被動雷達海上目標探測實驗研究

譚文清，宋 杰，莊敬敏，王中訓

（1.煙臺大學物理與電子信息學院，山東煙臺 264005；2.海軍航空大學，山東煙臺 264001）

0 引 言

近年來，隨著綜合電子偵察及干擾技術、反輻射武器、超低空突防技術和隱身技術的不斷發展，傳統的有源單基地雷達將面臨嚴峻的挑戰。常規的合作式雙基地雷達輻射源由己方發射，發射站和接收站采用一定的物理鏈路進行同步，接收站和發射站協同進行工作。當利用第三方機會照射輻射源進行目標探測時，發射站和接收站沒有特定的物理鏈路進行同步處理，輻射源參數不受控制，這種雷達稱為無源雙基地雷達，又稱為被動雷達、無源相干定位雷達、寄生雷達（方便起見，后面簡稱被動雷達）［1］。

被動雷達的特征在于無需輻射電磁波，其工作機理在于利用外輻射源實現目標的探測、跟蹤。現在針對民用輻射源進行目標檢測的研究取得了一定的進展，可利用的民用輻射源包括廣播電視輻射源（FM、DAB）［2-4］、移動通信輻射源（Wi-Fi、GSM）［5］和衛星輻射源（GPS 北斗衛星）［6］，因為民用輻射源并不是專門為了進行目標探測而設計的，在實際應用中會出現探測距離不足和信號模糊函數旁瓣較高等問題。而以雷達信號作為外輻射源可以彌補民用輻射源的不足，該模式下的被動雷達具有靈活性強、信號截獲概率低、抗電磁干擾能力強等優點，在雷達探測領域以非合作雷達信號作為外輻射源的被動雷達有著重要的研究價值。

經過多年的研究，國內外對被動雷達系統的研究在時頻同步、直達波參數估計、直達波干擾抑制、目標檢測與定位等核心技術方面取得了一定進展?，F在國內外學者已經進行了一系列被動雷達外場實驗，但對被動雷達外場實驗主要集中在對空中目標的檢測［7-10］，海上目標移動速度較慢，多普勒頻移較小，并且海洋環境相較于天空更加復雜，目標回波受直達波旁瓣、地雜波和海雜波的強烈干擾，海上目標檢測面臨許多困難和挑戰。因此，針對被動雷達海上目標探測研究，特別是基于實測數據的系統驗證，需要進一步加強和改進。本文介紹了一種被動雷達系統，對海上目標檢測開展了一系列的實驗研究。

1 PBR系統工作原理

典型的PBR 系統由發射機、接收機和用于數據處理和顯示的PC 組成，PBR 系統的結構組成如圖1所示。PBR 系統自己不發射信號，而是選擇合適的非合作雷達作為輻射源，非合作狀態下的雷達作為發射機發射電磁信號，海洋環境下常選用岸基雷達、艦載雷達或預警機雷達作為發射機。發射機發射的直達波照射到目標上產生回波信號，接收機天線指向海上目標所在區域并接收直達波和散射回波。接收機采集到的直達波信號和目標反射的回波信號保存在存儲器中，信號處理器將直達波信號和目標回波信號下變頻為基帶信號，同步采集并以I∕Q 數據的形式記錄在硬盤中。最后PC 端接收到接收器采集的I∕Q 數據進行分析和處理，實現海上目標探測。

圖1 典型PBR系統

2 系統信號處理流程

實驗PBR 系統的信號處理流程如圖2 所示。實驗PBR 接收機會同時接收直達波信號和回波信號，也就是回波由主瓣接收，直達波由旁瓣接收。接收到的直達波信號首先會進行其參數的估計從而重構直達波信號，重構的直達波信號與回波信號完成脈沖壓縮，然后進行直達波干擾抑制、非相參積累，畫出PBR 系統海上目標探測P 顯圖和B 顯圖，MTI、MTD 動目標處理后，畫出運動目標的距離多普勒圖，完成海上目標的探測。

圖2 PBR系統信號處理流程圖

實驗中接收機為單通道，會同時接收直達波和回波信號，經過中頻數字采樣和正交解調，接收機接收到的信號可以表示為

式中：n(t)為接收機通道噪聲；sd(t)為直達波信號；sr(t)為回波信號，將其分別表示為

st(t)為發射機信號；kd和kr為直達波和回波衰減系數；τ1和τ2為直達波和回波相較于發射信號的時間延遲；fd為運動目標回波信號多普勒頻移。

2.1 參考信號重構

與典型的單基地雷達不同，非合作雷達輻射源的參數未知，發射機和接收機未進行同步處理，后續對回波信號進行脈沖壓縮所用的參考信號也來自直達波信號，因此對非合作雷達直達波進行估計并構建參考信號估計是非常重要的。在實驗PBR 系統中，接收到的旁瓣直達波信號比回波信號大得多，并且回波信號相較于直達波信號存在延遲時間，故我們可以提取進而估計直達波信號參數。非合作雷達發射機持續發射穩定的線性調頻信號（LFM），故直達波參數估計也就是對LFM信號的估計，常用的參數估計方法有最大似然估計、STFT變換和魏格納分布等［11］，但都在估計精度和計算量上存在缺點。分數階傅里葉變換（FRFT）［12-13］有著精度高和計算量少等優點，更適合應用。線性調頻信號表達式為

式中A為幅度，f0為初始頻率，k為調頻斜率，φ為初始相位，T為脈寬，w(t)為噪聲。

p階分數階傅里葉變換的表達式為

其中p為分數階傅里葉變換階數，可以將其轉化成時間-頻率面上的旋轉角a=pπ∕2，Kp(t,μ)為變換核，進行各階變換后可以得到相關變換域，在變換域峰值搜索后得到峰值坐標(a0,μ0)，根據峰值坐標即可進行參數估計。根據估計出的參數得到參考信號帶寬，從而重構參考信號。

參數估計公式為

FRFT的參數估計流程如圖3所示。

圖3 FRFT的參數估計流程

2.2 脈沖壓縮

實驗中研究的雷達信號為LFM 線性調頻信號，其有較大的時寬帶寬積，接收到的LFM 信號需要進行脈沖壓縮處理。脈沖壓縮的目的是為了壓縮寬脈沖信號得到窄脈沖信號，從而在保證探測距離的同時提高雷達的分辨率，保證了雷達的探測精度。本實驗中脈沖壓縮處理有兩種方法：一種是根據估計出的參數可以重構直達波參考信號，該信號可以與回波信號完成脈沖壓縮；另一種是可以直接截取I∕Q 數據中一段完整的直達波樣本信號，與回波信號完成脈沖壓縮，這相當于樣本信號與回波信號的自相關。

2.3 直達波抑制

在接收信號時，接收機信道存在直達波旁瓣干擾，直達波強度遠遠高于回波，直達波旁瓣會將目標回波遮蓋，此時需要對直達波旁瓣干擾進行抑制。根據時域特性，當直達波和回波時域不交疊，針對直達波旁瓣干擾抑制可以選用合適的窗函數疊加參考信號來消除直達波旁瓣的干擾。當直達波和回波時域交疊時，主要利用維納濾波理論抑制直達波，根據輸入和輸出結果調整自適應濾波器權重W，以調節自身的傳輸特性達到最優的抑制效果，自適應濾波器按準則分類有LMS、NMLS和RLS等［14］。

2.4 非相參積累

接收機收到的回波信號強度較弱，信噪比較低，此時可能遺漏回波數據中的小目標，對脈沖串進行積累可以有效地提高信噪比，有利于小目標的檢測。雖然相參積累相比于非相參積累對信噪比的提升更加明顯，但相參積累對相參性的要求比較高，相比之下非相參積累更加簡單。實驗中非相參積累為N個相同距離單位的回波信號包絡幅度進行積累。

2.5 MTI和MTD動目標處理

運動目標顯示（MTI）技術的主要目的是提高雷達運動目標檢測能力，過濾掉靜止目標和雜波，顯示運動目標。實驗中采用三脈沖對消MTI 濾波器進行處理，在進行MTI 處理之前需要對回波脈沖多普勒頻率進行補償。運動目標處理（MTD）技術的主要目的是獲得運動目標的距離多普勒圖（R-D 圖）。在實驗中，MTD 是通過對具有多個相鄰脈沖重復周期的脈沖進行FFT 處理來實現的，這相當于回波脈沖串的相參積累。

3 外場實驗與數據分析

3.1 實驗場景

實驗場景位于中國山東省煙臺市沿海地區，實驗場景如圖4所示。實驗所用接收機位于學校實驗樓樓頂，并選擇距離接收機約9 km外的L波段岸基雷達作為非合作雷達系統的發射機，該雷達可以不間斷地發射穩定的LFM脈沖信號，并帶有導前補盲短脈沖。該實驗以接收機東北方向20 km左右的錨地停船和進出錨地的船只為機會目標，海上目標區域位于圖中的黃色橢圓形之中。在本次實驗中，借助船舶自動識別系統（Automatic Identification System,AIS）所提供的船舶動態數據來驗證海上目標的探測結果，從圖5可以看到目標錨地的船只。

圖4 外場實驗場景

圖5 AIS系統船只信息

3.2 實驗設備和I/Q數據

如圖6 所示，實驗系統由格柵天線、頻譜分析儀、PC機等組成。實驗中格柵天線是固定不動的，格柵天線指向海上目標區域，實驗中不斷采集和記錄非合作雷達輻射源的直達波和海上目標的散射回波。頻譜分析儀內自帶信號采集處理器和存儲器，可以將實驗數據同步采集并記錄到硬盤上，用于PC 端的數據處理。頻譜分析儀的頻率范圍為3 Hz～26.5 GHz，分辨率帶寬為1 Hz～10 MHz，絕對幅度誤差優于±0.5 dB，掃描時間范圍為102.4 μs～20 s，滿足對L 波段岸基雷達信號中心頻率和雷達掃描周期的要求，并滿足實驗采集信號的精度要求。頻譜分析儀的采樣率和放大器可以通過軟件進行設置，多個天線旋轉周期的數據可以根據設置的采樣率連續采集，采集到的信號樣本儲存在一個I∕Q 數據文件當中，可以將采集的信號樣本利用PC端軟件進行觀察和截取。

圖6 格柵天線（右）和頻譜分析儀（左）

采集的I∕Q 數據如圖7 所示，數據包括多個天線旋轉周期。從圖7（a）可以看出，隨著發射天線的周期性掃描，接收到的直達波信號幅度周期性地進行變化，周期約為10 s，最強脈沖峰值對應于發射天線直接指向接收天線的脈沖。圖7（b）中直達波脈沖的能量比回波脈沖強得多，直達波脈沖是具有大約2.37 ms的脈沖重復周期和脈沖寬度為160 μs的LFM信號。

圖7 采集的I∕Q數據

3.3 實驗結果

在本實驗中，非合作雷達輻射源為L波段岸基雷達，并使用相關實驗設備進行被動探測進出港口的海上船只。實驗不斷采集和記錄岸基雷達的直達波和海上目標回波數據。通過PC 端數據分析和處理，完成了直達波參考信號重構和脈沖壓縮，繪制了系統的P顯圖和B顯圖。

首先，提取直達波信號的參數，構造參考信號并完成脈沖壓縮。在接收信號中截取一段完整直達波信號，對其進行各階分數階傅里葉變換后得到如圖8的FRFT變換域，可見變換域中有一峰值，尋峰操作找出峰值后用公式（6）計算出參數估計值即可重構參考信號。

圖8 FRFT變換域

不同方法脈壓后結果如圖9所示，可見脈壓后產生了可見峰值，該峰值實際是直達波脈壓的結果。由圖9（a）、（b）對比看出，重構參考信號脈壓結果相對于樣本脈壓結果旁瓣干擾和噪聲更少，并且峰值聚集度更高，所以重構參考信號脈壓效果優于樣本脈壓。

圖9 脈沖壓縮結果

重構參考信號脈壓后畫出海上目標的P 顯和B顯圖，其中所用的脈沖總數為4 200，圖10為PRB系統海上目標檢測圖。目標區域用兩處黑色方框標記，該區域是近海岸處的錨地，并有船只進出該地。位于發射機正北和東北方向20 km 左右的幾處目標較為清晰，成功捕捉到7 個海上目標，其中錨地處有5 個目標，進出錨地的航道處有兩個目標。箭頭所指雜波為近地雜波，條狀雜波主要為直達波旁瓣干擾，可見雖然經過參考信號加窗處理減少直達波旁瓣的干擾，但仍有部分干擾保留。

圖10 PBR系統海上目標探測顯示圖

圖11（a）為目標區域放大后的B 顯圖，橫軸代表雙基地距離單元，縱軸代表選取的PRT 數量。圖11（b）是其所對應的距離-多普勒（R-D）圖。橫軸表示雙基地距離單元，縱軸表示多普勒頻率。從圖11（a）、（b）可以看出，目標區域內有多個目標，目標1的多普勒頻率為-45 Hz，證明目標1在向著遠離接收機的方向移動；目標2 和目標3 的多普勒頻率為60 Hz，證明目標2 和目標3 在向著靠近接收機的方向移動。區域1 中的目標的多普勒頻率為0 Hz，為靜止目標。此外，雜波的多普勒頻率也為0 Hz，表明雜波是靜態雜波。選取圖中目標進行MTI處理，圖11（c）為圖11（a）MTI處理之后目標區域的B 顯圖。經過MTI 處理之后雜波基本被對消掉，所以這些雜波主要是靜止雜波，區域1 中靜止目標部分消除，這是由于MTI濾波器0 頻處凹口過小導致的，而目標1、目標2 和目標3 這些移動目標被保留下來。由此可見，利用非合作雷達發射機對海上目標進行被動雷達探測，實現海上移動目標探測是完全可行的。

圖11 PBR系統動目標處理結果

4 結束語

本文介紹了一種用于海上目標探測的被動雷達系統，該系統以L波段岸基雷達作為非合作雷達輻射源發射機，可以接收發射機直達波信號和目標回波信號。給出了一系列信號處理流程，在PC端通過Matlab 完成了直達波參考信號重構、脈沖壓縮、直達波干擾抑制、非相參積累、MTI 和MTD運動目標處理，實現對海上目標的檢測。針對雙基地無源雷達在海上目標探測的實際應用，團隊進行了一系列實時目標探測的外場實驗，成功采集了一些直達波和回波數據，并對數據進行了一系列的分析和處理。實驗獲得了非常清晰的顯示圖，并成功檢測到進出港口的船只。實驗證明系統對慢速海上目標有較為良好的檢測能力，該系統可以用于海上移動目標的檢測。