萬顯榮 易建新 占偉杰 謝德強 舒 刊 宋佳樂 程 豐 饒云華 龔子平 柯亨玉

(武漢大學電子信息學院 武漢 430072)

1 引言

外輻射源雷達(簡稱外源雷達，又稱被動雷達或無源雷達等)是一種利用第三方非合作輻射源發(fā)射的電磁信號(主要包括地面廣播、電視和移動通信等)來照射目標，自身僅被動地接收目標散射信號而實施探測的新體制雙/多基地雷達[1–7]。被動雷達系統(tǒng)一般需要設(shè)置監(jiān)測通道和參考通道，分別用來接收目標回波信號和參考信號，然后通過監(jiān)測通道(雜波抑制后)與參考通道的二維互相關(guān)處理獲取距離多普勒譜，據(jù)此實現(xiàn)目標檢測與跟蹤，探測示意如圖1所示。被動雷達的核心特點是無需合作照射源、無電磁輻射，因而無需申請專用頻率，這在頻譜資源日益緊張的現(xiàn)代社會具有極大的吸引力和競爭優(yōu)勢。此外，該雷達獨有的靜默探測特性使其成為新時代綠色發(fā)展和未來“低功率到零功率”作戰(zhàn)的重要感知手段之一。

圖1 被動雷達探測示意圖Fig.1 Detection schematic diagram of passive radar

與傳統(tǒng)主動雷達相比，被動雷達通常還具有如下獨特優(yōu)勢：(1)天然優(yōu)良的低空覆蓋；(2)慢速小目標探測能力強；(3)安裝部署更為靈活；(4)組網(wǎng)探測成本相對較低。因此被動雷達這一特殊體制近年引起了學術(shù)界、工業(yè)界以及應(yīng)用部門的高度關(guān)注。被動雷達系統(tǒng)優(yōu)勢突出，在諸多軍民融合領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。軍事上，因被動雷達無需頻率分配，隱蔽性強，且設(shè)備靈巧，可部署在重點或敏感區(qū)域(邊界、沿海、島礁、要地等)用于無源靜默式對空、對海監(jiān)視，提高空海防探測網(wǎng)的預(yù)警能力和抗打擊能力。民用上，被動雷達可服務(wù)于低空通航監(jiān)視，可部署在機場及重要活動場所監(jiān)控無人機活動，亦可用于廣域城市低空監(jiān)視，與現(xiàn)有地面視頻監(jiān)視(二維監(jiān)視)手段共同構(gòu)建“地面—低空”三維立體監(jiān)視網(wǎng)，為平安智慧城市建設(shè)提供新一代監(jiān)視技術(shù)與位置服務(wù)支撐。

2012年，萬顯榮較為系統(tǒng)地歸納了國內(nèi)外基于低頻段數(shù)字廣播電視信號的外輻射源雷達發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢[3]。經(jīng)過多年發(fā)展，被動雷達研究又取得了豐富的理論和應(yīng)用成果，本文在回顧被動雷達技術(shù)演進歷史、關(guān)鍵技術(shù)最新進展、部分實驗系統(tǒng)成果的基礎(chǔ)上，結(jié)合武漢大學近年的被動雷達研究工作，歸納了被動雷達技術(shù)當前面臨的問題以及未來發(fā)展趨勢。

2 被動雷達研究歷程回顧

被動雷達是一種既古老又新興的雷達體制，也是一個與時俱進、歷久彌新的研究領(lǐng)域。早在1935年，英國Daventry試驗正是利用第三方照射源(BBC短波無線電廣播電臺)探測到了10 km以外飛行的轟炸機。第二次世界大戰(zhàn)中，德國開發(fā)了可實際工作的Klein Heidelberg被動雷達系統(tǒng)[8]。該系統(tǒng)利用英國海岸警戒雷達(即“本土鏈”)作為照射源，通過測量目標回波與直達波的時間差以及目標回波到達角進行目標定位，能夠?qū)︼w越英吉利海峽的轟炸機群實施預(yù)警。

然而，隨著收發(fā)開關(guān)的發(fā)明，人們將注意力轉(zhuǎn)向單基地雷達。因受限于器件水平(如采樣率等)和信號處理能力，被動雷達在性能上遠不及同時期的單基地主動雷達，因此第二次世界大戰(zhàn)后相關(guān)領(lǐng)域的研究發(fā)展經(jīng)歷了很長一段時間的波折和起伏。到20世紀80年代，人們對雙基地雷達(包括被動雷達)的研究興趣開始復(fù)蘇，這期間英國倫敦大學學院(University College London,UCL)的Griffiths等人[9]研究了基于模擬電視伴音信號的被動雷達，成功探測到目標，90年代Howland[10]利用模擬電視伴音信號測量所得的目標到達角和多普勒頻率成功跟蹤到目標航跡。90年代后期，美國洛克希德·馬丁(Lockheed Martin)公司推出了基于調(diào)頻廣播(Frequency Modulation,FM)信號的商用被動雷達系統(tǒng)——“沉默的哨兵”(Silent Sentry)，確定了被動相干定位(Passive Coherent Location,PCL)工作體制的主體地位。

近20年來，伴隨著電子對抗、反輻射導彈以及隱身技術(shù)等對雷達探測提出的新需求，雙/多基地雷達研究再次受到重視。在這一背景下，從事被動雷達研究的高校和科研機構(gòu)數(shù)量逐漸增多，研究的深度和廣度也不斷提升。目前被動雷達所采用的外部照射源涉及廣播電視[11–18]、通信基站[19,20]、無線局域網(wǎng)絡(luò)[21]、導航和通信衛(wèi)星[22–25]、雷達[26,27]等。得益于無線電技術(shù)的數(shù)字化發(fā)展，數(shù)字無線信號帶寬通常不依賴于傳輸內(nèi)容，比較適合于目標探測，被動雷達進入黃金發(fā)展期。

其中，基于地面無線廣播電視信號的被動雷達是最為熱門的研究領(lǐng)域。當今，數(shù)字廣播電視日益普及，正逐步取代模擬廣播電視，其覆蓋面廣、波形特性穩(wěn)定，為被動雷達提供了極好的照射源?；跀?shù)字廣播電視的被動雷達在世界各國的總體發(fā)展狀況與數(shù)字廣播電視的推廣和普及速度有著直接關(guān)系。近年來世界主要國家相繼制訂了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的HF/VHF/UHF頻段數(shù)字廣播電視標準[28–30]。由于不同國家的廣播電視標準在基站布局、發(fā)射功率、信號制式等方面均存在較大差異，基于數(shù)字廣播電視的外輻射源探測研究必須結(jié)合國情、因地制宜。從公開報道的文獻來看，歐洲多個國家的被動雷達研究歷史均達十余年甚至數(shù)十年，相關(guān)技術(shù)研究走在世界前列。我國幅員遼闊，數(shù)字廣播電視普及速度相對較慢，因此基于數(shù)字廣播電視信號的被動雷達研究也相對滯后，早期被動雷達研究成果主要集中在理論仿真層面[31–33]。近年來隨著數(shù)字廣播電視布網(wǎng)覆蓋加快，國內(nèi)相關(guān)的被動雷達研究也迎頭趕上，開發(fā)出了實驗系統(tǒng)并進行了外場驗證[34–38]，技術(shù)體制的可行性和探測性能得到了較為全面的驗證。

3 關(guān)鍵技術(shù)研究進展

如前所述，被動雷達依靠第三方非合作照射源信號進行目標探測，發(fā)射信號不可控，電波傳播環(huán)境復(fù)雜、多徑雜波干擾嚴重，信息獲取難度很大。近幾年，相關(guān)研究機構(gòu)針對上述問題進行了較為全面的探索并取得關(guān)鍵突破，下面重點闡述被動雷達信號處理環(huán)節(jié)中主要單項技術(shù)的研究進展。

(1) 參考信號重構(gòu)。被動雷達中參考信號主要用于監(jiān)測信號中的時域雜波抑制和匹配濾波處理，參考信號的質(zhì)量直接影響雷達探測性能。對基于數(shù)字電視廣播信號的被動雷達，一般使用“解調(diào)+再調(diào)制”的重構(gòu)方式提純參考信號[39–48]。數(shù)字電視廣播信號主要包括循環(huán)前綴正交頻分復(fù)用(Cyclic-Prefix Orthogonal Frequency Division Multiplexing,CP-OFDM)調(diào)制方式，如地面數(shù)字視頻廣播(Digital Video Broadcasting-Terrestrial,DVB-T)，中國移動多媒體廣播信號(China Mobile Multimedia Broadcasting,CMMB)等和時域同步正交頻分復(fù)用(Time Domain Synchronous Orthogonal Frequency Division Multiplexing,TDS-OFDM)調(diào)制方式，如數(shù)字電視地面廣播信號(Digital Television Terrestrial multimedia Broadcasting,DTMB)。根據(jù)不同調(diào)制方式，重構(gòu)方法也有所區(qū)別。CP-OFDM調(diào)制信號具有導頻和循環(huán)前綴結(jié)構(gòu)，文獻[39,40]研究了國外DVB-T信號的重構(gòu)方法，使用導頻和循環(huán)前綴對信號進行同步、信道估計與均衡等，可以較好地還原出發(fā)射信號。文獻[41,42]利用信號檢測原理對文獻[39,40]中的重構(gòu)方法進行優(yōu)化，特別是在信噪比較低的情形下，可以顯著提高重構(gòu)參考信號質(zhì)量。文獻[43,44]對國外第2代數(shù)字電視廣播信號DVB-T2的重構(gòu)方法展開了研究，核心算法與DVB-T信號的重構(gòu)方法一致，只是針對更靈活的第2代信號，在參數(shù)選取、整體結(jié)構(gòu)等細節(jié)上有所調(diào)整。文獻[45]對我國的CMMB信號重構(gòu)方法展開了研究，并對其性能進行了分析，仿真和實測數(shù)據(jù)均證明了重構(gòu)方法的有效性。相較于CP-OFDM調(diào)制，TDS-OFDM調(diào)制的信號沒有導頻，且使用時域偽隨機(Pseudo Noise,PN)序列替代了循環(huán)前綴，因此上述文獻中重構(gòu)方法均不再適用。文獻[46]對我國的DTMB信號重構(gòu)方法展開了研究，利用PN序列進行信號同步、信道估計與均衡，最后仿真和實測數(shù)據(jù)均驗證了該方法可以獲得較純凈的參考信號，但是該方法采樣的信號為基帶符號速率，在工程應(yīng)用中存在高頻混疊，降低了信號重構(gòu)質(zhì)量。文獻[47]針對此問題，對過采樣下的DTMB重構(gòu)方法進行研究，采用改進的最小二乘算法進行信道估計，相較于基帶數(shù)據(jù)率重構(gòu)方法，過采樣提高了參考信號重構(gòu)質(zhì)量。文獻[48]采用多傳感器分集重構(gòu)的方式對參考信號重構(gòu)進行優(yōu)化，在每個子載波的多個樣本中選擇與發(fā)射端信號最適配的作為重構(gòu)信號，從而提高重構(gòu)參考信號的質(zhì)量。此方法適用于所有OFDM調(diào)制的信號，但是此方法要使用多個傳感器，增加了系統(tǒng)復(fù)雜度，同時需要每個傳感器接收的信號滿足一定信噪比時才具有明顯優(yōu)化效果。

相比于固定平臺被動雷達，基于移動平臺的被動雷達系統(tǒng)(機載、車載等)的參考信號中存在大量多普勒擴展雜波，其參考信號重構(gòu)面臨更嚴峻的挑戰(zhàn)?；谔炀€分集技術(shù)和雜波拓展模型的處理思路是一種可行的機載被動雷達參考信號重構(gòu)方法[49]，除此之外，利用改進的盲均衡方法提取純凈參考信號也被證明是一種行之有效的處理方式[50]。綜上可知，數(shù)字電視廣播信號的重構(gòu)方法根據(jù)信號調(diào)制方式主要分為兩類，這些方法均是從信號恢復(fù)角度進行重構(gòu)，如何將重構(gòu)信號質(zhì)量與時域雜波抑制效果相結(jié)合，以進一步提升探測性能的重構(gòu)優(yōu)化方法還有待進一步研究。

(2) 多徑雜波抑制。強直達波及地物反射的多徑雜波(統(tǒng)稱多徑雜波)掩蓋了目標、降低了系統(tǒng)靈敏度，這是被動雷達普遍面臨的問題，因此要采用多種手段抑制信號接收通道中的強雜波，以減少相干匹配濾波后的剩余雜波及其旁瓣對目標檢測的影響。被動雷達直達波和多徑雜波抑制方法大致可分為時域方法和空域方法。時域方法主要包括常規(guī)自適應(yīng)濾波算法和時域投影算法。最小均方算法(Least Mean Square,LMS)、歸一化最小均方算法(Normalized Least Mean Square,NLMS)、梯度自適應(yīng)格型算法(Gradient Adative Lattice,GAL)以及遞推最小二乘算法(Recursive Least Square,RLS)是常規(guī)自適應(yīng)濾波算法，其中前3種算法計算量較小，但收斂性差，而RLS算法則具有計算量較大但易于收斂的特點。時域投影算法以擴展相消系算法為代表，包括擴展相消算法(Extensive Cancellation Algorithm,ECA)、擴展相消批處理算法(Batch vision of ECA,ECA-B)和滑動相消算法(Sliding Extensive Cancellation Algorithm,ECA-S)。ECA-B在ECA的基礎(chǔ)上采用分段處理，既降低了算法對計算內(nèi)存的要求，也提高了在快速時變環(huán)境下的魯棒性。ECA-S是對ECA-B的一種改進，在抑制時變雜波的同時，防止分段對慢速目標回波的調(diào)制[51]。上述時域雜波抑制方法性能受分數(shù)倍時延、載波頻偏、通道頻率響應(yīng)等非理想因素的制約，文獻[52]通過將子帶信號處理引入到雜波對消過程中，有效降低了上述非理想因素的影響，提高了算法的魯棒性。隨著以O(shè)FDM調(diào)制方式為主的數(shù)字信號的普及，基于子載波域的雜波抑制方法得到發(fā)展[53,54]。常用的子載波域算法主要包括子載波平均信道響應(yīng)濾波器(Average Channel Response Filter on subCarrier,ACRF-C)、子載波域擴展相消算法(ECA by subCarrier,ECA-C)和子載波幅度歸一化探測器(Reciprocal Subcarrier Detector,RSD)，文獻[55]對這3種算法性能進行了全面評估，闡述了它們的內(nèi)在機理及相互聯(lián)系。在ACRF算法的基礎(chǔ)上，文獻[56,57]采用子載波域信道響應(yīng)的分段平滑及雜波子空間拓展的思路，有效提高了算法對非平穩(wěn)雜波、多普勒拓展雜波的抑制性能。除了上述方法，利用OFDM符號子載波之間的正交性，當前也在討論一種無需雜波抑制的目標信息提取方法[58,59]。除此之外，多通道被動雷達系統(tǒng)可利用目標和雜波的空域信息，通過自適應(yīng)波束形成深零陷實現(xiàn)直達波和多徑雜波的有效抑制[60–62]。

基于移動平臺的被動雷達系統(tǒng)(機載、車載等)增強了系統(tǒng)的機動性、能夠?qū)崿F(xiàn)靈活布防，該方向近年逐漸成為新的研究熱點[63–66]。平臺移動會造成地海雜波產(chǎn)生多普勒拓展，淹沒低速目標，同時受發(fā)射波形時變特性及陣列誤差等因素影響，常規(guī)偏移相位中心天線(Displaced Phase Center Antenna,DPCA)和空時自適應(yīng)處理(Space-Time Adative Processing,STAP)算法性能受限。采用自適應(yīng)陣列誤差校準、常規(guī)雜波抑制方法(ECA類算法、LMS算法等)、倒數(shù)濾波器(Reciprocal Filter)等與DPCA或STAP算法進行級聯(lián)的多級拓展雜波抑制思路在實際應(yīng)用中取得較好效果[67–70]。

綜上可知，雜波抑制方法研究相對較多，但目前文獻主要關(guān)注單項方法，對于實際場景下不同雜波抑制方法的參數(shù)優(yōu)化與組合策略、雜波抑制與參考信號重構(gòu)之間的耦合因素仍有待深入探索。

(3) 目標檢測。被動雷達同時接收來自非合作照射源的直達波信號和目標的回波信號，并對二者進行相干處理，提取目標的距離、速度和方位等參數(shù)，從而實現(xiàn)對目標的有效探測。被動雷達當前的主要檢測器可分為互相關(guān)檢測器(Cross Correlation Detector)、廣義似然比檢測器(Generalized Likelihood Ratio Test,GLRT)和奇異值檢測器三大類?；ハ嚓P(guān)檢測器模仿匹配濾波器，對參考信號和監(jiān)測信號進行互模糊函數(shù)計算實現(xiàn)目標探測[71–76]。當信號模型中存在未知參數(shù)時，將未知參數(shù)的最大似然估計值代入似然比檢驗中即可得到廣義似然比檢測器[77–81]。第3類檢測器是基于現(xiàn)代隨機矩陣理論的奇異值分解檢測器[82–84]，該類檢測器考慮了目標信號的低維度特性和強度時變性。提高目標信噪比是保證檢測性能的前提，通過單幀長時間相參積累及多幀非相參積累等手段可助力微弱目標信噪比提升。在長時間積累過程中如何有效補償目標距離徙動及多普勒徙動、提高算法對機動目標的魯棒性，同時降低算法復(fù)雜度，是國內(nèi)外研究的熱點[85–88]。意大利羅馬大學研究人員以基于FM廣播和DVB信號的極化分集外輻射源雷達為研究對象，提出了基于極化分集技術(shù)的廣義似然比檢測方法(Polarization-GLRT,P-GLRT)，實驗結(jié)果表明該方法能夠有效改善目標檢測性能[89–91]。此外，通過多頻聯(lián)合檢測的方法可有效緩解因發(fā)射波形不穩(wěn)定(如FM廣播信號)、目標散射截面(Radar Cross Section,RCS)隨頻率閃爍等因素對檢測性能的影響，顯著提升目標的檢測概率[92–94]。

(4) 目標跟蹤。單發(fā)單收外輻射源雷達探測性有限，目前多收發(fā)對外輻射源雷達受到廣泛關(guān)注，其利用空間分集、頻率分集拓展信息獲取維度，通過目標跟蹤信息融合等手段獲取更精準的目標狀態(tài)。其中，新近研究進展主要涉及單頻網(wǎng)外輻射源雷達目標跟蹤、外輻射源雷達認知跟蹤和多波段外輻射源雷達融合。單頻網(wǎng)外輻射源雷達因多個發(fā)射站同時同頻發(fā)射相同信號，而導致量測與發(fā)射站關(guān)聯(lián)模糊，文獻[95–100]等就單頻網(wǎng)模糊問題開展研究，解決量測-發(fā)射站-目標間關(guān)聯(lián)問題，獲得目標跟蹤結(jié)果。文獻[101,102]提出了一種共生雷達的概念，將通信網(wǎng)絡(luò)的一部分用于外輻射源雷達探測，通過跟蹤效果自主規(guī)劃通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)射站和外輻射源雷達接收站，最終實現(xiàn)認知跟蹤的目的。文獻[103–106]提出了將UHF頻段外輻射源雷達和VHF頻段外輻射源雷達結(jié)合實現(xiàn)目標跟蹤和數(shù)據(jù)融合的方法，并開展了大量實驗驗證系統(tǒng)的可行性。目前，目標跟蹤相關(guān)研究主要是對現(xiàn)有主流目標跟蹤算法進行修正，使其適用于解決外輻射源引入的新問題，而對網(wǎng)絡(luò)化外輻射源雷達中的大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)分區(qū)交接、智能化跟蹤等方面仍有待進一步開展研究。

(5) 被動雷達成像。被動雷達系統(tǒng)在目標檢測、跟蹤與定位等方面的研究取得了長足發(fā)展，相比較于目標點跡、航跡等信息，目標圖像能夠提供更豐富、更精細的特征，有利于后續(xù)目標的分類識別。因此，被動雷達成像系統(tǒng)研究日益受到國內(nèi)外學者的關(guān)注。相比于主動雷達的單基成像系統(tǒng)，基于被動雷達的雙基成像系統(tǒng)具備一定的體制優(yōu)勢：(a)收發(fā)幾何探測結(jié)構(gòu)可靈活合理配置，以滿足前視成像、組合成像、干涉成像、多極化成像等實際應(yīng)用需求；(b)被動雷達系統(tǒng)易于進行多站組網(wǎng)，方便實現(xiàn)多頻信息融合，可以充分獲取不同波段、不同視角的目標散射信息，建立目標三維立體觀測信息，實現(xiàn)目標三維立體成像。文獻[107,108]在理論上分析了被動雙基地逆合成孔徑雷達(Passive Bistatic Inverse Synthetic Aperture Radar,PBISAR)的空間分辨性能。在此基礎(chǔ)上，開展了飛機、貨船等目標成像的外場實驗，利用3個相鄰的DVB-T信號實現(xiàn)多帶寬合成，提升了成像質(zhì)量，實驗結(jié)果驗證了理論模型的正確性。文獻[109]同時利用DVB-T和DVB-S信號對同一個合作船只進行了成像，實驗結(jié)果表明兩種照射源情況下，目標尺寸和主要散射點都能被有效估計和分辨出來，為兩者之間的信息融合打下基礎(chǔ)。文獻[110]有效地將空間分集信息融合到DVB-S信號對船只的成像過程中，改善了成像效果。得益于移動平臺被動雷達系統(tǒng)的發(fā)展，被動雙基地合成孔徑雷達(Passive Bistatic Synthetic Aperture Radar,PB-SAR)的可行性也得到了實驗驗證。文獻[111–113]展示了基于DVB-T信號的機載PB-SAR對地面場景的成像結(jié)果。文獻[114,115]則給出了基于衛(wèi)星導航信號的多站PB-SAR成像結(jié)果。

當前多數(shù)被動雷達成像系統(tǒng)是在ISAR/SAR成像技術(shù)框架下進行的，作為其成像基礎(chǔ)的匹配濾波是一個線性過程，具有實現(xiàn)簡單且性能穩(wěn)定的優(yōu)點，但是匹配濾波性能通常受制于外部照射源信號帶寬不足，影響了臨近目標的分辨?；谙∈璞硎镜谋粍永走_成像算法能有效克服傳統(tǒng)成像算法的不足，實現(xiàn)高精度成像。文獻[116]利用多個非相鄰DVB-T信號進行帶寬合成，以期實現(xiàn)更高的距離分辨率，然而信號之間非連續(xù)性引入了較高柵瓣。文中采用壓縮感知的方法有效降低了柵瓣，顯著提升了成像質(zhì)量。文獻[117]利用SOMP (Simultaneous Orthogonal Matching Pursuit)算法緩解了多基地機載PB-SAR系統(tǒng)中目標散射系數(shù)隨載波頻率和觀測角度閃爍對成像結(jié)果的影響，實現(xiàn)了對觀測場景的精確成像。

4 典型被動雷達系統(tǒng)及實驗

雷達研究作為一門實驗科學，實驗驗證是必不可少的環(huán)節(jié)。伴隨著數(shù)字廣播、電視、通信信號的普及和被動雷達關(guān)鍵技術(shù)的突破，一批實驗系統(tǒng)也相繼研制成功并予以公開報道。

4.1 國外典型被動雷達系統(tǒng)

近年來，德國應(yīng)用科學研究院(FGAN-FHR)研究出了一系列被動雷達實驗系統(tǒng)，包括DELIA(DAB Experimental radar with LInear Array)系統(tǒng)、PETRA (Passive Experimental TV RAdar)系統(tǒng)、CORA (COvert RAdar)系統(tǒng)等，這些實驗系統(tǒng)的系統(tǒng)參數(shù)在文獻[3]中已有介紹。除此之外，F(xiàn)HR還和挪威國防研究院(FII)合作開發(fā)了基于DVB-T信號的LORA11(Linear Array Covert Radar)系統(tǒng)[118](如圖2(a)所示)，該系統(tǒng)采用11個垂直極化盤錐天線組成接收陣列，陣元間距為0.36 m，可實現(xiàn)60°方位覆蓋，實驗結(jié)果顯示，該系統(tǒng)對600～700 m高度范圍內(nèi)的10 km以內(nèi)飛機實現(xiàn)了有效的探測。

德國亨索爾特(Hensoldt)公司自2008年起陸續(xù)推出多個版本的Twlnvis系統(tǒng)[119,120](如圖2(b)所示)。2018年柏林國際航展Hensoldt展示了最新版Twlnvis，該系統(tǒng)可同時利用16個FM信號及5個DAB/DVB-T信號實現(xiàn)目標探測，同時該系統(tǒng)可設(shè)立處理中心對來自4個單站的信息進行融合，從而獲取更完整的目標監(jiān)視信息。該系統(tǒng)從下到上采用7-7-16元的3層接收陣列配置，能實現(xiàn)目標的360°覆蓋及目標高度的測量。實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)的最遠探測距離超過200 km，探測距離精度小于250 m。

圖2 典型被動雷達系統(tǒng)Fig.2 Typical passive radar systems

意大利萊昂納多(Leonardo S.P.A.)公司的AULOS系統(tǒng)采用FM信號和DVB-T信號作為照射源[121,122]。該系統(tǒng)中FM信號主要用于遠距離大范圍的空中目標監(jiān)視，DVB-T信號既可用于空中低慢小目標的監(jiān)測，也可用于海岸監(jiān)視。該系統(tǒng)包含固定平臺和移動平臺兩個版本(如圖2(c)所示)。移動平臺版本采用8元均勻偶極子圓陣作為接收陣列，實現(xiàn)探測區(qū)域的360°覆蓋。固定平臺版本則利用4個陣元組成接收陣列，能夠覆蓋120°目標探測區(qū)域，同時可實現(xiàn)目標的俯仰角測量。實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠探測到200 km的空中目標，并能實現(xiàn)海岸線的有效監(jiān)測。

芬蘭Patria公司于2018年發(fā)布了MUSCL(Multi Static Coherent Location)系統(tǒng)[123](如圖2(d)所示)，該系統(tǒng)利用FM信號和DVB-T信號構(gòu)成多基地接收模式，能夠?qū)崿F(xiàn)幾百公里內(nèi)目標的360°覆蓋，可同時跟蹤100多個目標，并且具備分辨固定翼、螺旋槳和直升機類型的能力。

除了上述VHF/UHF頻段的被動雷達實驗系統(tǒng)外，基于全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)信號(Global Navigation Satellite System,GNSS)、移動通信信號(Long Term Evolution,LTE)、WiFi信號等照射源的被動雷達系統(tǒng)也正在逐步得到開發(fā)和應(yīng)用[124–129]。

4.2 武漢大學的MIPAR被動雷達系列

武漢大學電波傳播實驗室依托無線電物理國家重點學科，在系列國家重點項目資助下，持續(xù)深耕被動雷達領(lǐng)域十余年，系統(tǒng)研究了基于我國數(shù)字廣播電視信號的被動雷達及其組網(wǎng)技術(shù)、成功研制了多波段多陣型MIPAR (Multi-Illuminator-based Passive Radar)系統(tǒng)并開展了長期實驗驗證，面向國家重大需求在多個領(lǐng)域推進了該技術(shù)的行業(yè)應(yīng)用，相關(guān)系統(tǒng)和典型探測結(jié)果簡介如下：

(1) HF波段被動雷達。DRM (Digital Radio Mondiale)數(shù)字廣播標準是目前被國際電聯(lián)廣播業(yè)務(wù)組(ITU-R)確定為全球短波數(shù)字聲音廣播的唯一制式。2011年武漢大學團隊開展了國內(nèi)首次基于DRM信號的被動雷達研究實驗，證實了該技術(shù)的可行性[18,130,131]。隨后深入分析了電離層行進式干擾、射頻干擾等因素對該系統(tǒng)的影響[132–134]，并提出了一種基于最大似然估計的射頻干擾抑制方法。針對天地波組合模式下的目標定位問題，團隊提出了一種基于直達波到達仰角的定位新方法，并分析了該方法的定位精度[135]。短波段密布大量的短波廣播、通信和雷達信號，得益于理論研究的不斷深入和實驗系統(tǒng)的日益完善，團隊近年來還在全國多地開展了基于HF波段多照射源的被動雷達目標探測實驗。實驗表明，雷達系統(tǒng)可實現(xiàn)運動目標的超視距探測與持續(xù)跟蹤。圖3給出了某次試驗的飛機目標探測對比結(jié)果，雷達所得目標雙基距離、雙基速度與目標廣播式自動相關(guān)監(jiān)視(Automatic Dependent Surveillance-Broadcast,ADS-B)對應(yīng)信息的變化趨勢吻合良好，證明了雷達探測結(jié)果的正確性。高頻被動雷達集成了傳統(tǒng)高頻天/地波雷達和雙/多基地被動雷達的多種優(yōu)點，可實現(xiàn)遠程目標預(yù)警，具有廣闊的應(yīng)用前景。

(2) VHF/UHF波段被動雷達。武漢大學團隊還成功研制出多通道VHF/UHF波段被動雷達系統(tǒng)。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、架構(gòu)靈活、性能穩(wěn)定，能完成24/7全天時全天候目標實時監(jiān)測任務(wù)。系統(tǒng)可兼容DTMB/CMMB(國內(nèi))、DVB/DVB-T2(歐洲)/FM/CDR等多種信號。根據(jù)實際探測需求，系統(tǒng)可以選擇采用均勻圓陣作為接收陣列，實現(xiàn)探測區(qū)域的全方位覆蓋，也可以選擇均勻線陣作為接收陣列，實現(xiàn)對重點區(qū)域的可靠監(jiān)視。利用該實驗系統(tǒng)，團隊在在全國十余地針對無人機、通航飛機、民航飛機等多種類型目標開展了大量實驗，突破了被動雷達參考信號獲取、雜波抑制、目標檢測以及航跡跟蹤融合等信號/數(shù)據(jù)處理方面的系列關(guān)鍵技術(shù)[47,52,87,136–144]，研制的雷達系統(tǒng)還在湖北、河南、四川等多個通航機場開展了應(yīng)用示范。2017年，團隊在IEEE國際雷達會議上首次報道了基于數(shù)字電視信號的被動雷達無人機探測結(jié)果，展現(xiàn)了該技術(shù)在“低、慢、小”目標監(jiān)視領(lǐng)域的應(yīng)用潛力[141]。為構(gòu)建嚴密的低空監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)，團隊利用被動雷達易于組網(wǎng)的優(yōu)勢，開展了多站組網(wǎng)融合實驗，通過融合多個收發(fā)對獲取的信息，有效彌補了探測盲區(qū)、拓展了探測范圍、提高了探測精度[142]。實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)對通航飛機的水平定位精度優(yōu)于50 m，速度精度優(yōu)于1 m/s，數(shù)據(jù)更新率小于1 s。典型探測結(jié)果如圖4(b)所示。為了進一步降低系統(tǒng)成本，提高系統(tǒng)靈活性，團隊還開展了分時多頻實驗[143]，利用單個接收站獲取目標的空間分集信息，目標探測性能逼近同時多頻系統(tǒng)的性能，探測結(jié)果如圖4(c)所示。除此之外，團隊在單通道多站組網(wǎng)系統(tǒng)也取得了階段性的實驗進展[144](如圖4(d))。

圖3 HF波段被動雷達探測結(jié)果與目標ADS-B信息對比Fig.3 Comparison between HF-band passive radar detection results and ADS-B information

(3) 基于LTE信號的被動雷達系統(tǒng)。LTE作為第4代數(shù)字移動通信標準制式，具有分布廣泛、冗余度大、便于組網(wǎng)等諸多特點，因此也成為一種廣受關(guān)注的機會照射源[145,146]。武漢大學團隊詳細分析了LTE信號結(jié)構(gòu)，并對其幀間模糊帶進行了有效的抑制[147]。在此基礎(chǔ)上，獨立設(shè)計開發(fā)了基于AD9361的高集成度、小型化多通道被動雷達系統(tǒng)，利用該系統(tǒng)開展了國內(nèi)首次基于LTE信號(1867.5 MHz FDD-LTE信號)的地面及低空目標探測實驗[148,149]。如圖5所示，該系統(tǒng)實現(xiàn)了對地面車輛和無人機的連續(xù)監(jiān)測，雷達探測結(jié)果與目標真實信息吻合，證實了結(jié)果的正確性，展示了LTE被動雷達的應(yīng)用潛力。

5 被動雷達發(fā)展趨勢

目前被動雷達的相關(guān)理論研究驗證充分，關(guān)鍵技術(shù)取得重點突破，體制可行性也獲得廣泛認可。但總體而言，現(xiàn)有的被動雷達離滿足實際應(yīng)用需求還存在較大差距，主要存在如下瓶頸問題：(1)環(huán)境適應(yīng)性不強。被動雷達屬于電磁環(huán)境依賴型雷達，外部照射源的時空覆蓋及信號特性決定了該體制雷達的體系構(gòu)架、處理方案及探測性能。雷達異地部署時需事先獲知外部照射源的位置、頻率、制式、功率等參數(shù)，硬軟件配置依賴于定制開發(fā)；(2)指標穩(wěn)健度不高?，F(xiàn)有被動雷達通?；趩蝹€(或單類)外部照射源，除去信號本身的波形特性外，探測性能指標主要取決于外部照射源條件、站位設(shè)置和周邊環(huán)境，在某地某照射源下測得的技術(shù)指標換至他地就可能存在變化，導致被動雷達探測性能不穩(wěn)定；(3)智能化程度偏低。被動雷達探測性能與信號波形、電磁環(huán)境、物理信道等因素及相應(yīng)的系統(tǒng)配置方案密切相關(guān)，現(xiàn)有處理方式常需要人為的判斷和干預(yù)才能趨近于最佳工作點，具體的系統(tǒng)配置方案一旦確定后長期保持不變，缺少基于現(xiàn)場狀態(tài)評估反饋的動態(tài)調(diào)整機制和智能處理手段。

圖4 VHF/UHF波段被動雷達目標探測結(jié)果Fig.4 Detection results of VHF/UHF-band passive radars

圖5 LTE被動雷達目標探測結(jié)果Fig.5 Detection results LTE-based passive radar

為突破被動雷達面臨的環(huán)境適應(yīng)性、指標穩(wěn)健度和智能化處理等瓶頸問題，被動雷達必須突破傳統(tǒng)的單發(fā)單收雙基地架構(gòu)?；陔姶怒h(huán)境認知、系統(tǒng)優(yōu)化配置和信息智能處理，通過構(gòu)建多照射源被動雷達網(wǎng)，為突破上述瓶頸提供了解決思路，如圖6所示。MIPAR在技術(shù)體制和應(yīng)用模式上有更強的可塑性，可以大大擴展信息獲取維度。該技術(shù)總體發(fā)展趨勢可以歸納為以下3個方向：

(1) 多照射源集成化。隨著數(shù)字廣播、數(shù)字電視及數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)在全球興起，被動雷達系統(tǒng)可選照射源由FM廣播、電視伴音等模擬調(diào)制信號拓展到了包括數(shù)字音頻廣播(DAB/CDR)、數(shù)字電視(DVB/DTMB)、衛(wèi)星、移動通信(LTE)、無線局域網(wǎng)絡(luò)(WiFi)等在內(nèi)的數(shù)字信號。這給被動雷達多照射源集成化提供了有利的客觀條件。

被動雷達的系統(tǒng)配置、探測威力、探測精度等均受制于照射源波形特性、發(fā)射功率及覆蓋范圍等因素。因此，目前采用單一照射源的被動雷達系統(tǒng)往往只適用于特定的應(yīng)用場景，如基于FM廣播信號的被動雷達常用于遠距離大范圍的空中目標監(jiān)視，而無法勝任重點區(qū)域“低、慢、小”目標監(jiān)視的任務(wù)。相反，基于數(shù)字電視信號的小型化被動雷達在構(gòu)建低空監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)中可發(fā)揮重要作用，但難以滿足民航飛機、戰(zhàn)斗機等目標遠程預(yù)警的要求。為有效拓展被動雷達應(yīng)用場景，提升目標探測性能，降低外部環(huán)境依賴，多照射源集成化是一種行之有效的思路。首先需要通過軟件化、模塊化的集成系統(tǒng)設(shè)計思想賦予被動雷達照射源篩選及捆綁采集的能力，然后著力挖掘多照射源收發(fā)對提供的多維度信息，并致力于解決這些信息的有效融合問題。不同頻段(HF/VHF/UHF等)、不同制式(模擬/數(shù)字)、不同覆蓋模式(多頻網(wǎng)/單頻網(wǎng))的多照射源集成化可優(yōu)勢互補，取長補短，比如：德國Hensoldt公司開發(fā)的Twlnvis系統(tǒng)可同時利用FM信號、DAB信號和DVB-T信號作為照射源進行目標探測，是多照射集成化的典型嘗試[106,150]。

圖6 多照射源被動雷達網(wǎng)示意圖Fig.6 Schematic diagram of multi-illuminator passive radar

多照射源集成化將成為被動雷達系統(tǒng)滿足高精度(信號帶寬大)、遠距離(信號發(fā)射功率大)、大范圍(信號覆蓋范圍廣)、多場景(地、海、空目標探測)等目標探測需求于一體的重要保障。多照射源集成接收系統(tǒng)開發(fā)以及多照射源信息挖掘和融合將是下一步研究的重點。

(2) 系統(tǒng)配置網(wǎng)絡(luò)化。單發(fā)單收的被動雷達，通常采用距離結(jié)合到達角的定位方法，其定位誤差隨斜距的增大而遞增，在雷達覆蓋范圍內(nèi)的探測精度無法得到充分保障。同時，隨著目標姿態(tài)的變化以及各種建筑物、山脈等的遮擋，僅依賴于單發(fā)單收進行目標探測很難保證目標探測的連續(xù)性。被動雷達組網(wǎng)后可采用多發(fā)多收雙基距離聯(lián)合定位技術(shù)，通過合理布站使定位精度更高且在探測區(qū)域內(nèi)分布更加均勻。因此，被動雷達的一個發(fā)展趨勢是從單發(fā)單收邁向網(wǎng)絡(luò)化探測，利用空間分集、頻率分集和極化分集等擴展信息獲取維度，通過信息融合技術(shù)實現(xiàn)高性能的目標檢測、定位、跟蹤等，為探測區(qū)域提供更完整的態(tài)勢評估。

相比于單發(fā)單收的雙基地被動雷達，網(wǎng)絡(luò)化被動雷達在探測精度、穩(wěn)定性和可靠性上都表現(xiàn)出明顯優(yōu)勢，受到廣泛關(guān)注。圖7為多照射源被動雷達探測結(jié)果[142]，融合后的目標探測結(jié)果在航跡連續(xù)性、虛警數(shù)量、探測精度等方面明顯優(yōu)于單站被動雷達的跟蹤結(jié)果。

圖7 基于多照射源的被動雷達探測結(jié)果Fig.7 Detection results of the multi-illuminator passive radar

從公開文獻來看，歐洲和國內(nèi)的多家研究機構(gòu)和高校都在開展多站被動雷達的相關(guān)研究，研究內(nèi)容主要涉及多站檢測[151,152]、多站定位[153–155]、多站跟蹤與信息融合等[105,156–159]。此外，網(wǎng)絡(luò)化被動雷達的探測性能很大程度上受站點選擇的影響，為此需要考慮接收站的優(yōu)化布設(shè)，同時也需要兼顧發(fā)射站的優(yōu)化選取[160,161]，目前該項研究仍處于起步階段，報道較少。整體而言，被動雷達網(wǎng)絡(luò)化探測研究當前正處于發(fā)展階段，收發(fā)站優(yōu)化配置、多發(fā)多收聯(lián)合定位、數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)、大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)分區(qū)交接等核心問題仍有待研究突破，進而形成網(wǎng)絡(luò)化探測理論體系。

(3) 信息處理智能化。被動雷達使用非合作照射源，其發(fā)射站位、輻射參數(shù)、信號波形等并非為雷達目標探測所設(shè)計，故具有較強的環(huán)境依賴性，信號處理流程遠較主動雷達復(fù)雜。在此條件下，能夠自主感知探測環(huán)境并作出自適應(yīng)調(diào)整的智能化信息處理將極大改善被動雷達的探測效能。被動雷達信息處理智能化可貫穿從照射源選取到目標識別的信息獲取與處理全鏈條，將具備智能尋找最佳機會照射源、智能信號處理[162]、智能目標分類識別[163–165]等功能，利用一顆“聰明”的大腦來彌補被動雷達體制自身的不足，使雷達成為“會思考、會學習”、可適應(yīng)復(fù)雜探測環(huán)境的智能系統(tǒng)。

智能信號處理在被動雷達各個處理環(huán)節(jié)中均有極大的應(yīng)用潛力。在參考信號重構(gòu)方面，若能融合電磁環(huán)境感知和信道自主建模，將有助于提升信道估計和均衡效果，進而獲取到更純凈的參考信號；在雜波抑制方面，可構(gòu)建雜波特性智能感知模塊(主要包括雜波類型判斷、雜波分布建模和雜波參數(shù)估計等部分)，以提供有益的雜波先驗信息。同時，通過對時域、頻域、空域、子載波域等雜波抑制方法之間組合策略的自主規(guī)劃與尋優(yōu)，將助力雜波抑制綜合性能得到顯著提升；在目標檢測方面，可以對殘余雜波或復(fù)雜雜波區(qū)進行精細化建模與特征學習，提取雜波和目標的個性化信息，以期提高微弱目標檢測概率，同時減少虛警，圖8給出了常規(guī)恒虛警檢測結(jié)果和多層感知器檢測結(jié)果[166]，證明了智能檢測算法優(yōu)越的性能；在目標跟蹤方面，可通過對雷達航跡及對應(yīng)參考信息(如ADS-B信息、GPS信息、AIS信息等)的對比學習，實現(xiàn)航跡誤差自校準。同時對目標運動態(tài)勢的自主評估也可進一步保證目標跟蹤的連續(xù)性，提高航跡質(zhì)量；在目標屬性解譯和分類識別方面，基于回波相位、信噪比、微動特征、航跡形態(tài)等物理特征的智能信息挖掘和分類識別算法將有望跳脫常規(guī)的基于圖像識別的處理框架。同時，日益豐富的信息獲取維度為更精確的目標分類識別乃至姿態(tài)識別、運動預(yù)測等應(yīng)用打下基礎(chǔ)。盡管智能信號處理前景廣闊，但總體還處于探索階段，亟待更深入的研究。此外，除了利用智能算法提升單個處理模塊的性能，未來還要求系統(tǒng)能夠根據(jù)探測環(huán)境、探測目標類型等因素智能調(diào)整處理參數(shù)、選擇最優(yōu)處理算法以及最高效的處理流程。

圖8 智能檢測算法與恒虛警檢測算法結(jié)果對比Fig.8 Comparison between the detection results of the intelligent detector and the constant false alarm rate detector

6 結(jié)束語

現(xiàn)今外輻射雷達在參考信號提純、雜波抑制、相干檢測等信號處理單項技術(shù)的研究上已較為深入，其體制可行性也獲得廣泛認可，被動雷達研究正處于百花齊放、百家爭鳴階段。然而，隨著研究的逐步深入，被動雷達探測性能受限于外部照射源的短板越發(fā)凸顯，這客觀上催發(fā)了“被動雷達組網(wǎng)探測”與“智能信息處理”思想的萌芽。綜合被動雷達面臨的問題和當前的研究動態(tài)，被動雷達的系統(tǒng)配置上逐漸呈現(xiàn)多照射源利用、多波段集成和網(wǎng)絡(luò)化探測的發(fā)展趨勢；信息處理上開始探索以機器學習驅(qū)動的智能化處理思路，在獲取運動目標航跡信息之外開始關(guān)注目標屬性信息提取，以用于目標分類識別?？偠灾粍永走_的發(fā)展趨勢呈現(xiàn)多源化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化等特征。

多照射源被動雷達網(wǎng)絡(luò)化和智能化相結(jié)合構(gòu)成了閉環(huán)過程，使被動雷達原本的純被動工作模式增加了自主性，必將給被動雷達整體性能帶來質(zhì)的提升。因此，深入開展被動雷達網(wǎng)智能化探測理論與方法研究，對于突破被動雷達技術(shù)發(fā)展瓶頸、解決被動雷達的深度應(yīng)用問題、促進新體制雷達技術(shù)發(fā)展具有重要意義。