左曉蕓 楊帆

摘 要：前向散射雷達(dá)技術(shù)應(yīng)用于探測(cè)和識(shí)別在基線附近移動(dòng)的目標(biāo)。近年來(lái)，前向散射雷達(dá)的優(yōu)勢(shì)在各種應(yīng)用中引起了人們的興趣，如車輛識(shí)別、空中監(jiān)視、慢運(yùn)動(dòng)的微多普勒分析等，相比于傳統(tǒng)雷達(dá)，前向散射雷達(dá)是一種雙基地角接近于180°的特殊雙基地雷達(dá)，可以提供反隱身能力，使目標(biāo)單站的雷達(dá)橫截面積最小化。文章梳理了前向散射雷達(dá)的應(yīng)用發(fā)展現(xiàn)狀，對(duì)其中每一部分常用的技術(shù)以及研究現(xiàn)狀進(jìn)行了總結(jié)，并為以后的研究指明了發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：前向散射雷達(dá);雙基地;微多普勒效應(yīng)

中圖分類號(hào)：TN95 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-1064（2020）11-063-02

DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2020.11.029

前向散射雷達(dá)是一種雙基地角接近于180°的特殊雙基地雷達(dá)，主要探測(cè)區(qū)域是發(fā)射天線與接收天線之間的基線，當(dāng)目標(biāo)存在于基線附近時(shí)，信號(hào)因?yàn)槟繕?biāo)的陰影效應(yīng)變得非常明顯，特別是雙基地角接近180°時(shí)。近幾十年，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和武器級(jí)別的不斷升級(jí)，隱形材料的出現(xiàn)對(duì)傳統(tǒng)雷達(dá)造成了很大的威脅，如使用無(wú)人機(jī)技術(shù)走私毒品、輸送違禁材料、隱形飛機(jī)對(duì)空中交通系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)問(wèn)題等。而前向散射雷達(dá)是一種特殊的雙基地雷達(dá)，具有很強(qiáng)的反隱身能力和目標(biāo)識(shí)別及探測(cè)能力，尤其是在陰影逆合成孔徑理論（SISAR）提出后，使前向散射雷達(dá)具有了目標(biāo)成像、識(shí)別能力的功能，推動(dòng)著前向散射雷達(dá)研究進(jìn)入新的階段。

前向散射雷達(dá)的研究領(lǐng)域十分廣泛。文章先介紹前向散射雷達(dá)的各類應(yīng)用以及各應(yīng)用的技術(shù)和研究現(xiàn)狀，再分析前向散射雷達(dá)研究當(dāng)前存在的主要問(wèn)題，展望前向散射雷達(dá)在日常生活中的廣泛應(yīng)用及未來(lái)研究方向。

1 前向散射雷達(dá)各類應(yīng)用

1.1 分析幅度變化的應(yīng)用

前向散射雷達(dá)幅度方面的各類應(yīng)用，按照原理和研究方向關(guān)系如圖1所示。

1.1.1 近場(chǎng)分析

在近場(chǎng)分析中模擬前向散射雷達(dá)的場(chǎng)景，當(dāng)目標(biāo)或者接收機(jī)逐漸從遠(yuǎn)場(chǎng)過(guò)渡到近場(chǎng)時(shí)，隨著其尺度的逐漸增大，會(huì)引入另一個(gè)自由度。研究得出，如果預(yù)測(cè)任何通用的前向散射雷達(dá)的目標(biāo)檢測(cè)、分類和估計(jì)方法，都應(yīng)該考慮近場(chǎng)效應(yīng)[1]。比如用于空中監(jiān)視的前向散射雷達(dá)，就是利用電磁場(chǎng)模型和衍射理論表征目標(biāo)接收器從遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)域到近場(chǎng)區(qū)域的過(guò)渡，通過(guò)分析其幅度變化，得出可以由移動(dòng)點(diǎn)狀散射體產(chǎn)生的多普勒信號(hào)，調(diào)制遠(yuǎn)距離區(qū)域中的目標(biāo)，再輻射信號(hào)獲得遠(yuǎn)距離區(qū)域中前向散射雷達(dá)的模型[2]。對(duì)于近距離目標(biāo)的探測(cè)問(wèn)題，互質(zhì)陣列雷達(dá)技術(shù)在穿墻成像的仿真實(shí)驗(yàn)中，驗(yàn)證了互質(zhì)陣列雷達(dá)技術(shù)對(duì)近距離目標(biāo)探測(cè)的有效性[3]。

1.1.2 典型應(yīng)用分析

當(dāng)移動(dòng)目標(biāo)的不同部分相對(duì)于其全局反射中心表現(xiàn)出微運(yùn)動(dòng)時(shí)，如振動(dòng)或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，其會(huì)產(chǎn)生反射波的附加頻率調(diào)制，其所產(chǎn)生的頻率邊帶稱為微多普勒效應(yīng)。當(dāng)目標(biāo)精確地越過(guò)基線時(shí)，多普勒信號(hào)的頻率和幅度等于零，此時(shí)雙基地角等于180°。前向散射雷達(dá)（FSR）可以根據(jù)接收信號(hào)的幅度變化來(lái)區(qū)分目標(biāo)的移動(dòng)方向，可以預(yù)測(cè)穿越基線的時(shí)間以及從主多普勒輕松提取微多普勒分量。

在不受人體動(dòng)作的影響下，前向散射雷達(dá)可以檢測(cè)人體的呼吸。人在呼吸時(shí)會(huì)引起橫截面積的變化，此時(shí)雙基地角小于180°，檢測(cè)其發(fā)射信號(hào)的幅度變化圖，最后對(duì)信號(hào)進(jìn)行包絡(luò)檢測(cè)，可以得出在不同角度下人體的呼吸頻率以及接收信號(hào)的解析表達(dá)式[2]。無(wú)人機(jī)檢測(cè)還可利用前向散射雷達(dá)的拓?fù)涮匦詸z測(cè)，被動(dòng)FSR使用從衛(wèi)星發(fā)射的信號(hào)來(lái)檢測(cè)越過(guò)衛(wèi)星與地面站之間前向散射基線處飛行無(wú)人機(jī)的可行性[3]。如還想進(jìn)一步提取有助于識(shí)別無(wú)人機(jī)的其他功能，可以使用EMD并將檢測(cè)到的信號(hào)分解為IMF，以進(jìn)行進(jìn)一步的特征提取[4]。

1.1.3 無(wú)源系統(tǒng)和無(wú)線電信號(hào)

無(wú)源雷達(dá)系統(tǒng)由不帶并置發(fā)射器的接收器組成，不需要來(lái)自基站的直接信號(hào)，并且基于信號(hào)包絡(luò)的目標(biāo)檢測(cè)方案非常簡(jiǎn)單，無(wú)需復(fù)雜的信號(hào)預(yù)處理步驟。其本身不發(fā)射電磁波這一優(yōu)勢(shì)，使其很難被敵方電子偵察部隊(duì)發(fā)現(xiàn)并消滅。基于wifi傳輸?shù)臒o(wú)源前向散射雷達(dá)可以根據(jù)不同目標(biāo)所產(chǎn)生的不同車輛特征對(duì)車輛進(jìn)行分類[5]。

1.2 分析相位變化的應(yīng)用

前向散射雷達(dá)幾何關(guān)系圖是分析相位變化的基礎(chǔ)，根據(jù)前向散射雷達(dá)的幾何關(guān)系圖可以構(gòu)建出許多應(yīng)用的幾何模型，比較典型的是多徑干擾下FSR系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和前向散射雷達(dá)系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。多徑干擾模型是分析不同風(fēng)速下海浪與多徑干擾對(duì)海面目標(biāo)回波特性的影響，以及分析在無(wú)浪、中浪、大浪、無(wú)風(fēng)狀態(tài)下的回波相位圖，但是多徑干擾會(huì)使信號(hào)幅度衰減，進(jìn)一步還會(huì)降低信噪比，增加估計(jì)誤差[6]。在前向散射雷達(dá)系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析中，由該模型可以得出，成像所需的信號(hào)采樣率可以遠(yuǎn)小于奈奎斯特采樣率的結(jié)論，其低采樣率的快速成像方法可以大幅度降低運(yùn)算量。

前向散射雷達(dá)與雙靜態(tài)相比，其主要利用的是電磁波的作用，電磁散射角度的大小對(duì)測(cè)量精度有一定的影響，比較好的是在自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)中指出可以直接測(cè)量雙基地的電磁散射角。雖然多路誤差通過(guò)戰(zhàn)略放置的吸收器被減少，但其并沒(méi)有被消除，在自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量和分析中提到，可以通過(guò)遠(yuǎn)離前向散射的地區(qū)和合并時(shí)間門控雷達(dá)和低旁瓣天線來(lái)提高測(cè)量精度和靈敏度[7]。

1.3 分析頻率變化的應(yīng)用

前向散射雷達(dá)除了在幅度和相位方面的研究之外，還有在頻率方面的研究，其主要原理是多元線性回歸方法和逆合成孔徑原理。

多元線性回歸是指，用兩個(gè)或兩個(gè)以上的自變量的最優(yōu)組合共同預(yù)測(cè)或估計(jì)因變量，比較典型的例子是基于前向散射雷達(dá)的車輛識(shí)別，即使不知道目標(biāo)速度也可以很好的識(shí)別車輛，大大提高車輛識(shí)別的效果[8]。

逆合成孔徑原理是指，依靠信號(hào)在兩維方向的信號(hào)相干積累，實(shí)現(xiàn)兩維分辨率成像的系統(tǒng)。

2 前向散射雷達(dá)應(yīng)用展望

前向散射雷達(dá)的各種優(yōu)勢(shì)決定了其有著廣闊的應(yīng)用前景，尤其在以下幾個(gè)方面有很大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

2.1 多天線MIMO雷達(dá)

多輸入多輸出（MIMO）雷達(dá)，即多個(gè)發(fā)射天線同時(shí)發(fā)射信號(hào)，多個(gè)接收天線接收信號(hào)的雷達(dá)。其有很多其他雷達(dá)沒(méi)有的優(yōu)勢(shì)，如MIMO雷達(dá)有較強(qiáng)的目標(biāo)檢測(cè)能力，對(duì)目標(biāo)參數(shù)估計(jì)的精度很高，對(duì)多個(gè)目標(biāo)有很好的分辨能力等。多個(gè)發(fā)射天線同時(shí)發(fā)射信號(hào)或者接收信號(hào)，能夠在同一頻域或者時(shí)域中傳輸更多的信息，該雷達(dá)具有并行多通道空間采樣能力，可以在天線發(fā)射功率不變的情況下，翻倍提高系統(tǒng)信道容量。這些功能可以有效提高目標(biāo)的識(shí)別能力，多天線MIMO雷達(dá)如圖2所示。

2.2 多基地前向散射雷達(dá)

多基地雷達(dá)的接收機(jī)不發(fā)射電磁波，前向散射雷達(dá)主要利用電磁波，如果可以將二者結(jié)合，即多基地前向散射雷達(dá)的接收機(jī)不發(fā)射電磁波，通過(guò)合理安排發(fā)射機(jī)的位置，就可以避免一些反輻射目標(biāo)攻擊多基地雷達(dá)。多基地前向散射雷達(dá)還可以增大雷達(dá)橫截面積，這樣當(dāng)隱形飛機(jī)飛過(guò)多基地前向散射雷達(dá)時(shí)，可以被立即檢測(cè)出來(lái)，相對(duì)于前向散射雷達(dá)而言，既縮短了檢測(cè)時(shí)間也提高了目標(biāo)的距離分辨率。或者還可以建立多基地前向散射雷達(dá)組網(wǎng)，將檢測(cè)空中和陸地的目標(biāo)與雷達(dá)連接在一起，可以增加對(duì)目標(biāo)的反應(yīng)時(shí)間，如果用在軍事飛機(jī)上，就可以增加飛機(jī)在戰(zhàn)斗中的存活時(shí)間。

2.3 地表雜波影響

雖然目前已有很多前輩通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了雜波建模研究，比如植被雜波建?；蛘呋夭ㄖ心繕?biāo)信號(hào)的雜波建模等，無(wú)論是時(shí)域的分析還是頻域的分析，都只是明確了雜波的類型，分析了雜波的原理，是在一定程度上減小雜波，而不能徹底剔除雜波對(duì)目標(biāo)識(shí)別和探測(cè)的影響。而且前向散射雷達(dá)雜波的統(tǒng)計(jì)特性和傳統(tǒng)的單基地雷達(dá)的雜波的區(qū)別，還沒(méi)有明確的規(guī)定或者檢驗(yàn)，這些問(wèn)題還有待研究。

參考文獻(xiàn)

[1] Falconi.M.T，Comite D，Galli A，et al.Forward Scatter Radar Modeling：Effects of Near Field for Canonical Targets[C].Antennas and Propagation & USNC/URSI National Radio Science Meeting，2015.IEEE International Symposium on.IEEE，2015.

[2] Yang Fan，He Z，F(xiàn)u Y，et al.Noncontact Detection of Respiration Rate Based on Forward Scatter Radar[J].Sensors，2019，19（21）：4778.

[3] Remote Sensing.Studies from University Putra Malaysia Reveal New Findings on Remote Sensing （Passive Forward-Scattering Radar Using Digital Video Broadcasting Satellite Signal for Drone Detection）[J].Journal of Technology，2020.

[4] 王振榮，薛明華.飛機(jī)螺旋槳對(duì)機(jī)載雷達(dá)發(fā)射波前向散射的實(shí)驗(yàn)研究[J].現(xiàn)代雷達(dá)，1993（01）：8-12.

[5] Raja.R.A，Noor.A.A，Nur.A.R，et al.Analysis on Target Detection and Classification in LTE Based Passive Forward Scattering Radar[J].Sensors，2016，16（10）：1607.

[6] 李文海，董錫超，胡程.前向散射雷達(dá)海面目標(biāo)探測(cè)信號(hào)建模與分析[J].信號(hào)處理，2019，35（06）：994-1001.

[7] Cote M.G.Automated swept-angle bistatic scattering measurements using continuous wave radar[J].IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement，1992，41（2）：185-192.

[8] 陳新亮，胡程，曾濤.一種基于前向散射雷達(dá)的車輛目標(biāo)自動(dòng)識(shí)別方法[J].中國(guó)科學(xué)：信息科學(xué)，2012（11）：149-158.