基于超视距的外辐射源信号提取在被动探测中的应用分析

李圣衍,朱旭东,吴久涛,江 涛

(南京电子技术研究所, 江苏 南京 210039)

0 引 言

单基地雷达受到隐身目标、反辐射武器的威胁越来越大,而基于外辐射源的无源探测体制由于其本身不辐射信号具有很好的隐蔽性,越来越受到重视[1-2]。目前基于调频广播、数字电视等外源的无源探测装备已有列装报道,典型的有美国洛马公司研制的“静默哨兵”,该雷达利用阵地周边的调频广播信号作为照射源,对200 km左右的气动目标进行探测[1],具有良好的性能。国内专家在照射源的选择方面也有很多研究,文献[3]探讨了利用无线宽带(WIFI)信号进行探测的可能性,文献[4]搭建了基于长期演进系统(LTE)信号进行非合作探测框架等。

而基于己方或敌方雷达信号作为外辐射源的探测技术也受到越来越多的重视,但目前尚未有相关装备列装的报道。在工程实现层面,对辐射源直达波信号的提取是该体制成功应用的关键环节,直达波信号的提取依赖于收发站的视距,而视距取决于收发站天线的海拔高度,考虑收发站天线高度Ht=Hr=10 m,则通视距离R=26km,如果通视距离R=100km,Ht=10m,则Hr=445 m,这对接收站直达波天线架高或阵地选择带来极大的挑战。为了更好地应用该体制,降低装备对直达波天线架高的要求,文献[5]提出了基于中继方式进行直达波信号接收的方法,文献[6]提出天地波外辐射源定位考虑采用利用电离层散射接收直达波的方法,并开展了定位精度研究。本文着重探讨在沿海环境下,利用超视距截获信号开展非合作探测的可行性。

1 基本定位原理

在东南沿海、南部沿海和南海气象环境下,出现大气波导的情况较多[7-8]。如果收发站之间构成大气波导效应,则接收站可以通过超视距方式截获发射站辐射的信号,提取辐射源的相关参数,同时计算收发站目标的距离和,然后利用收发站之间的真实距离进行修正,这时探测模型就和常规非合作探测模型相同,从而实现收发站超视距条件下开展非合作探测的目的。探测原理框图如图1所示[9]。

图1 非合作探测定位椭圆Fig.1 Un-cooperation location ellipse

如图1所示,距离和R=RT+RR,目标的方位角θR,目标位于以辐射源和接收站位置为两个焦点(基线为L)的椭圆与方位角θR射线的交点。目标到系统距离RR无法直接测量,需要通过椭圆方程和测角联合解出,距离RR由下面公式求出。

(1)

其中,目标到达发射站和接收站的距离和R满足

R=RT+RR=td·C+L

(2)

式中:td为目标反射回波与直达波之间的时延。

当收发站之间为超视距传播时,则满足[9]

RT+RR=td·C+n(h)·S

(3)

式中:td为接收站收到目标反射回波与超视距路径下接收站收到发射站信号之间的时延;n(h)为随高度变化的折射指数;S为射线长度。

ΔR=n(h)·S-L

(4)

式中:n(h)·S为收发站之间的视在距离;L为超视距条件下收发站的地面距离。根据文献[5-6]分析,两者的差值在正常大气条件下,呈现非线性关系,可以通过长时间监测,获得距离误差曲线,一般来说,在零度仰角时,距离误差曲线接近距离三次方的多项式曲线,通过距离修正可以大幅减小ΔR。

比较式(2)～式(4)可知,在辐射源信号超视距传播条件下,距离和R可表示为

R=RT+RR=td·C+L+ΔR

(5)

当收发站之间为超视距传播时,相比视距传播,损耗增加了散射损耗和天线介质耦合损耗等,超视距传播的总损耗可以表示如下[10]。

LΣ=Lob+LSM+Ld+Lk+La

(6)

式中:Lob为自由空间的基本传播损耗;LSM为散射传播损耗。

Lob=32.4+20lgf+20lgd

(7)

式中:f为频率;d为距离。

从一般的对流层超视距传播理论出发,同时考虑了一些对远距场有显著影响的因素,散射损耗的经验公式表示如下[11]。

LSM=34.9-10lgλ-10lgd+0.65H0+30lgθ+

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

(8)

式中:λ为 工作波长(m);H0为最低散射点至收发天线间连线的垂距(km);θ为最低散射点处的散射角(mrad);Ns为最低散射点正下方的地面折射指数;Lk为馈线等损耗;La为大气吸收损耗;Ld为天线介质耦合损耗,可用下面经验公式进行计算。

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

(9)

式中:Gr和Gt分别为收发天线增益。

2 定位误差

采用常规直达波提取方式时,其定位精度与测量精度、目标与基线的几何关系有关,将图1重新标注直角坐标如图2所示。

图2 非协作定位各元素集合关系示意图Fig.2 All element assemblage relationship of un-cooperation location

其中,辐射源位置为(x1,y1),接收站位置(x0,y0),接收站到辐射源的距离为L,目标位置(x,y),目标到辐射源的距离为r1,目标到接收站的距离为r0,目标到接收站的方位角为θ,目标散射回波与直达波的距离差为c×τ,得到如下测量方程[12-13]。

(10)

将式(10)两边求一阶微分,得到如下等式。

(11)

转换为矩阵形式如下

(12)

可得

(13)

根据前面的分析,当采用超视距方式接收辐射源信号时,其定位原理和直达波方式相似,只是基线长度按照视在距离表示。如果考虑是大气波导传播,则可以认为h恒定,视在距离和地面距离差值为固定值,差异性表现在cdt上。上述圆概率误差分析同样适用于超视距传播情况。

3 可行性分析

考虑典型应用场景,场景设置如下:收发站地面距离100 km,收发天线高度均为10 m,沿海部署,气象条件具备大气波导传输效应,发射站工作频率UHF,辐射功率60 dBW,平均发射副瓣30 dB,采用360°机扫方式工作,接收站测角误差2°(1σ)。

由于收发天线高度10 m,通视距离仅为26 km,接收站考虑采用超视距方式接收辐射源副瓣信号。

根据无源侦察公式,有

(14)

式中:S/N为检测信噪比;PTGT为辐射源辐射功率,取60 dBW;GR为接收站的天线增益;L为超视距传播总损耗;R为超视距传播距离,取100 km;λ为信号波长,取0.6 m;K为玻尔兹曼常数;T为噪声温度;B为接收带宽,取20 MHz。计算所需的接收增益,详细计算值如表1所示。

表1 超视距侦察信噪比计算表Tab.1 Over the horizontal scout SNR calculation chart

从表1可知,接收天线增益21 dB时,接收S/N达到33 dB,可以有效检测辐射源的副瓣信号,并提取相关参数。为了满足该接收增益指标,可以采用单天线实现,该方式天线口径较大,需要伺服天线座控制转动,效费比较低。

随着数字阵技术的发展,可以采用阵列天线同时形成侦察波束和探测波束,实现框图如图3所示[14]。

图3 非协作定位实现框图Fig.3 Un-cooperation location realization chart

图中主阵面采用全数字阵,下行数据进行DBF处理,采用不同的加窗方式,分别形成主探测波束和针对特定辐射源的侦察波束,主探测波束覆盖探测空域,侦察波束指向辐射源方向,侦察波束接收辐射源信号并进行精确分析,获取其调制特征,用于主通道目标回波信息提取。一般来说,主探测波束为了抑制杂波,需要进行加窗处理,尽可能压低副瓣电平,而侦察波束需要尽可能采用较窄的波束宽度,同时尽量不损失增益,故而可以采用均匀权进行处理。典型的波束排布如图4所示。

图4 探测波束和侦察波束排布示意Fig.4 Permutation of location beam and scout beam

但这种方式有缺点,就是发射站位置所在空域和探测目标空域必须重叠,不如采用专门的直达波天线使用灵活。

根据第2节的分析,该方式下的定位模型和采用直达波的定位模型相同,只是收发站视在距离和实际基线长度之间存在固定误差。现假设站间距100 km,测角误差2°,距离误差考虑ΔR为200m,500m,1 km,5 km,10 km,15 km等六种不同情况,其定位圆概率误差分析如图5所示。

图5 不同条件下目标定位误差仿真图Fig.5 Target location error simulation based on different condition

其中ΔR=200 m时,可以认为收发站为通视,收发站的视在距离和地面距离相等,非合作探测系统采用直达波接收方式对辐射源信号进行侦察。从上述图中可以看出,收发站地面距离为100 km,ΔR<10 km时,定位误差基本和常规非合作探测类似,仅当ΔR>10 km时,定位误差发生较大变化。根据前述描述,通过距离修正,可以确保ΔR<10 km,则根据图5,目标定位误差在300 km处大约在11 km,可以满足平时预警探测需求。

4 结束语

综上所述,利用超视距传播截获辐射源信号开展非合作探测在理论上是可行的,从工程的角度也是能实现的,这种方式可以极大地降低对直达波天线架高的要求,从军事角度来说是有意义的。但这种方式在工程应用时,也还会存在一些问题,包括超视距传播可用性判断、低信噪比直达波信号检测和提纯、定位精度估计等。后续还需要持续地开展相关研究。