胡　程　劉長江　曾　濤

（北京理工大學信息與電子學院 北京 100081）

（北京市嵌入式實時信息處理技術重點實驗室 北京 100081）

雙基地前向散射雷達探測與成像

胡程劉長江曾濤*

（北京理工大學信息與電子學院 北京 100081）

（北京市嵌入式實時信息處理技術重點實驗室 北京 100081）

前向散射雷達（Forward Scatter Radar，F(xiàn)SR）作為一種特殊的雙基地雷達，可以利用目標在穿越收發(fā)機之間基線的運動而形成的前向散射信號進行探測、成像與識別。由于前向散射效應對提高目標雷達截面積具有重要意義，因此，前向散射雷達在反隱身探測方面具有顯著的優(yōu)勢。文章首先綜述了前向散射雷達截面積、前向散射雷達目標探測及陰影逆合成孔徑雷達（Shadow Inverse Synthetic Aperture Radar，SISAR）成像的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，重點分析了前向散射雜波的統(tǒng)計特性、高精度參數(shù)估計與多目標分辨等關鍵難題；在此基礎上詳細介紹了前向散射雷達探測和SISAR成像研究的最新理論和實驗進展，首次給出了基于北斗導航衛(wèi)星的民航客機前向散射探測實驗結(jié)果；最后，對前向散射雷達探測和成像的研究前景和發(fā)展趨勢進行了展望，為隱身目標的探測與識別研究提供一種新的技術手段。

雙基地；前向散射雷達；雷達截面積；目標探測；SISAR成像

引用格式：胡程，劉長江，曾濤.雙基地前向散射雷達探測與成像［J］.雷達學報，2016，5（3）：229-243.DOI：10.12000/JR16058.

Reference format：Hu Cheng，Liu Changjiang，and Zeng Tao.Bistatic forward scattering radar detection and imaging［J］.Journal of Radars，2016，5（3）：229-243.DOI：10.12000/JR16058.

1　引言

作為人類探測環(huán)境的重要工具，雷達已經(jīng)經(jīng)歷了上百年的發(fā)展史，并形成了完善的雷達信號處理學科體系，對目標的信息獲取能力越來越強大，極大地提高了戰(zhàn)爭中搜索、跟蹤目標的能力［1］。然而隨著隱身技術、反輻射導彈（ARM）、綜合電子干擾（ECM）和低空突防技術的發(fā)展，特別是隱身技術的迅速發(fā)展，對雷達提出了新的要求和新的挑戰(zhàn)［2］。傳統(tǒng)雷達已經(jīng)難以應付這種挑戰(zhàn)，雷達的生存構成受到嚴重威脅，必須尋找新的技術發(fā)展途徑。人們提出并研制了多種新體制雷達，例如超寬帶雷達、長波段雷達、組網(wǎng)雷達和雙基地雷達等。其中雙基地雷達因其收發(fā)分置的幾何配置特點帶來了許多傳統(tǒng)單基地雷達所無法擁有的優(yōu)勢。

雙基地雷達可以定義為發(fā)射機和接收機互相分離的雷達系統(tǒng)，而其雙基地角定義為發(fā)射機到目標連線和接收機到目標連線的夾角。如果雙基地角大于135°，則接收機位于目標的前向散射區(qū)，在這個區(qū)域內(nèi)，目標的雷達散射截面積（Radar Cross Section，RCS）隨雙基地角的增大而迅速增大，通常比單基地RCS大十幾到幾十dB，當雙基地角等于180°時，目標RCS達到最大值。我們將接收機工作于目標前向散射區(qū)的雷達稱為前向散射雷達（Forward Scatter Radar，F(xiàn)SR）［3，4］，其典型系統(tǒng)結(jié)構如圖1所示。FSR利用了目標RCS在前向散射區(qū)所體現(xiàn)出的諸多特性，對反隱身和小型目標探測具有重要意義。

圖1　前向散射雷達系統(tǒng)結(jié)構Fig.1 Configuration of FSR system

FSR通常利用目標穿越基線時的前向散射信號來進行動目標的檢測、跟蹤、成像和識別。與傳統(tǒng)的單基地雷達和雙基地雷達不同，F(xiàn)SR的工作是基于目標對電磁波的衍射效應，而非散射效應。由電磁場理論知，當目標被電磁波照射時，其自身表面電流會感應產(chǎn)生自散射場，同時如果目標尺寸大于或等于波長，由于目標邊緣對電磁波的衍射效應，在目標的后面會產(chǎn)生陰影場［5，6］。陰影場主要存在于雙基地角為180°附近的區(qū)域內(nèi)，也叫做前向散射場。在這個區(qū)域陰影場通常遠大于目標的自散射場，可以近似忽略自散射場的影響。很重要的一點是陰影區(qū)域的目標散射截面積（Radar Cross Section，RCS）僅由目標的輪廓決定，而與它的3維形狀或材料無關。

當前的雷達隱身技術主要通過減弱、抑制、吸收和偏轉(zhuǎn)目標的雷達回波來降低目標RCS，使其在一定范圍內(nèi)難以被敵方雷達發(fā)現(xiàn)和識別。但考慮到目標前向散射RCS不受目標形狀和材料影響的特點，傳統(tǒng)的隱身技術在前向散射區(qū)將完全失效。同時目標RCS在前向散射區(qū)迅速增強，通常比單基地雷達大十幾到幾十dB，也有效地提高了系統(tǒng)的敏感性［7］，因此隱身目標探測是FSR的重要應用方向之一。此外，基于目標在前向散射區(qū)較強的RCS，也可利用FSR組網(wǎng)探測低空飛行的小型飛行器及行人、車輛等地面運動目標，在要地防空和戰(zhàn)場勢態(tài)感知方面發(fā)揮重要作用。由此可以看出前向散射雷達在目標探測方面的重大優(yōu)勢所在。本文首先簡要回顧了雙基地前向散射雷達國內(nèi)外發(fā)展歷程和研究現(xiàn)狀。在此基礎上，對雙基地前向散射運動目標探測和雙基地前向散射陰影逆合成孔徑成像這兩個關鍵技術進行了著重的展開描述，詳細介紹了一些關鍵問題的解決方法以及最新的研究成果。進一步地，對基于衛(wèi)星信號的雙基地前向散射探測技術的發(fā)展進行了展望。最后一節(jié)給出結(jié)束語。

2　研究歷史與現(xiàn)狀

2.1國外研究歷史與現(xiàn)狀

雖然前向散射區(qū)RCS的增強效應很早就被發(fā)現(xiàn)，并且一些早期的雙基地雷達也具備在前向散射區(qū)工作的能力，如著名的AN/FPS-23 Flutter雷達等，但是由于FSR的信號處理技術在此期間并沒有得到相應的發(fā)展，造成前向散射效應對目標探測帶來的優(yōu)點一直沒有被充分利用起來。直到20世紀80年代末期，隨著雙基地雷達目標檢測與跟蹤技術的迅速發(fā)展，才極大地推動了前向散射雷達的研究步伐，使得前向散射雷達的研究進入了一個新的階段。

最初設計研制FSR的目的主要是為利用前向散射區(qū)較強的RCS和其反隱身的潛力，探測隱身目標和低空飛行的飛機、導彈等目標。上世紀八九十年代，俄國人對FSR進行長時間的研究，并開發(fā)了大型的實驗系統(tǒng)。其FSR系統(tǒng)工作于UHF波段（波長0.77 m），發(fā)射天線和接收天線立于30 m高的桿上，兩者相距40 km。實驗目標包括Jak-52教練機、L-29噴氣飛機和米-2直升機等，其飛行高度都在100～200 m。實驗結(jié)果表明，當目標穿越基線上方且雙基地角大于135°時都可以獲得20 dB以上回波信噪比，而回波信噪比最大可達到60 dB以上［8］。鑒于系統(tǒng)采用了陣列接收天線以獲得多通道回波，俄國人同時研究了基于匹配濾波的檢測算法［9］、基于空時處理的量測參數(shù)估計算法［10］和基于高斯牛頓迭代的跟蹤算法［11］。

考慮到前向散射效應帶來的強RCS可以彌補無源探測較弱的發(fā)射信號功率，利用導航衛(wèi)星作為發(fā)射源，地面布置接收機構成前向散射配置來探測空中目標也是FSR的發(fā)展方向之一。最早的，德國的GmbH 公司的V.Koch和R.Westphal于1995年在IEEE上發(fā)表文章［12］，提出使用全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）進行無源多基地探測。對所采集的4組實驗信號數(shù)據(jù)的信噪比做了對比，實驗目標為小型螺旋槳飛機和輕型噴氣式飛機，分析結(jié)果表明所獲得的散射信號與目標之間是相關的。2012年，德國弗勞恩霍夫集成電路研究所的研究人員發(fā)表了利用GPS信號探測空中目標的最新成果［13］，實驗利用GPS衛(wèi)星作為發(fā)射機，利用右旋極化的半球天線作為接收機，在紐倫堡機場跑道附近的不同位置觀測飛機穿越時的GPS前向散射信號。由于積累時間較短（處理間隔變短），其數(shù)據(jù)率較Koch的結(jié)果有所改善。分析結(jié)果表明，依據(jù)飛機穿越位置、衛(wèi)星信號和接收位置的不同，接收信號會出現(xiàn)不同程度的衰減、提升或震蕩。圖2是飛機穿越基線時同一位置接收到的不同衛(wèi)星的前向散射信號，可以看出由于飛機的遮擋效應，可以明顯觀測到最大約30 dB的衰減，但同時也有一定提升產(chǎn)生，但最大不超過2 dB，這是由于飛機位置不同引起弗朗禾費衍射所導致。

圖2　利用不同衛(wèi)星觀測到的前向散射信號（20 ms非相參積累）［13］Fig.2 Forward scatter signal observed by different satellites（20 ms non-coherent accumulation）［13］

近些年來隱身技術也開始廣泛應用于地面/海面運動目標（如戰(zhàn)車、坦克、艦船等）?？紤]到FSR對弱RCS目標探測的優(yōu)勢，通過設計體積小、功耗低、易于布置且難以被發(fā)現(xiàn)的小型FSR并組網(wǎng)布置，可以實現(xiàn)對特定區(qū)域的勢態(tài)感知，如圖3所示，在對地面車輛、海面艦艇探測方面具有一定優(yōu)勢［14］。進入21世紀以來，在英國伯明翰大學，由M.Cheniakov帶領的MISL（Microwave Integrated Systems Laboratory）實驗室開展了一系列有關前向散射雷達地面/海面運動目標探測的研究工作，并通過國際合作交流的方式發(fā)展了馬來西亞、保加利亞、意大利及中國的科研人員參與到FSR的研究中來。伯明翰大學開發(fā)的小型多頻FSR系統(tǒng)可以工作于VHF和UHF波段，使用包絡檢波從直達波中提取目標的散射信號［15］。

圖3　小型FSR組網(wǎng)探測示意［14］Fig.3 Illustration of forward scatter micro-radar network［14］

在地面目標探測方面，伯明翰大學的研究主要是針對車輛分類識別開展。其中，R.Abdullah等在2006年給出了基于回波功率譜的車輛目標識別方法［16］，其采用估計過零點數(shù)的方法求解目標速度，并利用主成分分析和最近鄰法進行分類，對實驗數(shù)據(jù)的處理結(jié)果表明正確分類率可達60％以上。此外，R.Abdullah還給出了一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡的車輛分類方法［17］。在海面目標探測方面，主要由L.Daniel領導的小組進行研究，其采用的系統(tǒng)頻段較高（7.5 GHz），架設于海峽兩側(cè)，基線長度約數(shù)百米。對不同大小的艦船目標，其觀測到了形式差別較大的回波［18］。

FSR不僅可以對隱身目標進行有效的檢測與跟蹤，而且在應用陰影逆合成孔徑雷達（Shadow Inverse Synthetic Aperture Radar，SISAR）理論后，可以增加對目標成像和目標識別的能力，為目標分類識別提供了一種非常有效的新途徑，也使得FSR的研究進入了一個新的階段。上世紀80年代俄國人V.V.Chapursky發(fā)現(xiàn)前向散射陰影場與目標側(cè)影輪廓之間存在一定數(shù)學對應關系，進而提出了SISAR成像技術。

早期關于前向散射SISAR成像研究主要是以空中運動目標為研究對象。文獻［19］基于小衍射角假設、夫瑯禾費近似，首次提出了SISAR信號處理方法，使前向散射雷達具備了運動目標成像與識別能力。文獻［20］在文獻［19］基礎上，基于小衍射角假設、菲涅耳近似，對信號模型和成像算法進行了改進，克服了夫瑯禾費近似條件不滿足的情況。雖然這一時期的理論研究成果對前向散射雷達意義重大，但并未引起較多關注。直至2000年，V.V.Chapurskiy在國際雷達會議上公布了SISAR研究成果，并給出了實驗結(jié)果，SISAR信號處理方法才得到了廣泛的關注［21］。V.V.Chapurskiy在文章中指出利用目標前向散射信號功率譜函數(shù)差異，可對運動目標進行識別；并給出了小觀測角度下MiG-21、MiG-31及An-26三種不同形狀飛機的前向散射雷達實驗回波信號的功率譜函數(shù)，其形狀各異且與飛機的輪廓函數(shù)一一對應，首次實驗驗證了SISAR理論用于空中運動目標成像的正確性及目標識別的潛力。2015年，伯明翰大學發(fā)表了基于收發(fā)相參同步的FSR對地面車輛的SISAR成像結(jié)果［22］（如圖4所示），驗證了收發(fā)同步條件下的SISAR成像能力。

圖4　實測數(shù)據(jù)SISAR成像結(jié)果［22］Fig.4 Experimental SISAR imaging result［22］

2.2國內(nèi)研究歷史與現(xiàn)狀

國內(nèi)方面，早期有關FSR的研究主要由西安電子科技大學開展，其研究工作主要是在俄羅斯人研究基礎上，對空中運動目標成像技術進行理論分析與實驗驗證［23-29］。文獻［23］提出利用小波分析的方法，抑制雜波對SISAR成像的影響；文獻［24］分析了空中目標高度及位置對側(cè)影像的影響，提出了利用目標側(cè)影像歸一化極點相對位置作為特征量的目標識別方法。文獻［25］對文獻［23］和文獻［24］中信號模型進行改進，考慮了時間二次項對信號相位的影響。文獻［26］對空中目標輪廓中線提取方法進行了研究，用側(cè)影像相鄰分辨單元幅度及相位關聯(lián)特征判斷相位的卷繞，應用條件約束重構目標中線。文獻［27］利用地面車輛進行了L波段前向散射實驗，獲得了目標高度差像。文獻［28］和文獻［29］分別給出了兩種成像參數(shù)估計方法，適用于小衍射角SISAR成像運動補償。

北京理工大學自2006年起與英國伯明翰大學MISL實驗室的FSR小組開展聯(lián)合研究，在前向散射雷達雜波特性分析、運動目標參數(shù)估計與多目標分辨特性方面取得了豐富的研究成果。主要對地表雜波的幅度和頻譜統(tǒng)計特性進行了詳細研究，給出了地面運動目標速度的最優(yōu)估計方法，并開展了多角度聯(lián)合參數(shù)估計的實驗研究。在此基礎上，基于我國新一代導航衛(wèi)星系統(tǒng)（北斗二代），開展了基于導航衛(wèi)星信號進行空中目標探測的可行性驗證實驗，成功獲取了民航客機的前向散射信號［30］。此外，北京理工大學從2010年起陸續(xù)發(fā)表了一系列有關SISAR成像技術的文章，其主要側(cè)重于大衍射角SISAR成像和SISAR成像實驗驗證，對SISAR成像技術的進展起到了重要的推動作用。

3　雙基地前向散射運動目標探測

與傳統(tǒng)單基地雷達相比，F(xiàn)SR的突出特點主要體現(xiàn)在兩個方面：獨特的散射機理及無距離向分辨能力?？紤]到FSR系統(tǒng)是基于電磁波的衍射特性，而不是傳統(tǒng)的后向散射特性，因此無論是信號模型還是雜波模型都與傳統(tǒng)形式存在較大差異。同時，F(xiàn)SR距離分辨能力的缺失也給信號處理帶來很多困難：首先雷達覆蓋的大范圍區(qū)域的雜波都會進入接收機，雜波強度非常大；其次無距離分辨能力導致系統(tǒng)無法直接定位，只能依靠回波多普勒等信息非線性求解目標運動參數(shù)。因此，前向散射雜波統(tǒng)計特性分析與高精度目標運動參數(shù)估計是前向散射雷達運動目標檢測與跟蹤的技術基礎。這一節(jié)將從目標前向散射特性、雜波統(tǒng)計特性、運動目標參數(shù)估計方法及實驗驗證4個方面進行論述。

3.1雙基地前向散射RCS計算

雙基地前向散射RCS大于后向散射 RCS很早即被觀察到，并應用到了雙基地雷達的設想中。最早的R.E.Hiatt等在1960年給出了雙基地角為180°時前向散射RCS的計算公式（1），并通過實驗進行了驗證［31］：

其中，A為目標在入射波方向的投影面積，λ為波長。式（1）表明，目標前向散射RCS僅與投影面積和波長有關，與目標3維形狀和涂覆材料無關。進一步基于巴比涅原理，J.I.Glaser指出目標散射場與入射場照射一個其上開口形狀與目標投影輪廓相同的無限大不透明屏是相同的［32］。因此，在雙基地角接近180°時，前向散射RCS可以寫為：

其中，k為波數(shù)矢量，ρ為目標側(cè)影平面的坐標矢量，ds為微分表面積。當雙基地角等于180°時，式（2）就退化為式（1）。式（2）表明，前向散射RCS隨角度的變化與相同形狀且均勻照射的天線方向圖相同。隨后，J.I.Glaser在1989年也給出了一些雙基地在180°時的實測前向散射RCS結(jié)果［33］。1999年，A.B.Blyakhman等首次公開發(fā)表了真實飛機的前向散射回波功率的實測結(jié)果［8］，如圖5所示，其中點線表示根據(jù)實測回波信噪比換算得到的RCS，實線表示利用式（2）得到的仿真值。

圖5　米-2直升飛機的前向散射RCS［8］Fig.5 Forward scatter RCS of Mi-2 helicopter［8］

3.2前向散射雜波特性分析與物理建模

雜波背景中的信號檢測通常要獲知雜波的統(tǒng)計特性，以此確定最優(yōu)檢測策略及雜波抑制方法。針對前向散射雜波特性分析與物理建模這一問題，北京理工大學與伯明翰大學合作開展了一系列研究［34-38］。

研究首先針對雜波的統(tǒng)計特性進行分析，其主要包括幅度特性和譜特性。對幅度統(tǒng)計特性，3個載波頻率的雜波數(shù)據(jù)統(tǒng)計顯示：單通道雜波信號的統(tǒng)計特性曲線在小幅度時非常接近高斯概率密度函數(shù)，這也說明了在弱風時，雜波強度較弱且為各均勻散射體的回波數(shù)據(jù)，因此其統(tǒng)計特性接近高斯分布；而在強風時，由于強散射體（如樹干等）的擺動，出現(xiàn)了強散射體雜波，因此雜波的均勻性被破壞，在特性曲線的尾部與高斯曲線有一定的差距，反而更接近于指數(shù)分布。

對譜特性，通過對不同風速、頻率雜波功率譜的分析發(fā)現(xiàn)了前向散射情況下雜波的譜擴展對風速極不敏感這一特殊現(xiàn)象，風速的增加主要是對雜波強度的影響較大；并且同樣的風速情況下，雜波的譜擴展與載波頻率也不再是載波頻率之比的比例關系，雜波的譜擴展也幾乎相同，只有在強風的時候略有差異不同強度的雜波譜信號幾乎相同，也即雜波譜特性并沒有隨著風速的增加而成比例的增加。例如圖6中的實測數(shù)據(jù)處理完全看不到433 MHz載波頻率下的雜波譜寬是151 MHz載波頻率下的雜波譜寬3倍的結(jié)果。

圖6　弱風和強風情況下不同載波頻率的雜波譜特征［34］Fig.6 Clutter spectrum characters under different carrier frequencies and wind intensity［34］

為解釋雜波統(tǒng)計分析中一些獨特的現(xiàn)象，結(jié)合前向散射雷達回波多普勒信號的形成條件，提出了利用鐘擺模型對植被雜波的強度和譜擴展特性進行定性的解釋。如圖7所示，前向散射雷達的植被雜波可以采用單擺振子模型來建模分析解釋，等效為大量的單擺振子進行無規(guī)則的單擺振動，擺動幅度隨風速變化；每個單擺振子具有自己固定的擺動周期，也即具有自己固定的振蕩頻率，在接收端形成具有接近各自振蕩頻率的整個雜波信號。鐘擺模型下定性解釋和理論分析得到的結(jié)果與實測數(shù)據(jù)處理結(jié)果的一致性充分表明了模型的有效性［34］。

圖7　等效鐘擺模型示意圖［34］Fig.7 Illustration of the equivalent pendulum model［34］

此外，基于功率譜模型擬合的方法對雜波信號的功率譜進行了估計，對比了各種經(jīng)典的功率譜模型與真實雜波數(shù)據(jù)功率譜形狀的差異，選定AR模型擬合實際功率譜密度函數(shù)；利用擬合的功率譜數(shù)學模型進行了雜波抑制的處理，而實測數(shù)據(jù)的處理結(jié)果充分地驗證了雜波抑制方法的有效性。圖8給出了一組經(jīng)過雜波抑制處理的目標運動速度估計結(jié)果，實驗目標為人，載波頻率869 MHz。可以看出，在較高的載波頻率下，雜波信號太強，目標信號完全被淹沒。雜波抑制前和雜波抑制后的速度估計處理結(jié)果差異非常明顯：在雜波抑制前，無法進行有效的目標速度估計，而在雜波抑制后，其速度估計曲線較為平滑，存在明顯的峰值，并得到了精確的速度估計結(jié)果，充分表明了在高載波頻率雜波抑制的必要性，也證明了估計的雜波功率譜模型的有效性。

圖8　強風情況下的運動目標速度估計結(jié)果［34］Fig.8 Speed estimation result for moving target under strong wind［34］

3.3目標運動參數(shù)估計

與雜波分析相類似，F(xiàn)SR中的目標運動參數(shù)估計也是研究的難點與重點之一。按照目標的不同劃分，F(xiàn)SR中的運動參數(shù)估計主要分為地面/海面目標運動參數(shù)估計和空中目標運動參數(shù)估計。前者目標較小且速度較低，受雷達限制，一般只能獲取單通道回波數(shù)據(jù)；后者目標較大且速度較快，一般通過陣列天線獲取多通道回波數(shù)據(jù)，可以進行多普勒和波達角的估計。這些諸多的差異也決定了兩者信號處理方法的不同。

北京理工大學自2008年起與MISL實驗室聯(lián)合發(fā)表了一系列有關FSR地面目標運動參數(shù)估計的文章［39-43］。研究首先在考慮多徑影響、發(fā)射極化類型、球面波效應、觀測角度非線性變化及面目標模型的基礎上建立了地面運動目標的精確信號模型，并對接收回波功率進行了分析計算［40］。在信號建模和功率分析的基礎上，基于最優(yōu)信號處理理論，提出了一種速度參數(shù)估計方法，并詳細地分析了各種非理想因素（非正交軌跡、非中點位置穿越基線及非零加速度情況）對速度估計性能的影響，并通過仿真數(shù)據(jù)和實測數(shù)據(jù)的處理對估計方法和非理想因素的影響進行了驗證［42］?？紤]到實際情況中目標穿越基線中點的情況較少，并且穿越的位置點嚴重影響目標的多普勒信號，從而造成目標速度估計的偏差較大。因此在最大似然估計理論框架下，提出了任意情況下的多參數(shù)聯(lián)合非線性估計方法，該方法可以同時得到目標運動速度和穿越點位置的估計，并推導獲得了解析的克拉美羅界，進一步擴充了系統(tǒng)的工作區(qū)域和提高了系統(tǒng)的參數(shù)估計精度［43］。

圖9給出了一組多參數(shù)聯(lián)合非線性估計的結(jié)果。在實驗的設計中，目標（人）垂直穿越基線，穿越點離發(fā)射機距離10 m，基線長度50 m，載波頻率為151 MHz。從圖9中的處理結(jié)果可以看出，目標的估計速度為1.62 m/s，目標的穿越位置估計值為10 m和40 m，與真實值基本一致。多參數(shù)聯(lián)合的估計方法能夠精確地估計出目標的基線穿越位置，為沿基線方向提供一定的分辨能力奠定了基礎。

除此之外，也基于實驗數(shù)據(jù)對FSR對地面編隊目標的分辨能力進行了驗證。圖10是一大一小兩目標編隊情況，大目標為車輛，小目標為人。在實驗中，兩目標的距離設置為5 m，目標之間通過細繩相連保持固定的間距和相同的速度。通過對實測信號的估計處理，速度估計值為1.92 m/s，峰值之間的時間間隔為2.65 s，因此估計的目標隔離度約為5.08 m，非常接近設置值，同時兩個目標峰值清晰可見，表明兩目標得到了較好的分辨。

圖9　聯(lián)合非線性估計器實驗結(jié)果［43］Fig.9 Experimental result of joint non-linear estimator［43］

在FSR空中目標運動參數(shù)估計方面，北京理工大學在俄國人研究的基礎上進行了諸多改進，進一步提高了目標的初值估計和跟蹤精度［44-47］。其中針對傳統(tǒng)FSR目標跟蹤中存在的初始狀態(tài)估計誤差太大、跟蹤保持階段數(shù)據(jù)率低、計算量大、穩(wěn)定性差的問題，在2013年提出了一種修正的FSR 3維跟蹤算法，算法基于解析推導和Levenberg-Marquardt算法提出了一種新的初始狀態(tài)估計方法，在相同參數(shù)估計精度下，初值估計誤差比經(jīng)典方法降低了一個數(shù)量級，并使用修正的擴展卡爾曼濾波算法進行跟蹤保持［44］。最近在2015年IEEE雷達會議上發(fā)表的文章給出了一種基于最小二乘的FSR跟蹤初值估計算法［46］，該方法在對觀測噪聲和不同航跡的適應能力上都遠優(yōu)于現(xiàn)有算法。

3.4基于北斗導航衛(wèi)星信號的前向散射目標探測

北京理工大學在2015年自主開展了一系列基于北斗導航衛(wèi)星信號探測空中運動目標的驗證實驗。實驗利用北斗導航衛(wèi)星作為發(fā)射源，地面布置接收機，構成前向散射配置探測首都機場附近起降的民航客機目標。實驗場地上方有數(shù)條民航客機飛行通道。采用全向天線接收導航衛(wèi)星信號，如圖11所示。

對接收回波，采用導航星信號處理中的碼相關技術提取前向散射信號。理論分析表明，相參積累后的信號包絡可以看作直達波信號與前向散射信號的一路正交分量相參疊加的結(jié)果，這樣可以去除直達波的影響，利用抽取的前向散射信號進行目標檢測及參數(shù)估計等后續(xù)信號處理操作。具體信號處理流程如圖12所示。

基于實驗數(shù)據(jù)處理結(jié)果，首次觀察到了北斗導航衛(wèi)星對飛機目標的前向散射信號。如圖13所示，可以明顯觀察到前向散射場對回波信號的相位和幅度調(diào)制，主要表現(xiàn)為近似線性調(diào)頻多普勒及陰影遮擋現(xiàn)象。

圖11　民航客機探測實驗場景與實驗設備Fig.11 Experiment scene and equipment for civil airbus detection

圖12　導航衛(wèi)星前向散射信號處理流程Fig.12 Processing flow of GNSS forward scatter signal

當目標位于近似遠場時，如圖13（a）所示，此時回波多普勒近似為線性調(diào)頻信號，可以利用回波信號進行相關參數(shù)估計。根據(jù)理論推導可以給出目標平飛假設下前向散射回波多普勒Kr的表達式［30］：

圖13　北斗導航衛(wèi)星前向散射信號提取結(jié)果Fig.13 Forward scatter signal extraction of BeiDou navigation satellites

其中，v表示目標絕對運動速度，θSV表示衛(wèi)星仰角，表示目標運動方向與基線在地面投影之間的夾角，λ表示信號波長，H表示目標距地面垂直高度。上述參數(shù)可以通過星歷軟件和網(wǎng)絡查詢獲得，實際中我們使用了星歷軟件Obitron來獲取衛(wèi)星運動軌跡，輸入接收機經(jīng)緯度116.637552E，39.899809N和模擬時間，即可以獲得此時北斗衛(wèi)星相對于接收機的位置（俯仰角和方位角），如圖14（a）所示。同時利用航班查詢網(wǎng)站Flightradar24獲取飛機的運動信息，包括速度、高度、航向及位置等，如圖14（b）所示。

對圖13（a）中的信號，根據(jù)Obitron獲得其對應的衛(wèi)星方位角為356.8°，俯仰角為73.8°；根據(jù)Flighradar24獲得飛機型號為波音747，飛行高度1044 m，飛行速度103 m/s，航向角354°。將上述參數(shù)代入式（3）可以計算得到其調(diào)頻率約為36 Hz/s。同時基于信號匹配的方法可以獲得對該信號調(diào)頻率的估計［42］，其調(diào)頻率估計結(jié)果約為31 Hz/s，誤差約為14％?？紤]到估計誤差及航班信息的延遲性，作為理論驗證該參數(shù)估計結(jié)果的精度可以接受。

圖14　目標及衛(wèi)星信息獲取Fig.14 Information acquisition for targets and satellites

4　雙基地前向散射SISAR成像原理與方法

在SISAR成像理論提出后相當長一段時間內(nèi)對此項技術的研究都處于停滯狀態(tài)，其原因主要有兩點，其一是SISAR成像技術利用了類似于光學中的衍射理論而不是傳統(tǒng)雷達成像的后向散射理論，這一點不太容易被接受；其二是一直缺乏適于成像的實驗數(shù)據(jù)作為理論研究的支撐。實際上作為FSR特殊的目標識別技術，SISAR成像在FSR信號處理理論中占有重要地位。北京理工大學自2010年起，一直致力于SISAR成像技術的研究，在成像方法及實驗驗證方面開展了較多的研究工作［48-60］。這一節(jié)將從SISAR成像原理、成像方法及成像驗證3個方面進行論述。

4.1SISAR成像原理［21］

SISAR信號建模及成像方式與傳統(tǒng)雷達信號建模及成像方式有很大差異。其中，SISAR成像的目標前向散射信號模型可以通過黑體近似、巴比涅原理以及菲涅爾-基爾霍夫衍射理論得到［4］。

在雙基地情況下，當目標被電磁波照射時，散射場由兩部分組成：一部分是由入射波在目標表面形成的感應電流產(chǎn)生，被稱為目標的自散射場；另一部分是由目標對入射波前的部分遮擋產(chǎn)生，被稱為目標的陰影場。在前向散射雷達工作區(qū)域內(nèi)，自散射場比陰影場弱很多，通?？梢院雎云溆绊懀@相當于把真實的目標看作一個絕對的黑體，在黑體的前向散射區(qū)域僅有陰影場存在。由于陰影場與目標3維形狀無關，僅由目標的陰影輪廓形狀決定，因此分析目標陰影場時，3維形狀目標可近似為一個具有目標陰影輪廓形狀的2維面目標，該面目標同時也是一個不透光屏。

4.2SISAR成像方法

由菲涅耳-基爾霍夫衍射公式給出的理想前向散射信號模型形式較為復雜，無法直接根據(jù)其求解目標側(cè)影輪廓。而SISAR成像方法則是在一定假設或近似的條件下將菲涅耳-基爾霍夫衍射公式進行化簡，使其中包含的目標側(cè)影輪廓信息易于數(shù)值求解。

俄國人最早提出的SISAR成像算法是在小衍射角條件下將目標斜距作關于基線斜距的泰勒展開［21］，這樣前向散射信號與目標復輪廓函數(shù)（包含高度差像和中線像信息）是一個菲涅爾變換對的關系。如果考慮用FFT進行快速成像，前向散射信號在補償?shù)舳嗥绽障辔缓笈c目標復輪廓函數(shù)是一個傅里葉變換對的關系［28］，但這樣中線像會出現(xiàn)誤差。

考慮到傳統(tǒng)小衍射角SISAR成像算法受衍射角和斜距近似的限制，相參角度和成像精度都有限，因此，文獻［54］提出了一種高精度的大衍射角SISAR成像方法，該方法基于真實斜距歷程的2階近似方法獲得了精確的前向散射信號模型。

前向散射雷達成像系統(tǒng)結(jié)構如圖15所示，在大衍射角信號模型中，對目標側(cè)影輪廓上任一點的收發(fā)斜距rR，T作如下近似表示：

圖15　前向散射雷達成像系統(tǒng)結(jié)構示意圖Fig.15 Illustration of FSR imaging system structure

在此基礎上，大衍射角運動目標前向散射信號模型可簡寫為：

對大衍射角前向散射信號模型進行逆變換可得到大衍射角成像算法：

其中Ts為相參積累時間。在大衍射角成像算法中，由于精確補償了目標中心點多普勒相位、目標輪廓長度二次相位以及目標沿基線方向運動速度引入的相位，得到的復輪廓函數(shù)的相位可以精確地反映目標中線高度信息，這使得FSR可以精確提取地面運動目標的中線高度像。在大衍射角SISAR成像算法的基礎上，針對非垂直穿越目標輪廓投影面不與基線垂直的問題，文獻［53］提出了一種改進的大衍射角SISAR成像方法，可以對非垂直穿越目標更精確地恢復輪廓像；針對地面運動目標成像中存在的多徑干擾問題，文獻［54］研究了多徑干涉對目標前向散射RCS的影響以及對應的地面運動目標SISAR成像方法，并給出了車輛等地面目標的成像結(jié)果。

4.3SISAR成像驗證

圖16　車輛目標SISAR成像結(jié)果對比［52］Fig.16 Comparison of SISAR imaging results of vehicle target［52］

考慮到收發(fā)不同步的情況下利用包絡檢波方法一般只能提取單通道回波信號［4］，并不適用于SISAR成像，因此早期關于SISAR成像的驗證都是基于仿真開展的。為保證仿真結(jié)果的精確性和有效性，一般情況下都采用未經(jīng)近似處理的菲涅爾-基爾霍夫衍射模型構造回波信號，并進一步利用回波信號進行SISAR成像。圖16給出了一組車輛目標的小衍射角SISAR成像與大衍射角SISAR成像的對比結(jié)果［52］，用于成像的信號對應接收方位角為-28°～28°。對比可以看出，在衍射角較大時，大衍射角SISAR成像算法可以精確恢復目標的高度差像和中線像，而小衍射角SISAR成像算法分辨率較低，中線像也出現(xiàn)了較大誤差。

為驗證SISAR技術在實際應用中的能力，進一步開展了地面運動目標SISAR成像的驗證實驗，實驗主要參數(shù)如表1所示。

表1　SISAR成像驗證實驗參數(shù)Tab.1 Parameters of SISAR imaging experiment

實驗目標主要包括金屬質(zhì)凸形板、木質(zhì)凸形板及面包車等，如圖17所示?？紤]到包括檢波只能提取單路實信號，因此在數(shù)據(jù)處理中采用了一種基于分段希爾伯特變換的復信號恢復方法［60］，并利用恢復的正交復信號進行SISAR成像，其結(jié)果如圖18所示。由于目標中心相對天線的高度近似為0，因此只提取了高度差像結(jié)果。可以看出，所提取的高度差像和目標真實高度差像間有較強的一致性，驗證了SISAR技術對運動目標成像和識別的作用。

圖17　SISAR成像實驗目標Fig.17 Targets in SISAR imaging experiment

圖18　SISAR成像實驗實測數(shù)據(jù)處理結(jié)果［60］Fig.18 Processing results of SISAR imaging experiment data［60］

5　基于衛(wèi)星信號的雙基地前向散射探測技術展望

近年來，隨著新一代隱身技術的發(fā)展（如“X-37B”的空天戰(zhàn)機），常規(guī)軍用雷達無法對其有效探測，受到越來越嚴重的威脅。雙基地及前向散射探測技術作為一種有效的對抗手段受到越來越多的重視。特別是隨著新一代衛(wèi)星技術的發(fā)展，如新一代通信衛(wèi)星（世廣衛(wèi)星）、導航衛(wèi)星（北斗二代）及遙感衛(wèi)星（地球同步軌道合成孔徑雷達），其系統(tǒng)覆蓋能力、平臺和載荷能力都有大幅度的提升（采用大天線和大發(fā)射功率）。若在地面和空中布置接收平臺，極易構成雙基地配置或前向散射配置，使得目標的雷達散射截面積顯著增大，從而實現(xiàn)對隱身目標的探測。

目前可以考慮的發(fā)射源有導航衛(wèi)星和地球同步軌道合成孔徑雷達（GEO SAR）衛(wèi)星等，如圖19所示。其中導航衛(wèi)星數(shù)目眾多，覆蓋區(qū)域廣，任意時刻任意地點可見多顆衛(wèi)星（4顆及以上），但導航星的等效全向輻射功率（EIRP）相對較弱，即使在前向散射配置下目標的RCS可以增大50～60 dB，但仍然亟需突破如下關鍵問題：高增益接收機及長時間信號積累技術、時頻同步技術、高精度參數(shù)估計技術。

圖19　基于導航衛(wèi)星的前向散射雷達組網(wǎng)Fig.19 Netted FSR based on GNSS satellites

地球同步軌道合成孔徑雷達（GEO SAR）衛(wèi)星是運行在36000 km高度地球同步軌道上的SAR衛(wèi)星，通過軌道參數(shù)的合理設計，一顆GEO SAR衛(wèi)星就可以保證對我國及部分周邊國家的感興趣區(qū)域每天觀測一次到兩次，對重點區(qū)域甚至可以實現(xiàn)不間斷監(jiān)視（圖20）。

圖20　GEO SAR對中國及鄰近區(qū)域的重訪時間Fig.20 Revisit time of GEO SAR to China and neighboring regions

目前，GEO SAR已被列入我國“高分辨率對地觀測”國家科技重大專項的重點攻關項目之一，并且已經(jīng)完成背景立項?；贕EO SAR衛(wèi)星照射（EIRP值可達73～81 dBW），在地面/空中布置多個接收天線以形成天-地雙基地前向散射雷達網(wǎng)絡，可以實現(xiàn)對特定區(qū)域內(nèi)隱身目標或低可見目標的全天時、全天候遠距離監(jiān)測，具有極大的應用潛力。但GEO SAR衛(wèi)星數(shù)量受限且功率資源分配受限，因此亟需突破如下問題：最優(yōu)衛(wèi)星編隊設計技術、波束掃描與波束管理技術、時頻同步技術及高精度參數(shù)估計技術。

此外，如何利用FSR回波信息進行目標識別也是亟待研究的核心問題之一。當采用FSR組網(wǎng)探測時，基于多節(jié)點探測可以獲得目標的多角度回波信號，從而獲取多角度的目標參數(shù)信息。考慮如何利用多角度回波信號提高參數(shù)估計性能，如何借助多角度參數(shù)估計信息和多角度側(cè)影輪廓像獲得目標的3維輪廓信息，則可以大大提高對隱身目標的識別能力，可為隱身目標的識別提供一種有效的技術手段。

6　結(jié)束語

FSR因其特殊的目標衍射效應而受到重視，其探測與成像技術也已由純理論的研究階段逐步開始轉(zhuǎn)向?qū)嶒烌炞C階段，應用方向也由早期的空中目標探測擴展到了地面及海面目標探測。本文首先介紹了近30年來FSR技術在地面、海面及空中目標的應用現(xiàn)狀與趨勢，并著重討論了FSR的雜波特性與參數(shù)估計問題，通過建立新穎的鐘擺物理模型，合理地解釋了前向散射雜波譜寬對風速和波長不敏感這一特殊現(xiàn)象；同時，首次給出了基于北斗導航衛(wèi)星的前向散射信號提取流程及民航飛機前向散射探測實驗結(jié)果；最后，重點討論了前向散射SISAR成像這一新技術，提出了基于非線性時變參數(shù)補償?shù)拇笱苌浣荢ISAR成像新方法，并通過實驗驗證獲取了多種目標的陰影輪廓像，為隱身目標的識別提供了一種重要技術手段。

同時，隨著隱身技術的快速發(fā)展，新一代雷達與隱身目標的對抗會愈加劇烈，F(xiàn)SR技術因其優(yōu)越的反隱身性能而將越來越受到重視。因此，F(xiàn)SR技術與雙多基地雷達體制或組網(wǎng)雷達體制的結(jié)合，將彌補前向散射覆蓋區(qū)域受限的缺點，充分發(fā)揮FSR技術的優(yōu)勢，進一步完善隱身目標的探測與識別體系，為隱身目標的探測與識別提供新的研究方向和更為廣闊的發(fā)展前景。

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胡 程（1981-），湖南岳陽人，男，教授，博士生導師。任北京理工大學雷達技術研究所副所長，IET Fellow、IEEE Senior Member。主要研究方向包括地球同步軌道SAR、雙基地/前向散射雷達信號處理及昆蟲雷達等。

E-mail：hucheng.bit@gmail.com

劉長江（1990-），山東日照人，男，博士研究生。主要研究方向為前向散射雷達信號處理和昆蟲雷達信號處理。

E-mail：liuchangjiang@bit.edu.cn

曾 濤（1971-），天津人，男，教授，博士生導師。任北京理工大學雷達技術研究所實驗室主任、航空學會電子專業(yè)委員會委員。主要研究方向包括SAR成像技術和實時雷達信號處理。

E-mail：zengtao@bit.edu.cn

Bistatic Forward Scattering Radar Detection and Imaging

Hu ChengLiu ChangjiangZeng Tao
（School of Information and Electronics，Beijing Institute of Technology，Beijing 100081，China）
（Beijing Key Laboratory of Embedded Real-time Information Processing Technology，Beijing 100081，China）

Forward Scattering Radar（FSR）is a special type of bistatic radar that can implement image detection，imaging，and identification using the forward scattering signals provided by the moving targets that cross the baseline between the transmitter and receiver.Because the forward scattering effect has a vital significance in increasing the targets' Radar Cross Section（RCS），F(xiàn)SR is quite advantageous for use in counter stealth detection.This paper first introduces the front line technology used in forward scattering RCS，F(xiàn)SR detection，and Shadow Inverse Synthetic Aperture Radar（SISAR）imaging and key problems such as the statistical characteristics of forward scattering clutter，accurate parameter estimation，and multitarget discrimination are then analyzed.Subsequently，the current research progress in FSR detection and SISAR imaging are described in detail，including the theories and experiments.In addition，with reference to the BeiDou navigation satellite，the results of forward scattering experiments in civil aircraft detection are shown.Finally，this paper considers future developments in FSR target detection and imaging and presents a new，promising technique for stealth target detection.

Bistatic radar； Forward Scattering Radar（FSR）； Radar Cross Section（RCS）； Target detection；Shadow Inverse Synthetic Aperture Radar（SISAR）imaging

TN959

A

2095-283X（2016）03-0229-15

10.12000/JR16058

2016-03-17；改回日期：2016-05-16；網(wǎng)絡出版：2016-06-13

曾濤 zengtao@bit.edu.cn

國家自然科學基金（61120106004，61225005），高等學校學科創(chuàng)新引智計劃（B14010）

Foundation Items：The National Natural Science Foundation of China（61120106004，61225005），The 111 Project of China（B14010）