始，國際上不少專業(yè)廣播機構(gòu)的部分發(fā)射臺以 DRM 方式正式投入廣播運行。這些發(fā)射臺主要分布在歐洲，包括 BBC(英國)，DW(德國)，VOR(俄羅斯)，RNW(荷蘭)等，因此在歐洲從事HFPBR研究具有得天獨厚的優(yōu)勢。英國倫敦學(xué)院是國際上知名的無源雷達研究機構(gòu)，從上世紀(jì)80年代初開始從事無源雷達的研究[10]，隨著DRM數(shù)字廣播在歐洲的播出，H.D. Griffiths 教授等人[11－13]近年開始探索 DRM信號作為雷達照射源的可行性，他們直接利用AOR公司AR7030短波通信接收機中頻輸出，采集了某26 MHz短波電臺的 OFDM(正交頻分復(fù)用)信號，通過實驗數(shù)據(jù)分析，初步證實了OFDM信號具有圖釘型模糊函數(shù)，而且距離分辨率與節(jié)目內(nèi)容無關(guān)。澳大利亞阿德雷德大學(xué)Coleman等人[14]與英國巴斯大學(xué)合作，采用類似 Griffiths教授的方法，利用ICS554B數(shù)字接收機采集了DRM電臺信號并分析了模糊函數(shù)，列舉了 DRM信號的可能應(yīng)用。澳大利亞DSTO超視距雷達專家G.A. Fabrizio近期也撰文介紹了在 HF無源雷達上的研究進展[15]，不過實驗數(shù)據(jù)是基于機會高頻雷達輻射源采集的，文中也提出了將來利用數(shù)字調(diào)幅廣播照射源的設(shè)想。我國的數(shù)字廣播在技術(shù)上是緊跟世界潮流的，數(shù)字廣播取代傳統(tǒng)模擬廣播是大勢所趨，我國現(xiàn)已在長沙開始了中波DRM廣播，但短波DRM廣播在我國發(fā)展比較緩慢，目前還停留在試驗層面，但短波通過電離層超視距傳播，國內(nèi)現(xiàn)已具備開展該研究的條件[16,17]。本文主要敘述了利用武漢大學(xué)新近研制的有/無源一體化高頻地波雷達設(shè)備，在我國進行外輻射源探測的研究進展，包括系統(tǒng)理論與關(guān)鍵技術(shù)、探測設(shè)備和初步試驗結(jié)果等。

2 高頻外輻射源雷達理論及關(guān)鍵技術(shù)

2.1 HFPBR的傳播機理和雷達方程

與有源雙基地高頻雷達傳播機理類似，根據(jù)DRM 廣播發(fā)射站和接收站部署位置及高頻電波傳播特點，HFPBR可利用的主要傳播模式有 4種：地波模式、天波模式、天地波混合和天波/視距直達波傳播模式。為描述方便，本文主要討論前3種模式如圖1所示。若短波廣播輻射的高頻電磁波沿導(dǎo)電海洋表面?zhèn)鞑?、在與目標(biāo)作用后又沿導(dǎo)電海洋表面繞射至接收站，則可構(gòu)建地波模式HFPBR(黑色虛線)；若依靠電離層兩次或多次反射到達接收點，可構(gòu)建天波模式HFPBR(綠色實線)；如電波經(jīng)電離層反射后再沿導(dǎo)電海面繞射傳播到達接收點，則被稱為天地波混合傳播模式HFPBR(藍色點劃線)。

圖1 HFPBR 3種傳播模式示意圖

3種傳播模式對應(yīng)的雷達方程可統(tǒng)一表達為

其中，Pt為發(fā)射天線功率，Gt為發(fā)射天線增益，σ為目標(biāo)散射截面，Gr為接收天線增益，λ為工作波長，T為累積時間，傳播距離R1,R2和傳播損耗因子Lp在3種模式下的對應(yīng)量如表1所示，Ls為系統(tǒng)損耗因子，K為波爾茲曼常數(shù)，T0為環(huán)境溫度，F(xiàn)a為大氣噪聲系數(shù)。

2.2 信號處理關(guān)鍵技術(shù)

2.2.1 探測信號結(jié)構(gòu)與波形特性修正

DRM廣播信號采用正交頻分復(fù)用(OFDM)調(diào)制技術(shù)，可以很好地對抗頻率選擇性衰落，其標(biāo)準(zhǔn)中定義了5種不同的魯棒模式(A～E)，允許發(fā)射端根據(jù)不同的傳輸信道與服務(wù)質(zhì)量動態(tài)地調(diào)整信號參數(shù)。DRM廣播信號傳輸以超幀為單位，每個超幀由多個傳輸幀組成，每個傳輸幀又包含多個OFDM符號，其基帶信號可表示為[18]

表1 3種模式對應(yīng)的R1,R2和Lp

其中，k為子載波序號，Kmin與Kmax為k的上下限；Ns表示一個傳輸幀里的OFDM符號個數(shù)；s為每幀符號序號；r為傳輸幀序號；cr,s,k為第r幀中第s個符號的第k個子載波的復(fù)調(diào)制數(shù)據(jù)；Tu表示OFDM符號有效部分時間長度，Tg表示OFDM符號循環(huán)前綴時間長度，Ts表示一個完整OFDM符號時間長度。DRM標(biāo)準(zhǔn)中常用模式B對應(yīng)的各參數(shù)如表2所示。

模糊函數(shù)是研究雷達波形的有效工具，它描述了雷達系統(tǒng)所采用波形具有的距離分辨力、雜波抑制能力等潛在性能。由于外輻射源雷達波形并非為雷達探測系統(tǒng)專門設(shè)計，對其模糊函數(shù)的分析顯得尤為重要。DRM模糊函數(shù)可表示為

表2 DRM模式B的OFDM參數(shù)

其中，τ是時延，fd為多普勒頻移，其模糊函數(shù)如圖2(a)所示，可見DRM信號具有圖釘型模糊函數(shù)，但除零距離和零多普勒處的主峰外，還出現(xiàn)了很多有規(guī)律的副峰，因此需要基于DRM信號結(jié)構(gòu)對波形特性進行修正。分析不同副峰的規(guī)律和形成機理并對相應(yīng)部分處理后，副峰均被抑制，如圖 2(b)所示，可見經(jīng)修正后的信號具有理想的圖釘型模糊函數(shù)。文中模糊函數(shù)圖和距離-多普勒(RD)譜上的距離為相對于直達路徑的距離差，多普勒為雙基地角平分線多普勒。

圖2 DRM模糊函數(shù)及其特性修正

2.2.2 直達波抑制

外輻射源雷達目標(biāo)檢測采用相干處理技術(shù)，即在接收系統(tǒng)中至少要設(shè)置2個通道：監(jiān)測通道和參考通道，分別用來接收目標(biāo)回波信號和參考信號；然后通過監(jiān)測通道與參考通道的互相關(guān)模糊函數(shù)(2D-CCF，即匹配濾波)求解獲取RD譜，從而實現(xiàn)對目標(biāo)的檢測與跟蹤。DRM數(shù)字調(diào)幅廣播外輻射源雷達通過將陣列接收天線波束分別指向發(fā)射臺和目標(biāo)方向以得到參考通道和監(jiān)測通道信號。而由于波束寬度和副瓣的影響，監(jiān)測通道信號中會不可避免地存在直達波和多徑雜波，而直達波和多徑雜波往往比目標(biāo)回波強很多，其旁瓣使得目標(biāo)在回波譜上被掩蓋。因此，直達波和多徑雜波的有效抑制是各種體制外輻射源雷達的主要難點之一，其解決方法大致可分為時域方法[19－21]和空域方法[22－24]。時域方法主要是基于維納濾波理論，即依據(jù)不同的準(zhǔn)則尋找M階最優(yōu)權(quán)系數(shù)W求解表達式，其中s(n)為監(jiān)測通道樣R本，sref(n)為M個參考通道樣本構(gòu)成的向量；根據(jù)不同的準(zhǔn)則，可分為LMS,NLMS,RLS算法和LS算法?？沼蚍椒ㄊ嵌鄰诫s波抑制常用的方法，普通雙通道無源雷達系統(tǒng)可通過降低監(jiān)測天線的副瓣來實現(xiàn)直達波抑制，多通道陣列無源雷達可通過自適應(yīng)波束形成深零陷以抑制多徑雜波。

2.2.3 參考信號重構(gòu)

與有源雷達的探測波形先前已知不同，外輻射源雷達系統(tǒng)的參考信號是未知且隨機的，如單純通過波束形成得到的參考通道信號不可避免也會面臨多徑和噪聲污染，因此純凈參考信號的提取是系統(tǒng)實現(xiàn)目標(biāo)相干檢測的關(guān)鍵，其中基于重構(gòu)的信號提純方法可獲得更為干凈的參考信號，其處理流程如圖3所示，其中各步驟所包含的具體內(nèi)容也在圖中給出。接收信號的解調(diào)誤碼率對參考信號的重構(gòu)質(zhì)量有一定影響，而重構(gòu)質(zhì)量卻直接影響了時域直達波抑制的能力，如圖4所示仿真結(jié)果可見，誤碼率越低，直達波抑制效果越好。

圖3 參考信號獲取與重構(gòu)流程

圖4 誤碼率與抑制能量關(guān)系統(tǒng)計

2.2.4 目標(biāo)定位

目標(biāo)定位主要針對天波和天地波混合模式，因為此模式下系統(tǒng)得到的實際上是目標(biāo)在自由空間、電離層及海洋表面?zhèn)鞑サ娜郝窂脚c直達波路徑之差，而目標(biāo)距接收站的實際地面距離才是我們關(guān)心的，因此在天波和天地波混合模式下必須考慮目標(biāo)的定位問題。

對于最簡單的均勻球?qū)ΨQ結(jié)構(gòu)電離層情況，天地波混合模式下的目標(biāo)與雷達系統(tǒng)位置關(guān)系可簡化為平面幾何關(guān)系[5]。利用三角函數(shù)公式可推出目標(biāo)定位方程為

其中R為目標(biāo)相對于接收站的距離，D0為從發(fā)射站到接收站的基線距離，h為電離層等效虛高，θ為目標(biāo)與收發(fā)基線之間的夾角，d為天地波混合路徑距離，可以由時延差和直達路徑距離得到。同理可以求得天波模式下的目標(biāo)定位方程。但實際中電離層是隨時間空間變化的，因此要實現(xiàn)目標(biāo)精確定位就要依賴實時電波環(huán)境參數(shù)和部分先驗信息并運用復(fù)雜的電離層傳播理論、靈巧的電離層重構(gòu)技術(shù)和精確的射線追蹤技術(shù)來處理。

3 實驗設(shè)備

武漢大學(xué)新近研制的主被動一體化高頻地波雷達基于軟件無線電思想設(shè)計，發(fā)射和接收均采用全數(shù)字方案，具有很好的通用性和可擴展性，是一部兼容多基地、多頻率、多波形并且可實現(xiàn)多功能探測的實驗系統(tǒng)。系統(tǒng)工作頻段8-25 MHz，發(fā)射可采用對數(shù)周期天線或三元組合單極天線，接收天線單元采用寬頻帶2 m高無源單極螺旋天線，接收系統(tǒng)可靈活配置為16-32通道。收發(fā)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。

圖5 收發(fā)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

本次實驗共設(shè)計了兩種探測模式，接收陣列沿海岸布置，接收的DRM 廣播信號分為真實外輻射源和自主外輻射源。真實外輻射源探測實驗直接接收國外對華廣播的DRM 信號。自主外輻射源探測實驗主要用于解決兩方面的問題：一方面可以用于外輻射源信號的分辨性能和接收系統(tǒng)設(shè)計研究，因DRM廣播的OFDM波形并非專為雷達探測設(shè)計，用于雷達探測時會遇到傳統(tǒng)探測波形(如線性調(diào)頻，相位編碼)所未曾面臨的問題，如探測波形特性需要修正、需要更大動態(tài)范圍的接收機系統(tǒng)等；另一方面用于如上所述的關(guān)鍵信號處理算法前期研究。自主式外輻射源探測收發(fā)采用雙基地結(jié)構(gòu)，由頻率合成器模擬產(chǎn)生 DRM 廣播信號通過功率放大器后由天線發(fā)射，接收系統(tǒng)在信號處理時采用兩種方式，(1)假設(shè)發(fā)射波形未知，則系統(tǒng)工作在無源探測模式；(2)假設(shè)發(fā)射波形已知，則系統(tǒng)工作在有源探測模式。在數(shù)據(jù)分析時因發(fā)射波形實際上事先已知，可以將兩種不同處理方法的結(jié)果進行比對。

4 實驗結(jié)果

4.1 自主式外輻射源探測實驗

實驗中自主式高頻外輻射源探測采用雙基地地波傳播模式，發(fā)射站位于青島沿海，接收站位于煙臺沿海，實驗布局如圖6所示，收發(fā)站間的距離約為50 km。通過頻率綜合器模擬產(chǎn)生DRM標(biāo)準(zhǔn)B模式信號，經(jīng)由1 kW功率放大器輸出。接收天線為32元雙排線陣，發(fā)射信號主要經(jīng)過地波傳播模式到達接收陣列。圖7(a)～ 7(f)給出了地波模式的探測結(jié)果，可見 DRM 外輻射源雷達可實現(xiàn)對不同目標(biāo)(飛機、艦船、海洋和電離層)的探測：圖 7(b)的RD譜上電離層回波具有寬多普勒擴展特性，幾乎覆蓋了整個多普勒分析帶寬；經(jīng)過空時域自適應(yīng)處理(如自適應(yīng)數(shù)字波束形成等)濾除直達波后，被掩蓋的目標(biāo)得以顯現(xiàn)；且連續(xù)跟蹤到了飛機和艦船目標(biāo)；由于同時存在地面多徑回波和海洋回波，雜波環(huán)境復(fù)雜，雜波的有效抑制方法是一大技術(shù)難題。

4.2 真實外輻射源探測實驗

圖6 自主式高頻外輻射源探測實驗布局圖

圖7 自主式高頻外輻射源探測結(jié)果

真實DRM外輻射源雷達采用同樣的接收陣列，在不同時段分別接收德國和俄羅斯的 DRM 廣播信號，其中俄羅斯DRM對華廣播的電波覆蓋如圖8所示。由于距離達幾千公里，發(fā)射信號被電離層反射傳播到達接收陣列。圖 9給出了利用俄羅斯 15 MHz DRM廣播電臺的探測結(jié)果，圖9 (a)和圖9 (b)分別對應(yīng)天地波混合模式和天波模式的回波譜。根據(jù)2.1節(jié)所述不同傳播模式下的雷達方程，目標(biāo)與雷達系統(tǒng)位置關(guān)系簡化為平面幾何關(guān)系，下面給出圖8所示收發(fā)配置在典型傳播條件下的最大地面探測距離結(jié)果：電臺發(fā)射功率Pt=3 0 kW，發(fā)射天線增益Gt=1 2 dB，收發(fā)系統(tǒng)地面距離為2020 km，接收陣列增益Gr=1 5 dB，系統(tǒng)損耗Ls=1 0 dB,Fa=3 7 dB。艦船目標(biāo)散射截面σ=3 0 dBm2，其與接收站連線同收發(fā)基線夾角為 90°，累積時間T=218 s，設(shè)定最小目標(biāo)檢測信噪比為 11.2 dB(檢測概率 0.5，虛警率 1 0?6)時，天地波混合模式下設(shè)電離層等效反射高度為250 km，天波路徑傳播衰減為8 dB，五級海態(tài)，其相應(yīng)的最大地面探測距離約為180 km；天波模式下設(shè)兩次天波路徑電離層等效反射高度分別為220 km和280 km,Lp=12 dB，其相應(yīng)的最大地面探測距離典型值為1500 km。對于相同幾何位置、散射截面σ=2 0 dBm2的飛機目標(biāo)，累積時間T=2 0 s ，其在天地波混合模式下的最大地面探測距離約為160 km。高頻雷達是一種典型的環(huán)境依賴型設(shè)備，此處僅給出了典型參數(shù)和簡單模型下的部分探測性能。

圖8 真實高頻外輻射源探測實驗布局圖

圖9 真實外輻射源實驗15 MHz信號探測結(jié)果

5 結(jié)論

高頻外輻射源雷達集成了傳統(tǒng)高頻天/地波雷達和雙/多基地外輻射源雷達的多種優(yōu)點，具有廣闊的應(yīng)用前景；該雷達的研究除面臨傳統(tǒng)高頻天/地波雷達和雙基地?zé)o源雷達的難點外，還涵蓋了數(shù)字通信技術(shù)與雷達技術(shù)交叉而引入的一系列新問題。本課題組在國家自然科學(xué)基金多個項目資助下，利用武漢大學(xué)新近研制的全數(shù)字有/無源一體化高頻地波雷達系統(tǒng)，開展了我國首次基于DRM數(shù)字調(diào)幅廣播的高頻外輻射源探測實驗，并對探測的關(guān)鍵技術(shù)進行了前期研究，給出了HFPBR的3種傳播模式很有意義的探測結(jié)果。據(jù)作者知識所及，上述實驗結(jié)果報道在國際上尚屬首次，后期工作將進一步完善HFPBR不同傳播模式下的探測理論模型以及深入研究目標(biāo)信息獲取關(guān)鍵技術(shù)。