前向散射雷達各類應用綜述

左曉蕓 楊帆

摘 要：前向散射雷達技術應用于探測和識別在基線附近移動的目標。近年來，前向散射雷達的優勢在各種應用中引起了人們的興趣，如車輛識別、空中監視、慢運動的微多普勒分析等，相比于傳統雷達，前向散射雷達是一種雙基地角接近于180°的特殊雙基地雷達，可以提供反隱身能力，使目標單站的雷達橫截面積最小化。文章梳理了前向散射雷達的應用發展現狀，對其中每一部分常用的技術以及研究現狀進行了總結，并為以后的研究指明了發展方向。

關鍵詞：前向散射雷達;雙基地;微多普勒效應

中圖分類號：TN95 文獻標識碼：A 文章編號：1674-1064（2020）11-063-02

DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2020.11.029

前向散射雷達是一種雙基地角接近于180°的特殊雙基地雷達，主要探測區域是發射天線與接收天線之間的基線，當目標存在于基線附近時，信號因為目標的陰影效應變得非常明顯，特別是雙基地角接近180°時。近幾十年，隨著科學技術的發展和武器級別的不斷升級，隱形材料的出現對傳統雷達造成了很大的威脅，如使用無人機技術走私毒品、輸送違禁材料、隱形飛機對空中交通系統的監測問題等。而前向散射雷達是一種特殊的雙基地雷達，具有很強的反隱身能力和目標識別及探測能力，尤其是在陰影逆合成孔徑理論（SISAR）提出后，使前向散射雷達具有了目標成像、識別能力的功能，推動著前向散射雷達研究進入新的階段。

前向散射雷達的研究領域十分廣泛。文章先介紹前向散射雷達的各類應用以及各應用的技術和研究現狀，再分析前向散射雷達研究當前存在的主要問題，展望前向散射雷達在日常生活中的廣泛應用及未來研究方向。

1 前向散射雷達各類應用

1.1 分析幅度變化的應用

前向散射雷達幅度方面的各類應用，按照原理和研究方向關系如圖1所示。

1.1.1 近場分析

在近場分析中模擬前向散射雷達的場景，當目標或者接收機逐漸從遠場過渡到近場時，隨著其尺度的逐漸增大，會引入另一個自由度。研究得出，如果預測任何通用的前向散射雷達的目標檢測、分類和估計方法，都應該考慮近場效應[1]。比如用于空中監視的前向散射雷達，就是利用電磁場模型和衍射理論表征目標接收器從遠場區域到近場區域的過渡，通過分析其幅度變化，得出可以由移動點狀散射體產生的多普勒信號，調制遠距離區域中的目標，再輻射信號獲得遠距離區域中前向散射雷達的模型[2]。對于近距離目標的探測問題，互質陣列雷達技術在穿墻成像的仿真實驗中，驗證了互質陣列雷達技術對近距離目標探測的有效性[3]。

1.1.2 典型應用分析

當移動目標的不同部分相對于其全局反射中心表現出微運動時，如振動或旋轉運動，其會產生反射波的附加頻率調制，其所產生的頻率邊帶稱為微多普勒效應。當目標精確地越過基線時，多普勒信號的頻率和幅度等于零，此時雙基地角等于180°。前向散射雷達（FSR）可以根據接收信號的幅度變化來區分目標的移動方向，可以預測穿越基線的時間以及從主多普勒輕松提取微多普勒分量。

在不受人體動作的影響下，前向散射雷達可以檢測人體的呼吸。人在呼吸時會引起橫截面積的變化，此時雙基地角小于180°，檢測其發射信號的幅度變化圖，最后對信號進行包絡檢測，可以得出在不同角度下人體的呼吸頻率以及接收信號的解析表達式[2]。無人機檢測還可利用前向散射雷達的拓撲特性檢測，被動FSR使用從衛星發射的信號來檢測越過衛星與地面站之間前向散射基線處飛行無人機的可行性[3]。如還想進一步提取有助于識別無人機的其他功能，可以使用EMD并將檢測到的信號分解為IMF，以進行進一步的特征提取[4]。

1.1.3 無源系統和無線電信號

無源雷達系統由不帶并置發射器的接收器組成，不需要來自基站的直接信號，并且基于信號包絡的目標檢測方案非常簡單，無需復雜的信號預處理步驟。其本身不發射電磁波這一優勢，使其很難被敵方電子偵察部隊發現并消滅?；趙ifi傳輸的無源前向散射雷達可以根據不同目標所產生的不同車輛特征對車輛進行分類[5]。

1.2 分析相位變化的應用

前向散射雷達幾何關系圖是分析相位變化的基礎，根據前向散射雷達的幾何關系圖可以構建出許多應用的幾何模型，比較典型的是多徑干擾下FSR系統結構和前向散射雷達系統拓撲結構。多徑干擾模型是分析不同風速下海浪與多徑干擾對海面目標回波特性的影響，以及分析在無浪、中浪、大浪、無風狀態下的回波相位圖，但是多徑干擾會使信號幅度衰減，進一步還會降低信噪比，增加估計誤差[6]。在前向散射雷達系統拓撲結構分析中，由該模型可以得出，成像所需的信號采樣率可以遠小于奈奎斯特采樣率的結論，其低采樣率的快速成像方法可以大幅度降低運算量。

前向散射雷達與雙靜態相比，其主要利用的是電磁波的作用，電磁散射角度的大小對測量精度有一定的影響，比較好的是在自動測量系統中指出可以直接測量雙基地的電磁散射角。雖然多路誤差通過戰略放置的吸收器被減少，但其并沒有被消除，在自動測量系統的測量和分析中提到，可以通過遠離前向散射的地區和合并時間門控雷達和低旁瓣天線來提高測量精度和靈敏度[7]。

1.3 分析頻率變化的應用

前向散射雷達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，用兩個或兩個以上的自變量的最優組合共同預測或估計因變量，比較典型的例子是基于前向散射雷達的車輛識別，即使不知道目標速度也可以很好的識別車輛，大大提高車輛識別的效果[8]。

逆合成孔徑原理是指，依靠信號在兩維方向的信號相干積累，實現兩維分辨率成像的系統。

2 前向散射雷達應用展望

前向散射雷達的各種優勢決定了其有著廣闊的應用前景，尤其在以下幾個方面有很大的發展潛力。

2.1 多天線MIMO雷達

多輸入多輸出（MIMO）雷達，即多個發射天線同時發射信號，多個接收天線接收信號的雷達。其有很多其他雷達沒有的優勢，如MIMO雷達有較強的目標檢測能力，對目標參數估計的精度很高，對多個目標有很好的分辨能力等。多個發射天線同時發射信號或者接收信號，能夠在同一頻域或者時域中傳輸更多的信息，該雷達具有并行多通道空間采樣能力，可以在天線發射功率不變的情況下，翻倍提高系統信道容量。這些功能可以有效提高目標的識別能力，多天線MIMO雷達如圖2所示。

2.2 多基地前向散射雷達

多基地雷達的接收機不發射電磁波，前向散射雷達主要利用電磁波，如果可以將二者結合，即多基地前向散射雷達的接收機不發射電磁波，通過合理安排發射機的位置，就可以避免一些反輻射目標攻擊多基地雷達。多基地前向散射雷達還可以增大雷達橫截面積，這樣當隱形飛機飛過多基地前向散射雷達時，可以被立即檢測出來，相對于前向散射雷達而言，既縮短了檢測時間也提高了目標的距離分辨率?；蛘哌€可以建立多基地前向散射雷達組網，將檢測空中和陸地的目標與雷達連接在一起，可以增加對目標的反應時間，如果用在軍事飛機上，就可以增加飛機在戰斗中的存活時間。

2.3 地表雜波影響

雖然目前已有很多前輩通過實驗進行了雜波建模研究，比如植被雜波建?；蛘呋夭ㄖ心繕诵盘柕碾s波建模等，無論是時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目標識別和探測的影響。而且前向散射雷達雜波的統計特性和傳統的單基地雷達的雜波的區別，還沒有明確的規定或者檢驗，這些問題還有待研究。

參考文獻

[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，Fu 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.飛機螺旋槳對機載雷達發射波前向散射的實驗研究[J].現代雷達，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.前向散射雷達海面目標探測信號建模與分析[J].信號處理，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的車輛目標自動識別方法[J].中國科學：信息科學，2012（11）：149-158.