基于太陽輻射源的“夸父”戰場定位雷達技術?

胡晉東

（中國電子科技集團公司第二十七研究所，鄭州450047）

基于太陽輻射源的“夸父”戰場定位雷達技術?

胡晉東

（中國電子科技集團公司第二十七研究所，鄭州450047）

針對戰場無源探測雷達隱身能力的不足，用寬帶隨機信號相關處理的方法，研究了以太陽為微波輻射源的“夸父”無源定位雷達技術。計算結果表明，使用2 m×7.5 m口徑的車載天線接收系統，對艦船目標探測距離可達30 km。“夸父”雷達技術在提高戰場生存能力方面有重要意義，在港口、機場管制等民用雷達方面也有一定參考價值。

隨機信號雷達；太陽輻射；無源定位；相關函數；測距精度

1 引言

現代戰爭中提高雷達生存能力是非常重要的。以美國“沉默哨兵”為代表的無源探測雷達，以民用廣播電臺為雷達輻射源對目標進行探測和定位，大大增強了雷達戰場生存能力［1］。但是，根據現代戰爭特點和激烈程度，一旦戰爭升級，介入軍用的民用設施也必將受到敵方攻擊。這就迫使我們尋找一種新的雷達體制，使用大自然中的天然物體作為雷達輻射源，以引導無源雷達工作。我們知道，太陽是一個天然的超寬頻帶電磁波輻射體，源源不斷地輻射包括低頻、高頻、微波、毫米波、紅外、可見光和紫外等頻段在內的全頻段電磁信號，這種信號表現為超寬帶隨機信號。太陽就是一個天然的微波隨機信號發射源，我們若依托太陽作天基雷達發射站，自然就可以使用這種隨機信號作為雷達探測信號，從而在地面組建無源雷達定位系統（以下簡稱“夸父”雷達），大幅度提升戰場生存能力。因此，能量取之不盡而又不畏導彈等人類武器攻擊的太陽，就成為我們的首選目標。本文首次提出了以太陽作輻射源的雷達偵察定位體制，以展開相關研究，適應現代戰爭的需要。

2 “夸父”雷達原理

2．1 與傳統雷達體制的比較

“夸父”雷達就其本質來說，是以太陽輻射的微波電磁能量為發射源的無源隨機信號雷達。通過“夸父”雷達與幾種主要的傳統雷達體制比較，可以看出其優越性。

目前，廣泛應用的脈沖雷達無法同時具有最大的作用距離和測距精度，尤其無法同時具有良好的測距和測速精度。

單頻連續波雷達不能測距。當用簡單的調制波形時，很難做到具有良好的測距精度和測速精度。

脈沖壓縮雷達（脈沖內的線性調頻）雖然同時具有良好的作用距離和測距精度，可是在抗干擾及區分活動目標能力方面并不理想。

偽隨機編碼雷達波形的設計使其波形具有隨機性，但偽碼波形的模糊函數具有周期的圖釘形狀，存在周期性的缺點。

“夸父”雷達的信號波形是微波隨機信號。由于這種信號是徹底的非周期的隨機信號，也就消除了對目標測量的距離模糊和速度模糊，因而隨機信號雷達在目標發現、測距精度、測速精度及抗干擾等方面均是理想的［2］。

通過比較可以看出，夸父雷達兼有無源雷達和隨機信號雷達兩種體制的優點，不僅能同時精確測距和測速，更能在戰場中隱遁，并依托太陽為雷達發射站，大大提高生存能力。

2．2 基本工作原理

“夸父”雷達的基本原理是相關法，利用太陽直達波信號與目標回波信號的相關函數的峰值來測量目標距離和速度。相關接收基本原理［2］框圖如圖1所示。

直達波信號與回波信號進行相關，相關后的結果輸出到多普勒濾波器組，由多普勒濾波器輸出的峰值可以得到目標的距離和速度。實際上，“夸父”雷達并不能直接測得目標的距離信息，而是通過測量直達波與回波到達時差τ，再輔以對目標測角而間接測得定位信息。根據τ即可由計算出一個以太陽、雷達站為焦點的橢球面，被測目標就在這個橢球面上。再根據雷達對目標的測角信息，從而定出目標的位置。測角信息由接收回波的相控天線的角度指向獲得；太陽相對于雷達站的精確位置和距離，由作戰指揮中心實時獲得。“夸父”雷達系統原理簡圖見圖2。

3 相關處理

3．1 相關函數原理［3］

直達波信號f1（t）為

式中，x（t）為純凈、不含接收系統噪聲的直達波，m（t）為直達波接收信道的噪聲。

反射波信號f2（t）為

式中，y（t）為純凈、不含接收系統噪聲的目標回波，n（t）為回波接收信道的噪聲。

f1（t）與f2（t）的相關函數為

式中，后三項分別為直達波與n（t）的相關函數、回波與m（t）的相關函數、m（t）與n（t）的相關函數。由于直達波、回波與信道噪聲均不相關，并且兩個接收信道的噪聲也互不相關，因此式中后三項均為零。第一項為x（t）與y（t）的相關函數：

式中，τ為回波相對于直達波的時延，fd為回波的多普勒頻移。通過對齊時延得到相關峰值（表現為頻率為fd的交流信號），以此識別動目標并由τ測距。

3．2相關處理增益

處理增益［4］為

測距分辨力［4］為

4 主要性能和設計方法

4．1 主要性能

在上述原理指導下，我們可以設計一個車載“夸父”系統，用于港口在無線電靜默條件下的艦船交通管制。要求最大偵測作用距離30 km，測距分辨力為1 m。系統工作在f=2 800 MHz頻率上，工作帶寬B=400 MHz。

按照雷達信號檢測理論，雷達信號的單次檢測門限D由檢測概率Pd和虛警率Pfa決定［5，6］：

其中：

當取Pd=99.9%，Pfa=0.1%時，檢測門限D= 12.3 dB。下面將計算實際應用系統中的雷達接收信噪比S／N0，若不滿足檢測門限，則可通過相關積累和非相關積累獲得處理增益G，使最終信噪比［5］S／N=（S／N0）G＞D。

4．2 設計方法

系統為雙天線車載機動雷達站，其中主天線為2 m×7.5 m口徑的相控天線，用于艦船目標的反射回波；輔助天線為4 m口徑的普通拋物面天線，天線葉片可折疊，用于接收太陽直達波信號。兩部天線裝在一輛載車上，利于機動。

4．2．1 時延測距

通過對直達波與反射波信號進行相關處理，得到時延差和處理增益。直達波f1（t）經延時后與回波f2（t）相乘，經帶通濾波濾去相乘后產生的直流和其它高頻雜波信號，得到含多普勒信息的交流信號fd。交流信號fd經AGC放大，再經AD采樣轉變為數字信號。數字信號形式的fd經數字濾波器組提純出。當f1（t）與f2（t）時延對齊時，信號fd的能量達到最大值，在濾波器組輸出端可檢測到峰值，即相關峰值。當沒檢測到相關峰值時，通過程控指令，實時遍歷延時器的時延量τ，直至檢測出相關峰值為止。此時讀出的τ值，即為f1（t）與f2（t）的時延差。其中，程控時延用程控聲表面波時延組件實現，乘法運算用混頻器實現。

4．2．2 動目標提取

目標徑向運動速度為v=1～20 m／s，則多普勒頻移（單位Hz）為

式中，v=1～20 m／s為艦船目標徑向運動速度；c= 3×108m／s為光速；f=2 800 MHz為接收信號中心頻率。圖3所示帶通濾波器的通帶以fd的范圍設定，即BL=9.33～186.6 Hz。這樣，直達波和回波相乘后產生的直流分量、高頻雜波分量就抑制在帶外，我們需要的動目標信號fd由帶內提出。

4．2．3 測距分辯力

由式（6），測距分辨力（單位m）為

計算表明，測距分辨力滿足1 m的要求。

5 實際回波和直達波計算

5．1 回波信號功率

目標回波電平為

式中，接收天線有效面積Ar=ηA，A為天線孔徑面積，η為天線效率；σ為艦船有效反射面積；flux為太陽電磁輻射的流量密度；R為雷達最大距離。

5．2 接收系統噪聲

系統噪聲溫度（單位dBK）為

式中，天線等效噪溫Ta=100 K，接收機噪溫Te= 45 K，天線與低噪聲放大器之間的饋線損耗Lf= 1 dB，環境溫度T0=290 K。

系統噪聲譜密度（單位dBW／Hz）為

式中，波爾茲曼常數K=1.38×10-23K／J。

系統噪聲功率為

5．3 回波信噪比

經過相關處理之后的信噪比（單位dB）為S／N=（S／N0）G=

式中，天線孔徑面積A=2×7.5=15 m2，天線效率η =0.55，艦船最大速度v=20 m／s，艦船有效反射面積σ=12.5 m2，在2 800 MHz頻率的太陽電磁輻射的流量密度flux=60×10-22W／m2／Hz，雷達最大作用距離R=30 km，非相關積累時間ti=10 s，信號帶寬B=400 MHz。

計算結果表明，回波接收信噪比滿足最大作用距離30 km的要求。

5．4 太陽直達波信噪比

輔助天線接收到的太陽直達波電平為

式中，Tt=140 K為接收系統總噪溫。

直達波信噪比（單位dB）為

計算結果表明，直達波接收信噪比滿足對太陽信號進行接收跟蹤的的要求。

6 定位精度分析

“夸父”雷達的定位精度由系統誤差和隨機誤差決定，其中，定位系統誤差主要由太陽的動態位置測量決定。以太陽為發射站，太陽自身的位置坐標自然就作為系統誤差引入。對太陽的精確位置坐標的動態測定，在“夸父”雷達體系中，由統一的作戰指揮中心完成并實時下發各個雷達站。對太陽精確定位需要結合天文解算、多站時差測距定軌等方法，技術成熟且自成體系，這里不再討論。

定位隨機誤差σl主要由徑向測距隨機誤差（徑向測距分辨力）σd和水平切向測距隨機誤差σ-組成。由于艦船目標在海平面上，所以不考慮垂直方向的測距隨機誤差。而σ-又由最大偵測距離R和測角隨機誤差（測角分辨力）σα決定：

測距分辨力σd由信號處理帶寬B決定，見式（6）。

相控測角分辨力σα由天線口徑決定：

所以，定位隨機誤差σl=1.025 7 km。

7 結論

“夸父”雷達以太陽微波輻射源為發射站，對戰場目標進行無源偵察定位，可大大提高雷達的生存能力；以寬帶隨機信號作相關處理，大大提高了雷達的測距分辯力和抗干擾能力；但在夜間作戰方面還需進一步探討。

“夸父”雷達以太陽輻射的微波隨機信號為雷達發射源，在白天可以正常工作，不受云、雨、霧、雪等氣象條件限制，但在夜晚或太陽在地平線以下時，就接收不到太陽直達波信號或目標反射信號了。因此，若用于全天候實戰，則有一定限制。為突破這個限制，需要進一步研究，如以增加紅外探測系統來克服“夸父”雷達不能夜間工作的弱點。另一方面，“夸父”雷達也適用于科學研究和一定范圍的民用領域。

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SUN Jian.Analysis on Effect Between Atmosphere Waveguide and Alarm Helicopter Height［J］.China Radar，2009（4）：3-6.（in Chinese）

HU Jin-dong was born in Xinyang，Henan Province，in 1969. He received the B.S.degree in 1991.He is now a senior engineer. His research interests include spacecraft TT＆C，satellite communication，and battlefield detection system.

Email：mathdreamer＠yahoo.com.cn

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《電訊技術》編輯部

Kuafu Battlefield Location Radar Technology Based on Solar Microwave Radiation

HU Jin-dong
（The 27th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation，Zhengzhou 450047，China）

The Kuafu passive location radar technology based on solar microwave radiant is studied to overcome the stealth capability defect of battlefield passive detection radar according to the principle of correlative function.The calculation result shows that the warship target detection distance of Kuafu radar is 30km by using a receiver system of vehicle-borne phased array antenna with 2m×7.5m aperture.Kuafu radar system is valuable for improving the stealth capability of battlefield radars，and can be applied to civilian radars for port and airport traffic control systems.

random signal radar；solar radiant；passive location；correlative function；ranging precision

TN953

A

10.3969／j.issn.1001-893x.2011.05.002

胡晉東（1969—），男，河南信陽人，1991獲工學學士學位，現為高級工程師，主要研究方向為航天測控及衛星地面應用和戰場雷達偵察，曾獲“神舟”載人航天工程個人三等功，以及國防科學技術獎二等獎和部級科學技術獎一等獎。

1001-893X（2011）05-0006-05

2011-04-26；

2011-05-19