基于超視距的外輻射源信號提取在被動探測中的應用分析

李圣衍,朱旭東,吳久濤,江 濤

(南京電子技術研究所, 江蘇 南京 210039)

0 引 言

單基地雷達受到隱身目標、反輻射武器的威脅越來越大,而基于外輻射源的無源探測體制由于其本身不輻射信號具有很好的隱蔽性,越來越受到重視[1-2]。目前基于調頻廣播、數字電視等外源的無源探測裝備已有列裝報道,典型的有美國洛馬公司研制的“靜默哨兵”,該雷達利用陣地周邊的調頻廣播信號作為照射源,對200 km左右的氣動目標進行探測[1],具有良好的性能。國內專家在照射源的選擇方面也有很多研究,文獻[3]探討了利用無線寬帶(WIFI)信號進行探測的可能性,文獻[4]搭建了基于長期演進系統(LTE)信號進行非合作探測框架等。

而基于己方或敵方雷達信號作為外輻射源的探測技術也受到越來越多的重視,但目前尚未有相關裝備列裝的報道。在工程實現層面,對輻射源直達波信號的提取是該體制成功應用的關鍵環節,直達波信號的提取依賴于收發站的視距,而視距取決于收發站天線的海拔高度,考慮收發站天線高度Ht=Hr=10 m,則通視距離R=26km,如果通視距離R=100km,Ht=10m,則Hr=445 m,這對接收站直達波天線架高或陣地選擇帶來極大的挑戰。為了更好地應用該體制,降低裝備對直達波天線架高的要求,文獻[5]提出了基于中繼方式進行直達波信號接收的方法,文獻[6]提出天地波外輻射源定位考慮采用利用電離層散射接收直達波的方法,并開展了定位精度研究。本文著重探討在沿海環境下,利用超視距截獲信號開展非合作探測的可行性。

1 基本定位原理

在東南沿海、南部沿海和南海氣象環境下,出現大氣波導的情況較多[7-8]。如果收發站之間構成大氣波導效應,則接收站可以通過超視距方式截獲發射站輻射的信號,提取輻射源的相關參數,同時計算收發站目標的距離和,然后利用收發站之間的真實距離進行修正,這時探測模型就和常規非合作探測模型相同,從而實現收發站超視距條件下開展非合作探測的目的。探測原理框圖如圖1所示[9]。

圖1 非合作探測定位橢圓Fig.1 Un-cooperation location ellipse

如圖1所示,距離和R=RT+RR,目標的方位角θR,目標位于以輻射源和接收站位置為兩個焦點(基線為L)的橢圓與方位角θR射線的交點。目標到系統距離RR無法直接測量,需要通過橢圓方程和測角聯合解出,距離RR由下面公式求出。

(1)

其中,目標到達發射站和接收站的距離和R滿足

R=RT+RR=td·C+L

(2)

式中:td為目標反射回波與直達波之間的時延。

當收發站之間為超視距傳播時,則滿足[9]

RT+RR=td·C+n(h)·S

(3)

式中:td為接收站收到目標反射回波與超視距路徑下接收站收到發射站信號之間的時延;n(h)為隨高度變化的折射指數;S為射線長度。

ΔR=n(h)·S-L

(4)

式中:n(h)·S為收發站之間的視在距離;L為超視距條件下收發站的地面距離。根據文獻[5-6]分析,兩者的差值在正常大氣條件下,呈現非線性關系,可以通過長時間監測,獲得距離誤差曲線,一般來說,在零度仰角時,距離誤差曲線接近距離三次方的多項式曲線,通過距離修正可以大幅減小ΔR。

比較式(2)～式(4)可知,在輻射源信號超視距傳播條件下,距離和R可表示為

R=RT+RR=td·C+L+ΔR

(5)

當收發站之間為超視距傳播時,相比視距傳播,損耗增加了散射損耗和天線介質耦合損耗等,超視距傳播的總損耗可以表示如下[10]。

LΣ=Lob+LSM+Ld+Lk+La

(6)

式中:Lob為自由空間的基本傳播損耗;LSM為散射傳播損耗。

Lob=32.4+20lgf+20lgd

(7)

式中:f為頻率;d為距離。

從一般的對流層超視距傳播理論出發,同時考慮了一些對遠距場有顯著影響的因素,散射損耗的經驗公式表示如下[11]。

LSM=34.9-10lgλ-10lgd+0.65H0+30lgθ+

20lg(0.15H0+1.5)-0.2(Ns-328)

(8)

式中:λ為 工作波長(m);H0為最低散射點至收發天線間連線的垂距(km);θ為最低散射點處的散射角(mrad);Ns為最低散射點正下方的地面折射指數;Lk為饋線等損耗;La為大氣吸收損耗;Ld為天線介質耦合損耗,可用下面經驗公式進行計算。

Ld= 0.07exp[0.055(Gt+Gr)]

(9)

式中:Gr和Gt分別為收發天線增益。

2 定位誤差

采用常規直達波提取方式時,其定位精度與測量精度、目標與基線的幾何關系有關,將圖1重新標注直角坐標如圖2所示。

圖2 非協作定位各元素集合關系示意圖Fig.2 All element assemblage relationship of un-cooperation location

其中,輻射源位置為(x1,y1),接收站位置(x0,y0),接收站到輻射源的距離為L,目標位置(x,y),目標到輻射源的距離為r1,目標到接收站的距離為r0,目標到接收站的方位角為θ,目標散射回波與直達波的距離差為c×τ,得到如下測量方程[12-13]。

(10)

將式(10)兩邊求一階微分,得到如下等式。

(11)

轉換為矩陣形式如下

(12)

可得

(13)

根據前面的分析,當采用超視距方式接收輻射源信號時,其定位原理和直達波方式相似,只是基線長度按照視在距離表示。如果考慮是大氣波導傳播,則可以認為h恒定,視在距離和地面距離差值為固定值,差異性表現在cdt上。上述圓概率誤差分析同樣適用于超視距傳播情況。

3 可行性分析

考慮典型應用場景,場景設置如下:收發站地面距離100 km,收發天線高度均為10 m,沿海部署,氣象條件具備大氣波導傳輸效應,發射站工作頻率UHF,輻射功率60 dBW,平均發射副瓣30 dB,采用360°機掃方式工作,接收站測角誤差2°(1σ)。

由于收發天線高度10 m,通視距離僅為26 km,接收站考慮采用超視距方式接收輻射源副瓣信號。

根據無源偵察公式,有

(14)

式中:S/N為檢測信噪比;PTGT為輻射源輻射功率,取60 dBW;GR為接收站的天線增益;L為超視距傳播總損耗;R為超視距傳播距離,取100 km;λ為信號波長,取0.6 m;K為玻爾茲曼常數;T為噪聲溫度;B為接收帶寬,取20 MHz。計算所需的接收增益,詳細計算值如表1所示。

表1 超視距偵察信噪比計算表Tab.1 Over the horizontal scout SNR calculation chart

從表1可知,接收天線增益21 dB時,接收S/N達到33 dB,可以有效檢測輻射源的副瓣信號,并提取相關參數。為了滿足該接收增益指標,可以采用單天線實現,該方式天線口徑較大,需要伺服天線座控制轉動,效費比較低。

隨著數字陣技術的發展,可以采用陣列天線同時形成偵察波束和探測波束,實現框圖如圖3所示[14]。

圖3 非協作定位實現框圖Fig.3 Un-cooperation location realization chart

圖中主陣面采用全數字陣,下行數據進行DBF處理,采用不同的加窗方式,分別形成主探測波束和針對特定輻射源的偵察波束,主探測波束覆蓋探測空域,偵察波束指向輻射源方向,偵察波束接收輻射源信號并進行精確分析,獲取其調制特征,用于主通道目標回波信息提取。一般來說,主探測波束為了抑制雜波,需要進行加窗處理,盡可能壓低副瓣電平,而偵察波束需要盡可能采用較窄的波束寬度,同時盡量不損失增益,故而可以采用均勻權進行處理。典型的波束排布如圖4所示。

圖4 探測波束和偵察波束排布示意Fig.4 Permutation of location beam and scout beam

但這種方式有缺點,就是發射站位置所在空域和探測目標空域必須重疊,不如采用專門的直達波天線使用靈活。

根據第2節的分析,該方式下的定位模型和采用直達波的定位模型相同,只是收發站視在距離和實際基線長度之間存在固定誤差?，F假設站間距100 km,測角誤差2°,距離誤差考慮ΔR為200m,500m,1 km,5 km,10 km,15 km等六種不同情況,其定位圓概率誤差分析如圖5所示。

圖5 不同條件下目標定位誤差仿真圖Fig.5 Target location error simulation based on different condition

其中ΔR=200 m時,可以認為收發站為通視,收發站的視在距離和地面距離相等,非合作探測系統采用直達波接收方式對輻射源信號進行偵察。從上述圖中可以看出,收發站地面距離為100 km,ΔR<10 km時,定位誤差基本和常規非合作探測類似,僅當ΔR>10 km時,定位誤差發生較大變化。根據前述描述,通過距離修正,可以確保ΔR<10 km,則根據圖5,目標定位誤差在300 km處大約在11 km,可以滿足平時預警探測需求。

4 結束語

綜上所述,利用超視距傳播截獲輻射源信號開展非合作探測在理論上是可行的,從工程的角度也是能實現的,這種方式可以極大地降低對直達波天線架高的要求,從軍事角度來說是有意義的。但這種方式在工程應用時,也還會存在一些問題,包括超視距傳播可用性判斷、低信噪比直達波信號檢測和提純、定位精度估計等。后續還需要持續地開展相關研究。