双基地雷达及其特性与优劣势分析

关于无源（被动）双/多基地雷达，小曲老师曾经默默的搞了很多年，还曾记得我的硕士论文就跟这个有关系。那什么是无源雷达？雷达没有源怎么能叫雷达呢？双基地又是个什么东?两个加起来的雷达又是一个什么样的雷达呢？下面这个由John W.Franklin的报告能够给大家揭开一点疑惑吧。John从概念出发，介绍了双基地雷达以及其特性与优劣势，解释了无源的概念。简要介绍了美著名的无源雷达系统-沉默哨兵以及其他国家处于实验研究阶段的部分成果。在最后提出基于高清电视信号的无源双基地雷达系统的研究方向。报告虽然不尽详实，但依然具有一定的参考意义。

“几十年来，双基地雷达一直吸引着监视和跟踪雷达研究人员。尽管从英国早期的本土链雷达发展到今天的相干多模单基地雷达，但在双基地和多基地应用方面仍有大量的研究。多接收机、方位角分集和改进的目标跟踪精度的的潜力正是推动这一技术发展的原因。”

Mark E.David (DARPA,2007)

概述              

双基地雷达的特性              

几何构型             

距离方程              

多普勒              

横截面              

无源双基地雷达的特性              

概念和工作原理              

为什么是无源雷达？             

应用              

性能评价              

信号处理              

实际系统实例              

调频             

数字视频广播              

高清电视信号              

ATSC地面传输标准              

研究目的

双基地雷达概念

双基地雷达可以定义为发射机和接收机位于不同位置的雷达，而不是常规的单基地雷达。             

最早的雷达是双基地的，直到脉冲波形和T/R开关的出现。             

双基地雷达可以使用自己的专用发射机或机会辐射源（发射机）运行。    

使用多个发射机或接收机雷达称为多基地雷达。

双基地雷达的特性

几何构型

双基地雷达的几何结构很重要-它决定了雷达的特性，包括： 

雷达测距方程             

多普勒速度方程             

雷达截面积             

覆盖范围             

双基地角-β：入射波和回波路径之间的角度 

双基地角度与雷达模式             

β<20度–（单基地）             

20<β<145度–（双基地）             

145<β<180度–（前向散射）

单基地与双基地几何构型

前向散射几何构型

双基地雷达方程

双基地多普勒方程

接收频率相对于发射频率的变化称为多普勒频率，用fd表示。

多普勒频率与目标的速度成正比。

多普勒能够让雷达区分运动与静止目标。

双基地雷达散射截面积

双基地雷达散射截面积是目标尺寸、形状、材料、角度和载波频率的函数

通常，双站雷达散射截面比单站雷达散射截面低。

在某些目标角度下，可获得高双基地RCS（前向散射）

双基地测量对于了解目标的隐身特性至关重要。

公开的文献几乎没有相关数据

无源双基地雷达特性（PBR）

概念

双基地雷达的一个类型（所有双基地/多基地分析适用，包括几何、多普勒、雷达散射截面等）  

无源双基地雷达是一种不发射任何射频（RF）信号来探测目标的双基地雷达。             

它利用空间已经存在的电磁波信号             

这些电磁波信号（机会辐射源）包括广播调频电台、全球定位卫星、移动电话和商业电视。             

机会辐射源是其他的雷达辐射源时，常使用诸如hitchhiker（搭车者）或寄生雷达之类的术语。             

当机会辐射源非雷达信号时，例如广播通信，常使用如下术语，例如：无源（被动）雷达、被动相干定位或无源（被动）双基地雷达。

无源双基地雷达工作原理

利用常见的辐射源，如商用调频广播，作为“机会的辐射源”，机会辐射源的电磁波信号被目标散射。

无源双基地雷达一个天线接收来自目标散射的射频能量，然后将该信号与来自第二个天线的参考信号进行比较。            

利用数字信号处理（DSP）技术，可以确定目标的距离、速度和到达角等参数。           

从通信信号中提取典型的雷达信息。

无源双/多基地雷达概念示意

为什么应用无源雷达？

系统优势             

低成本，无专用发射机             

无需频率分配             

隐蔽（只需要接收机），干扰困难             

不受反辐射导弹的影响             

快速更新             

探测隐身目标的潜在能力             

系统劣势             

更为复杂的几何构型

不能直接控制发射信号             

技术不成熟

应用

低截获概率雷达信号检测              

隐身目标探测              

低成本空中交通管制（ATC）系统              

执法（交通监控）              

越境/入侵检测              

地方计量监测？             

行星测绘？

性能评估

我们需要知道              

在PBR系统中使用什么类型的波形              

被利用信号的调制类型（模拟/数字）              

使用模糊函数分析              

我们需要多大的功率              

目标探测信号的信号功率密度              

用双基地距离方程分析

模糊函数

它是用来干什么的？             

作为研究不同雷达波形的一种方法              

确定特定传输波形的距离和多普勒分辨率

雷达模糊函数图型

图钉模糊函数是常见的噪声或伪噪声波形。通过增加带宽或脉冲持续时间，尖峰的宽度分别沿时间轴或频率轴变窄。

当我们增加带宽B时，会获得更好的距离分辨率。相反，如果增加脉冲宽度t，会提高多普勒分辨率。

雷达模糊函数图型

模糊函数的主峰对应于系统在距离和多普勒方面的分辨率。             

附加的峰值对应于潜在的模糊性，导致在选择目标的正确范围及其速度时产生混淆。

模拟调频波形

美国和欧洲（英国/德国）对FM信号研究深入。             

调频无线电传输88–108兆赫甚高频波段              

调制带宽通常为50kHz           

最大功率发射器为250千瓦EIRP              

距离分辨率c/2b=3000m（单基地）              

功率密度=-57 dbw/m2（目标距离@100 km）              

现有商用调频发射机提供中低空覆盖              

调频传输的模糊性能取决于瞬时调制

FM信号距离分辨率变化曲线

模拟调频波形的模糊函数

数字音频波形

在欧洲（英国/德国）许多公开文献中的数字波形分析都是使用数字音频广播（DAB-T）和数字视频广播（DVB-T）            

使用编码正交频分复用（CODFM）             

CODFM是欧洲数字音频和数字视频的欧洲标准             

在COFDM中，信息由大量等距子载波承载。

子载波（正弦）同时传输。

这些等距子载波构成一个“白色”频谱，其频率阶跃与符号持续时间成反比。

Codfm更像是噪音，不像调频收音机那样依赖节目内容             

调制带宽通常为220 kHz             

最大功率发射器为10千瓦EIRP             

距离分辨率c/2b=680m（单基地）             

功率密度=-71 dbw/m2（目标距离@100 km）

数字音频信号模糊图

功率密度

PRB信号处理

有两个主要信号处理方向：      

抑制无用信号      

直接信号     

多路径信号 

干扰信号  

目标定位和跟踪测量 

双基地作用距离             

多普勒估计   到

达角（AOA估计）

抑制无用信号

直达波信号问题             

最大系统性能限制              

接收到的直接信号可能比接收到的回波大几个数量级。             

如果没有充分抑制/取消，它将掩埋接收到的回声。             

可能的解决方案              

地形、建筑物对参考接收机和目标回波接收机的物理屏蔽              

利用天线阵波束形成消除目标回波接收机的直达波信号

目标定位与跟踪

（方法1）              

直接信号与目标回波延迟差的双站距离              

使用多延迟定位，双站测距发射机-接收机对将在椭圆上定位目标。  （方法2）              

获取目标状态矢量的测量值，以给出矢量分量的最佳估计（例如卡尔曼滤波器

实际系统实例

双基地距离、多普勒和AOA的测量              

FM无线广播信号

洛克希德·马丁的“沉默哨兵”系统              

使用模拟调频无线电辐射源（最新版本也可以利用电视信号）          

演示了在广域内对多个飞机目标的实时跟踪              

航天飞机发射的实时跟踪

沉默哨兵3

数字音频广播信号

基于数字音频广播（DAB）的实验无源雷达系统             

澳大利亚阿德莱德大学             

英国巴斯大学             

英国典型的数字音频广播（DAB）             

系统运行频率略高于200MHz             

带宽略高于1.5兆赫             

信号接近理想的图钉性质             

期望具有良好的距离分辨率             

发射机输出功率约为10kW ERP             

布置成传输几乎相同信号的网络（单频网络）

实验结果

雷达试验台由四通道数字接收机、计算机、三根八木天线和一组固定的八木天线组成。

测试台位于英国巴斯大学，天线指向布里斯托尔机场，以便观察飞机的进出。

高清电视信号

为什么使用高清电视信号 ？

应用高清电视信号（HDTV）作为机会辐射源的无源雷达论文未见公开发表

2005年在旧乌鸦协会（AOC）会议上作了一次介绍（未出版）

一些论文中引用了一些演示结果

结果表明，高清晰度电视是无源雷辐射源用的最佳选择 

2009年夏天，美国的高清晰度电视广播信号在全国范围内传播

研究基于高清电视信号的无源雷达成为研究热点

ATSC地面传输标准

美国数字电视被称为ATSC、DTV或HDTV系统。             

标准规定了以下各项所需的子系统：             

信号产生              

编码              

传输              

发射              

接收              

视频、音频和数据传输              

空中广播（8-VSB）              

电缆系统（64-QAM）

主要标准

使用6MHz带宽通道（与NTSC相同）              

MPEG-2传输流，数据速率为19.29 MB/s              

调制八级残留边带信号（8个VSB用于广播）              

信道编码器中执行的六个主要功能              

数据随机化-确保频谱均匀              

里德-所罗门编码-前向纠错              

数据交错-附加错误更正              

网格编码–更多的错误修正以提高信噪比              

同步插入              

引导信号插入

HTDV接收机信号

真实捕获的数据             

康奈尔巴德项目

研究目标

编辑：黄飞