雙基地雷達(dá)及其特性與優(yōu)劣勢分析

關(guān)于無源（被動）雙/多基地雷達(dá)，小曲老師曾經(jīng)默默的搞了很多年，還曾記得我的碩士論文就跟這個有關(guān)系。那什么是無源雷達(dá)？雷達(dá)沒有源怎么能叫雷達(dá)呢？雙基地又是個什么東?兩個加起來的雷達(dá)又是一個什么樣的雷達(dá)呢？下面這個由John W.Franklin的報告能夠給大家揭開一點疑惑吧。John從概念出發(fā)，介紹了雙基地雷達(dá)以及其特性與優(yōu)劣勢，解釋了無源的概念。簡要介紹了美著名的無源雷達(dá)系統(tǒng)-沉默哨兵以及其他國家處于實驗研究階段的部分成果。在最后提出基于高清電視信號的無源雙基地雷達(dá)系統(tǒng)的研究方向。報告雖然不盡詳實，但依然具有一定的參考意義。

“幾十年來，雙基地雷達(dá)一直吸引著監(jiān)視和跟蹤雷達(dá)研究人員。盡管從英國早期的本土鏈雷達(dá)發(fā)展到今天的相干多模單基地雷達(dá)，但在雙基地和多基地應(yīng)用方面仍有大量的研究。多接收機(jī)、方位角分集和改進(jìn)的目標(biāo)跟蹤精度的的潛力正是推動這一技術(shù)發(fā)展的原因。”

Mark?E.David (DARPA,2007)

概述?? ? ? ? ? ? ?

雙基地雷達(dá)的特性?? ??? ? ? ? ?

幾何構(gòu)型 ? ? ? ? ? ??

距離方程 ? ? ? ? ? ? ?

多普勒 ? ? ? ? ? ? ?

橫截面 ? ? ? ? ? ? ?

無源雙基地雷達(dá)的特性 ????? ? ? ? ?

概念和工作原理 ? ? ? ? ? ? ?

為什么是無源雷達(dá)？? ? ? ? ? ? ?

應(yīng)用 ? ? ? ? ? ? ?

性能評價 ? ? ? ? ? ? ?

信號處理 ? ? ? ? ? ? ?

實際系統(tǒng)實例 ??? ??? ? ? ?

調(diào)頻 ? ? ? ? ? ??

數(shù)字視頻廣播 ? ? ? ? ? ? ?

高清電視信號 ? ? ? ? ? ? ?

ATSC地面?zhèn)鬏敇?biāo)準(zhǔn) ??? ? ? ? ? ?

研究目的

雙基地雷達(dá)概念

雙基地雷達(dá)可以定義為發(fā)射機(jī)和接收機(jī)位于不同位置的雷達(dá)，而不是常規(guī)的單基地雷達(dá)。? ? ? ? ? ? ?

最早的雷達(dá)是雙基地的，直到脈沖波形和T/R開關(guān)的出現(xiàn)。? ? ? ? ? ? ?

雙基地雷達(dá)可以使用自己的專用發(fā)射機(jī)或機(jī)會輻射源（發(fā)射機(jī)）運行。? ??

使用多個發(fā)射機(jī)或接收機(jī)雷達(dá)稱為多基地雷達(dá)。

雙基地雷達(dá)的特性

幾何構(gòu)型

雙基地雷達(dá)的幾何結(jié)構(gòu)很重要-它決定了雷達(dá)的特性，包括：?

雷達(dá)測距方程?????????????

多普勒速度方程?????????????

雷達(dá)截面積 ? ? ? ? ? ??

覆蓋范圍?????????????

雙基地角-β：入射波和回波路徑之間的角度?

雙基地角度與雷達(dá)模式?????????????

β<20度–（單基地）?????????????

20<β<145度–（雙基地）?????????????

145<β<180度–（前向散射）

單基地與雙基地幾何構(gòu)型

前向散射幾何構(gòu)型

雙基地雷達(dá)方程

雙基地多普勒方程

接收頻率相對于發(fā)射頻率的變化稱為多普勒頻率，用fd表示。

多普勒頻率與目標(biāo)的速度成正比。

多普勒能夠讓雷達(dá)區(qū)分運動與靜止目標(biāo)。

雙基地雷達(dá)散射截面積

雙基地雷達(dá)散射截面積是目標(biāo)尺寸、形狀、材料、角度和載波頻率的函數(shù)

通常，雙站雷達(dá)散射截面比單站雷達(dá)散射截面低。

在某些目標(biāo)角度下，可獲得高雙基地RCS（前向散射）

雙基地測量對于了解目標(biāo)的隱身特性至關(guān)重要。

公開的文獻(xiàn)幾乎沒有相關(guān)數(shù)據(jù)

無源雙基地雷達(dá)特性（PBR）

概念

雙基地雷達(dá)的一個類型（所有雙基地/多基地分析適用，包括幾何、多普勒、雷達(dá)散射截面等） ?

無源雙基地雷達(dá)是一種不發(fā)射任何射頻（RF）信號來探測目標(biāo)的雙基地雷達(dá)。?????????????

它利用空間已經(jīng)存在的電磁波信號?? ? ? ? ? ??

這些電磁波信號（機(jī)會輻射源）包括廣播調(diào)頻電臺、全球定位衛(wèi)星、移動電話和商業(yè)電視。?????????????

機(jī)會輻射源是其他的雷達(dá)輻射源時，常使用諸如hitchhiker（搭車者）或寄生雷達(dá)之類的術(shù)語。?????????????

當(dāng)機(jī)會輻射源非雷達(dá)信號時，例如廣播通信，常使用如下術(shù)語，例如：無源（被動）雷達(dá)、被動相干定位或無源（被動）雙基地雷達(dá)。

無源雙基地雷達(dá)工作原理

利用常見的輻射源，如商用調(diào)頻廣播，作為“機(jī)會的輻射源”，機(jī)會輻射源的電磁波信號被目標(biāo)散射。

無源雙基地雷達(dá)一個天線接收來自目標(biāo)散射的射頻能量，然后將該信號與來自第二個天線的參考信號進(jìn)行比較。? ? ? ? ? ??

利用數(shù)字信號處理（DSP）技術(shù)，可以確定目標(biāo)的距離、速度和到達(dá)角等參數(shù)。? ? ? ? ? ?

從通信信號中提取典型的雷達(dá)信息。

無源雙/多基地雷達(dá)概念示意

為什么應(yīng)用無源雷達(dá)？

系統(tǒng)優(yōu)勢?????????????

低成本，無專用發(fā)射機(jī)?????????????

無需頻率分配?????????????

隱蔽（只需要接收機(jī)），干擾困難?????????????

不受反輻射導(dǎo)彈的影響?????????????

快速更新?????????????

探測隱身目標(biāo)的潛在能力?????????????

系統(tǒng)劣勢?? ? ? ? ? ??

更為復(fù)雜的幾何構(gòu)型

不能直接控制發(fā)射信號?????????????

技術(shù)不成熟

應(yīng)用

低截獲概率雷達(dá)信號檢測 ? ? ? ? ? ? ?

隱身目標(biāo)探測 ? ? ? ? ? ? ?

低成本空中交通管制（ATC）系統(tǒng) ? ? ? ? ? ? ?

執(zhí)法（交通監(jiān)控） ? ? ? ? ? ? ?

越境/入侵檢測 ? ? ? ? ? ? ?

地方計量監(jiān)測？? ? ? ? ? ? ?

行星測繪？

性能評估

我們需要知道 ? ? ? ? ? ? ?

在PBR系統(tǒng)中使用什么類型的波形?? ? ? ? ? ? ?

被利用信號的調(diào)制類型（模擬/數(shù)字） ? ? ? ? ? ? ?

使用模糊函數(shù)分析 ? ? ? ? ? ? ?

我們需要多大的功率 ? ??? ? ? ? ?

目標(biāo)探測信號的信號功率密度 ? ? ? ? ? ? ?

用雙基地距離方程分析

模糊函數(shù)

它是用來干什么的？? ? ? ? ? ? ?

作為研究不同雷達(dá)波形的一種方法 ? ? ? ? ? ? ?

確定特定傳輸波形的距離和多普勒分辨率

雷達(dá)模糊函數(shù)圖型

圖釘模糊函數(shù)是常見的噪聲或偽噪聲波形。通過增加帶寬或脈沖持續(xù)時間，尖峰的寬度分別沿時間軸或頻率軸變窄。

當(dāng)我們增加帶寬B時，會獲得更好的距離分辨率。相反，如果增加脈沖寬度t，會提高多普勒分辨率。

雷達(dá)模糊函數(shù)圖型

模糊函數(shù)的主峰對應(yīng)于系統(tǒng)在距離和多普勒方面的分辨率。? ? ? ? ? ? ?

附加的峰值對應(yīng)于潛在的模糊性，導(dǎo)致在選擇目標(biāo)的正確范圍及其速度時產(chǎn)生混淆。

模擬調(diào)頻波形

美國和歐洲（英國/德國）對FM信號研究深入。? ? ? ? ? ? ?

調(diào)頻無線電傳輸88–108兆赫甚高頻波段 ? ? ? ? ? ? ?

調(diào)制帶寬通常為50kHz ? ? ? ? ??

最大功率發(fā)射器為250千瓦EIRP ? ? ? ? ? ? ?

距離分辨率c/2b=3000m（單基地） ? ? ? ? ? ? ?

功率密度=-57 dbw/m2（目標(biāo)距離@100 km） ? ? ? ? ? ? ?

現(xiàn)有商用調(diào)頻發(fā)射機(jī)提供中低空覆蓋 ? ? ? ? ? ? ?

調(diào)頻傳輸?shù)哪：阅苋Q于瞬時調(diào)制

FM信號距離分辨率變化曲線

模擬調(diào)頻波形的模糊函數(shù)

數(shù)字音頻波形

在歐洲（英國/德國）許多公開文獻(xiàn)中的數(shù)字波形分析都是使用數(shù)字音頻廣播（DAB-T）和數(shù)字視頻廣播（DVB-T） ? ? ? ? ? ?

使用編碼正交頻分復(fù)用（CODFM）?????????????

CODFM是歐洲數(shù)字音頻和數(shù)字視頻的歐洲標(biāo)準(zhǔn)?????????????

在COFDM中，信息由大量等距子載波承載。

子載波（正弦）同時傳輸。

這些等距子載波構(gòu)成一個“白色”頻譜，其頻率階躍與符號持續(xù)時間成反比。

Codfm更像是噪音，不像調(diào)頻收音機(jī)那樣依賴節(jié)目內(nèi)容?????????????

調(diào)制帶寬通常為220 kHz ????????????

最大功率發(fā)射器為10千瓦EIRP ????????????

距離分辨率c/2b=680m（單基地）?????????????

功率密度=-71 dbw/m2（目標(biāo)距離@100 km）

數(shù)字音頻信號模糊圖

功率密度

PRB信號處理

有兩個主要信號處理方向：?? ? ?

抑制無用信號?? ???

直接信號 ? ??

多路徑信號?

干擾信號??

目標(biāo)定位和跟蹤測量?

雙基地作用距離 ? ? ? ? ? ??

多普勒估計 ? 到

達(dá)角（AOA估計）

抑制無用信號

直達(dá)波信號問題 ??? ? ? ? ??

最大系統(tǒng)性能限制 ? ? ? ? ? ? ?

接收到的直接信號可能比接收到的回波大幾個數(shù)量級。? ? ? ? ? ? ?

如果沒有充分抑制/取消，它將掩埋接收到的回聲。? ? ? ? ? ? ?

可能的解決方案 ??? ? ? ? ? ?

地形、建筑物對參考接收機(jī)和目標(biāo)回波接收機(jī)的物理屏蔽 ? ? ? ? ? ? ?

利用天線陣波束形成消除目標(biāo)回波接收機(jī)的直達(dá)波信號

目標(biāo)定位與跟蹤

（方法1） ? ? ? ? ? ? ?

直接信號與目標(biāo)回波延遲差的雙站距離 ? ? ? ? ? ? ?

使用多延遲定位，雙站測距發(fā)射機(jī)-接收機(jī)對將在橢圓上定位目標(biāo)。? （方法2） ? ? ? ? ? ? ?

獲取目標(biāo)狀態(tài)矢量的測量值，以給出矢量分量的最佳估計（例如卡爾曼濾波器

實際系統(tǒng)實例

雙基地距離、多普勒和AOA的測量 ? ??? ? ? ? ?

FM無線廣播信號

洛克希德·馬丁的“沉默哨兵”系統(tǒng) ? ? ? ? ? ? ?

使用模擬調(diào)頻無線電輻射源（最新版本也可以利用電視信號） ? ? ? ? ?

演示了在廣域內(nèi)對多個飛機(jī)目標(biāo)的實時跟蹤 ? ? ? ? ? ? ?

航天飛機(jī)發(fā)射的實時跟蹤

沉默哨兵3

數(shù)字音頻廣播信號

基于數(shù)字音頻廣播（DAB）的實驗無源雷達(dá)系統(tǒng)?????????????

澳大利亞阿德萊德大學(xué)?????????????

英國巴斯大學(xué)?????????????

英國典型的數(shù)字音頻廣播（DAB）?????????????

系統(tǒng)運行頻率略高于200MHz?????????????

帶寬略高于1.5兆赫?????????????

信號接近理想的圖釘性質(zhì)?????????????

期望具有良好的距離分辨率?????????????

發(fā)射機(jī)輸出功率約為10kW ERP?????????????

布置成傳輸幾乎相同信號的網(wǎng)絡(luò)（單頻網(wǎng)絡(luò)）

實驗結(jié)果

雷達(dá)試驗臺由四通道數(shù)字接收機(jī)、計算機(jī)、三根八木天線和一組固定的八木天線組成。

測試臺位于英國巴斯大學(xué)，天線指向布里斯托爾機(jī)場，以便觀察飛機(jī)的進(jìn)出。

高清電視信號

為什么使用高清電視信號 ？

應(yīng)用高清電視信號（HDTV）作為機(jī)會輻射源的無源雷達(dá)論文未見公開發(fā)表

2005年在舊烏鴉協(xié)會（AOC）會議上作了一次介紹（未出版）

一些論文中引用了一些演示結(jié)果

結(jié)果表明，高清晰度電視是無源雷輻射源用的最佳選擇?

2009年夏天，美國的高清晰度電視廣播信號在全國范圍內(nèi)傳播

研究基于高清電視信號的無源雷達(dá)成為研究熱點

ATSC地面?zhèn)鬏敇?biāo)準(zhǔn)

美國數(shù)字電視被稱為ATSC、DTV或HDTV系統(tǒng)。? ? ? ? ? ? ?

標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了以下各項所需的子系統(tǒng)：? ? ??? ? ? ?

信號產(chǎn)生 ? ? ? ? ? ? ?

編碼 ? ? ? ? ? ? ?

傳輸 ? ? ? ? ? ? ?

發(fā)射 ? ? ? ? ? ? ?

接收 ? ? ? ? ? ? ?

視頻、音頻和數(shù)據(jù)傳輸 ??? ? ? ? ? ?

空中廣播（8-VSB） ? ? ? ? ? ? ?

電纜系統(tǒng)（64-QAM）

主要標(biāo)準(zhǔn)

使用6MHz帶寬通道（與NTSC相同） ? ? ? ? ? ? ?

MPEG-2傳輸流，數(shù)據(jù)速率為19.29 MB/s ? ? ? ? ? ? ?

調(diào)制八級殘留邊帶信號（8個VSB用于廣播） ? ? ? ? ? ? ?

信道編碼器中執(zhí)行的六個主要功能 ??? ? ? ? ? ?

數(shù)據(jù)隨機(jī)化-確保頻譜均勻 ? ? ? ? ? ? ?

里德-所羅門編碼-前向糾錯 ? ? ? ? ? ? ?

數(shù)據(jù)交錯-附加錯誤更正 ? ? ? ? ? ? ?

網(wǎng)格編碼–更多的錯誤修正以提高信噪比 ? ? ? ? ? ? ?

同步插入 ? ? ? ? ? ? ?

引導(dǎo)信號插入

HTDV接收機(jī)信號

真實捕獲的數(shù)據(jù) ??? ? ? ? ??

康奈爾巴德項目

研究目標(biāo)

編輯：黃飛

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