TNR型調頻廣播外輻射源雷達探測實驗

2019-05-18 07:13:24江勝利皇甫流成田明輝

雷達科學與技術 2019年2期

，江勝利，皇甫流成，田明輝

(1.中國電子科技集團公司第三十八研究所，安徽合肥 230088；2.中國人民解放軍駐三十八所軍事代表室，安徽合肥 230088)

0 引言

外輻射源雷達利用第三方的非合作信號，比如FM廣播信號、模擬電視信號、數字電視信號、GPS信號等，作為其照射源進行探測，具有綠色環保、生存能力強、抗干擾性能好等優勢。其中，調頻波段(FM，88～108 MHz)廣播發射功率大、覆蓋范圍廣、反隱身，是一種被外輻射源雷達廣泛利用的信號。洛克希德·馬丁公司的“靜默哨兵”和泰利斯公司研制的Home Alerter 100均利用調頻廣播信號作為主要照射源[1-2]。

實際使用中，利用單個調頻廣播信號進行探測非常容易受到信號帶寬變化、目標RCS閃爍、甚至電波傳播等因素制約，導致系統探測性能不穩定[3]。此外，受調頻廣播信號帶寬和頻段的限制，系統的定位精度差，也直接制約著調頻廣播外輻射源雷達的軍事應用。

所以，充分利用不同發射塔的多個調頻廣播信號，構建一種TNR(多發一收)的系統，可以克服利用一個調頻廣播信號時發現概率低、定位精度差等缺點，對基于調頻廣播外輻射源雷達的發展具有重要的實用價值和研究意義。本文給出了一種TNR型系統探測實驗方案，并構建實驗系統進行了外場試驗。實驗結果證明，該方案可以有效提升基于調頻廣播外輻射源雷達的性能。

1 工作原理

當只利用一個調頻廣播信號時，通過測量回波信號與參考信號間的時間差τ、目標相對于接收站的方位φr、發射站和系統間的基線距離L，就可以解算出目標距離接收站的距離Rr，單源定位原理如圖1所示[4]。

圖1 單源定位工作原理圖

時差估計τ=(S-L)/c，距離和S=Rt+Rr，L為收發站間距，即S=τ×c+L。因此得到Rr：

(1)

如式(1)所示，在只利用一個調頻廣播信號時，目標距離接收站的距離Rr與距離和測量誤差、基線誤差和測角誤差相關。受到天線有效孔徑的限制，在米波波段測角誤差較大，因此造成測距誤差也較大，即測角誤差較大時目標的距離精度也會惡化。

當系統利用兩個以上不同位置的發射臺進行目標定位時，由于目標相對不同發射臺的位置不同，系統得到兩組距離和參數S1(S1=τ1×c+L1)和S2(S2=τ2×c+L2)，對應兩個空間橢圓。通過解算，獲得兩個距離和橢圓的交叉點，再結合單站測量獲得的目標方位，就可以解決多值問題，實現對目標的定位。這種方法擺脫了米波雷達測角誤差大對系統的影響，能夠得到更高的定位精度。

該定位技術是基于信號的到達時間之和(TSOA)與到達角(AOA)的定位技術，所以又稱為TSOA/AOA定位[5]，如圖2所示。

圖2 兩個輻射源交叉定位原理示意圖

如圖2所示，R1為接收站(坐標[x1,y1,z1])，T2(坐標[x2,y2,z2])和T3(坐標[x3,y3,z3])為廣播發射站，目標在橢圓交匯處，θ為目標相對接收站的夾角。L1,2和L1,3為接收站到兩個發射站的基線，r1為目標到接收站的距離，r2和r3為目標到兩個發射站的距離。兩個輻射源交叉定位時，獲得基礎方程如式(2)所示：

(2)

式中，

(3)

式中，r1,2,r1,3和θ可以測量獲得。通過采用改進的線性最小二乘算法，可以較好地求解上述方程。算法先利用距離和方程組估計目標位置的初始估計值(初始值可通過單站定位獲得)，然后利用初始值和最小二乘算法可以獲得目標位置的修正量，進而得到目標位置的新估計值。如此迭代，可以得到目標距離接收站的距離和方位[5]。

2 廣播信號優選

每個發射臺的節目數根據全國廣播電視覆蓋網總體規劃要求，一般情況省市級主要發射塔：電視為1～4套節目，調頻廣播為1～5套節目；而且，雷達系統接收機靈敏度高。尤其當實驗場地位于高山時，系統可以接收到大量的廣播電臺信號(如圖3所示，系統可接收電臺超過40個)。但是，這些電臺信號并不是都適合于進行目標探測，因此外輻射源雷達工作時首先要進行輻射源篩選。系統在進行輻射源篩選時，要綜合考慮輻射源的發射功率、發射天線層數、發射天線方向性、調制形式、是否受到干擾和干擾抑制效果等多個方面，然后根據綜合評定結果，完成單個輻射源的優選。

圖3 空間頻譜圖

本文在進行多源探測優選時主要考慮以下因素：

1) 探測威力

利用民用廣播的外輻射源探測系統實際是一種特殊的雙基地系統。當廣播發射站、接收站以及涉及系統威力的功率、天線增益等因素確定后，系統的收發距離積為一常數，系統的等信噪比探測范圍按卡西尼卵形線分布，如圖2所示。

(4)

雖然無論選擇何處的電臺，系統的距離積都是一樣的，不影響系統的技術性能；但是，從作戰性能角度分析，目標距離接收站的距離Rr更為重要。因此，在距離積一定的情況下，為了保證作戰性能，應當盡量選擇距離探測任務區域較近的電臺。

2) 基線夾角

基線距離定義為輻射源到外輻射源雷達的距離?；€夾角定義為不同輻射源和雷達站間的夾角，如圖4所示。

圖4 基線和基線夾角

如圖5所示，為了保證探測范圍和精度，選擇的電臺要分布在陣地的兩側，基線夾角180°為最佳。

(a) 基線夾角和距離精度關系圖

(b) 基線夾角和方位精度關系圖圖5 距離精度和方位精度的基線夾角變化圖

3) 信號帶寬

FM信號由于播送的節目內容不同，頻譜上存在較大差異。節目停頓時瞬時頻率的變化較大，帶寬較低。一般情況下，音樂節目的FM信號的瞬時帶寬在100 kHz以內，而靜音時系統頻譜只剩下主載波。

廣播信號的帶寬直接影響著系統的探測威力、分辨率和探測精度。廣播信號隨著不同節目的變化，帶寬會發生較大變化。如音樂節目的有效帶寬較寬而且相對比較穩定、其模糊函數為圖釘形，如圖6所示；評書和新聞節目的帶寬較窄而且變化快，其模糊函數不再為圖釘形，如圖7所示。

(a) 音樂節目頻譜

(b) 音樂節目模糊函數圖6 音樂節目的頻譜和模糊函數圖

(a) 談話節目頻譜

(b) 談話節目模糊函數圖7 談話節目的頻譜和模糊函數圖

因此，利用民用調頻廣播探測系統盡量避開連續長時間的單聲道語音節目，選擇以音樂進行調制的立體聲節目為佳。

4) 多頻點高低組合和發射塔高低搭配

選擇的頻點盡量高低頻點搭配，同時盡量利用不同位置、不同高度的發射塔，等效增大垂直發射天線發射孔徑，共同改善空域覆蓋情況[6]。

3 系統試驗及結果

3.1 試驗系統構成

根據調頻廣播信號的特性和外部調頻廣播輻射源的實際分布情況，構建了一種可以同時利用多個發射塔的不同調頻廣播信號的TNR型試驗系統。該系統工作在調頻廣播頻段(87～108 MHz)，可同時利用4個不同的廣播頻點，周邊主要發射塔和試驗系統的位置關系如圖8所示。為了保證能接收到不同方向的電臺信號，系統設有4套參考天線。

圖8 系統組成框圖

在試驗過程中，首先根據周邊的電臺分布情況，在每個發射塔篩選出1～2個頻點，在工作時可根據電臺節目、是否受到干擾等情況靈活進行配置。

圖9 試驗系統周邊電臺分布情況圖

3.2 仿真分析

對于圖9所示的探測扇區，發射塔1和發射塔3近似構成“一”字形布陣，通過系統采用TSOA/AOA定位方法，可以改善系統測角精度差、定位精度低的問題，提升系統的性能。仿真時單站距離精度取800 m，方位精度取2.0°時，基于式(2)和式(3)所給TSOA/AOA定位方法，利用發射塔1和發射塔3的信號進行探測時，在200 km內，系統的距離定位精度可以達到0.3 km以內，測角精度可以達到0.3°以內，如圖10所示。

(a) 利用發射塔1和3的距離精度分布

3.3 試驗結果

試驗系統對探測扇區內的多批民航飛機進行了連續的跟蹤。選擇一批典型的民航目標進行了統計分析。該目標連續探測約28 min，向站飛行，最大探測距離336 km，最近探測距離116 km。對各個頻點的探測數據進行分段，每段約6 km，對各段的發現概率進行統計，如圖11～圖14所示。從圖11～圖14可以看出，各個頻點在不同距離段的發現概率呈明顯的波浪型，非常不穩定。為了更加直觀地比較，以50%的發現概率作為門限，對各個距離段超過該門限的概率進行統計，如表1所示。從表1可以看出，當只用1個頻點進行探測時，最高的為頻點1，發現概率超過50%的占67.4%；最低的為頻點2，發現概率超過50%僅占30.2%。

由此可見，單個調頻廣播信號進行探測受到信號帶寬變化、目標RCS閃爍，甚至電波傳播等因素制約，導致系統探測性能非常不穩定。