一文解析雙基地雷達及其特性與優(yōu)劣勢

前言：

關于無源（被動）雙/多基地雷達，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系。那什么是無源雷達？雷達沒有源怎么能叫雷達呢？雙基地又是個什么東?兩個加起來的雷達又是一個什么樣的雷達呢？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，雙基地雷達一直吸引著監(jiān)視和跟蹤雷達研究人員。盡管從英國早期的本土鏈雷達發(fā)展到今天的相干多模單基地雷達，但在雙基地和多基地應用方面仍有大量的研究。多接收機、方位角分集和改進的目標跟蹤精度的的潛力正是推動這一技術發(fā)展的原因。”

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雙基地雷達概念

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

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

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

使用多個發(fā)射機或接收機雷達稱為多基地雷達。

雙基地雷達的特性

幾何構型

雙基地雷達的幾何結構很重要-它決定了雷達的特性，包括：?

雷達測距方程?????????????

多普勒速度方程?????????????

雷達截面積 ? ? ? ? ? ??

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型

前向散射幾何構型

雙基地雷達方程

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。?

多普勒頻率與目標的速度成正比。

多普勒能夠讓雷達區(qū)分運動與靜止目標。

雙基地雷達散射截面積

雙基地雷達散射截面積是目標尺寸、形狀、材料、角度和載波頻率的函數(shù)

通常，雙站雷達散射截面比單站雷達散射截面低。

在某些目標角度下，可獲得高雙基地RCS（前向散射）

雙基地測量對于了解目標的隱身特性至關重要。

公開的文獻幾乎沒有相關數(shù)據(jù)

無源雙基地雷達特性（PBR）

概念

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

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

它利用空間已經(jīng)存在的電磁波信號?? ? ? ? ? ??

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

機會輻射源是其他的雷達輻射源時，常使用諸如hitchhiker（搭車者）或寄生雷達之類的術語。?????????????

當機會輻射源非雷達信號時，例如廣播通信，常使用如下術語，例如：無源（被動）雷達、被動相干定位或無源（被動）雙基地雷達。

無源雙基地雷達工作原理

利用常見的輻射源，如商用調頻廣播，作為“機會的輻射源”，機會輻射源的電磁波信號被目標散射。

無源雙基地雷達一個天線接收來自目標散射的射頻能量，然后將該信號與來自第二個天線的參考信號進行比較。? ? ? ? ? ??

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

從通信信號中提取典型的雷達信息。

無源雙/多基地雷達概念示意

為什么應用無源雷達？

系統(tǒng)優(yōu)勢?????????????

低成本，無專用發(fā)射機?????????????

無需頻率分配?????????????

隱蔽（只需要接收機），干擾困難?????????????

不受反輻射導彈的影響?????????????

快速更新?????????????

探測隱身目標的潛在能力?????????????

系統(tǒng)劣勢?? ? ? ? ? ??

更為復雜的幾何構型

不能直接控制發(fā)射信號?????????????

技術不成熟

應用

低截獲概率雷達信號檢測 ? ? ? ? ? ? ?

隱身目標探測 ? ? ? ? ? ? ?

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。

雷達模糊函數(shù)圖型

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

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

模擬調頻波形

美國和歐洲（英國/德國）對FM信號研究深入。? ? ? ? ? ? ?

調頻無線電傳輸88–108兆赫甚高頻波段 ? ? ? ? ? ? ?

調制帶寬通常為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（目標距離@100 km） ? ? ? ? ? ? ?

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

調頻傳輸?shù)哪：阅苋Q于瞬時調制

FM信號距離分辨率變化曲線

模擬調頻波形的模糊函數(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用（CODFM）?????????????

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

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，不像調頻收音機那樣依賴節(jié)目內(nèi)容?????????????

調制帶寬通常為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??

目標定位和跟蹤測量?

雙基地作用距離 ? ? ? ? ? ??

多普勒估計 ? 到

達角（AOA估計）

抑制無用信號

直達波信號問題 ??? ? ? ? ??

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和目標回波接收機的物理屏蔽 ? ? ? ? ? ? ?

利用天線陣波束形成消除目標回波接收機的直達波信號

目標定位與跟蹤

（方法1） ? ? ? ? ? ? ?

直接信號與目標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-接收機對將在橢圓上定位目標。? （方法2） ? ? ? ? ? ? ?

獲取目標狀態(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)對多個飛機目標的實時跟蹤 ? ? ? ? ? ? ?

航天飛機發(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）的實驗無源雷達系統(tǒng)?????????????

澳大利亞阿德萊德大學?????????????

英國巴斯大學?????????????

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?????????????

期望具有良好的距離分辨率?????????????

發(fā)射機輸出功率約為10kW ERP?????????????

布置成傳輸幾乎相同信號的網(wǎng)絡（單頻網(wǎng)絡）

實驗結果

雷達試驗臺由四通道數(shù)字接收機、計算機、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，天線指向布里斯托爾機場，以便觀察飛機的進出。

高清電視信號

為什么使用高清電視信號 ？

應用高清電視信號（HDTV）作為機會輻射源的無源雷達論文未見公開發(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果

結果表明，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成為研究熱點

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