蔣威 馬超 鄭園園 曹健

（中國電子科技集團(tuán)公司第十四研究所 江蘇省南京市 210039）

1 引言

高頻探測系統(tǒng)工作在高頻段約5～30MHz，依靠電離層對高頻電磁波的折射和反射效應(yīng)，對視距外的目標(biāo)進(jìn)行探測和跟蹤，作用距離可達(dá)2000千米以上。

但在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，地面預(yù)警探測系統(tǒng)往往是被優(yōu)先打擊的對象。在海灣戰(zhàn)爭中，美軍“哈姆”等反輻射導(dǎo)彈，摧毀了伊軍超過一半的探測系統(tǒng)。最近，在俄烏沖突中，俄羅斯首批使用“KH-31P”等反輻射導(dǎo)彈摧毀了烏克蘭大部分探測系統(tǒng)，使烏克蘭瞬間喪失了戰(zhàn)場監(jiān)視能力。受高頻探測系統(tǒng)的體制限制，系統(tǒng)大多采用大型固定式配置，無法實(shí)現(xiàn)靈活機(jī)動部署，相對機(jī)動式微波探測系統(tǒng)，在戰(zhàn)時(shí)更易成為敵方的首要打擊目標(biāo)，生存能力嚴(yán)重不足。

在這種強(qiáng)調(diào)隱蔽攻擊和硬殺傷的趨勢下，采用被動方式工作的無源探測以其隱蔽性好、建設(shè)成本低、反隱身性能好等特點(diǎn)，逐漸成為有源探測的重要補(bǔ)充。尤其基于外輻射信號的無源探測技術(shù)，是利用目標(biāo)反射非自身輻射信號進(jìn)行目標(biāo)探測。這類信號一般是在空中已存在的信號，系統(tǒng)隱蔽性更強(qiáng)，也不受目標(biāo)靜默的影響，這種技術(shù)逐漸成為各國爭相研究的熱點(diǎn)。

高頻探測系統(tǒng)如采用基于外輻射的探測技術(shù)，能夠大幅提高系統(tǒng)的隱蔽性，無源與有源高頻探測系統(tǒng)有效互補(bǔ)，提高戰(zhàn)時(shí)預(yù)警探測網(wǎng)絡(luò)的生存能力。

2 基于外輻射源探測技術(shù)的發(fā)展

2.1 國外技術(shù)發(fā)展

根據(jù)國外文獻(xiàn)記載，早20世紀(jì)80年代英國就已利用地面電視作為輻射源進(jìn)行了探測試驗(yàn)，并探測到民用飛機(jī)。美、英、法、德等國相繼開展了相關(guān)研究，比較突出的代表是美國洛克希德?馬丁公司的“沉默的哨兵”系統(tǒng)，英國防御研究局（DERA）的無源探測定位系統(tǒng)，以及德國利用移動電話基站信號的目標(biāo)探測系統(tǒng)。

2.1.1 “沉默的哨兵”系統(tǒng)

“沉默的哨兵”系統(tǒng)采用無源相干定位技術(shù)，利用商用FM無線電臺和TV臺（50-800MHz）的連續(xù)載波，通過獲取TDOA和多普勒頻移信息來對目標(biāo)進(jìn)行探測和定位。該系統(tǒng)的有效作用距離超過200km，多次參加演習(xí)，據(jù)稱與有源跟蹤雷達(dá)能力相當(dāng)。

2.1.2 英國防御研究局（DERA）的無源探測定位系統(tǒng)

英國DERA研究的無源探測定位系統(tǒng)采用了與美國“沉默的哨兵”系統(tǒng)不同的定位技術(shù)，它利用英BBC的TV信號對空中目標(biāo)進(jìn)行定位，采用快速傅里葉變換加卡爾曼濾波器和擴(kuò)展卡爾曼濾波器技術(shù)。

2.1.3 其它國家

還有新加坡、法國、德國等國家也對該技術(shù)進(jìn)行了研究。如德國西門子集團(tuán)的羅凱?馬洛爾研究公司研究了將移動電話基站作為機(jī)會照射源照射空中目標(biāo)。從這些基站發(fā)出的信號能被手提箱大小的接收機(jī)系統(tǒng)截獲，通過計(jì)算各個基站發(fā)出并返回的信號相位差，對目標(biāo)進(jìn)行定位。

2.2 國內(nèi)技術(shù)發(fā)展

國內(nèi)研究非合作無源定位技術(shù)的單位較多，如西南電子設(shè)備研究所在基于運(yùn)動平臺的外輻射探測技術(shù)上開展探索，通過試驗(yàn)取得了較高精度的定位結(jié)果。北京理工大學(xué)在GSM信號、CDMA移動通信信號建模與分析、弱目標(biāo)檢測等方面進(jìn)行了大量研究。國防科技大學(xué)近年分析了基于GNSS信號，以及基于MIMO平臺的無源定位方法。西安電子科技大學(xué)雷達(dá)信號處理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室利用基于調(diào)頻廣播的非合作無源探測系統(tǒng)開展了直達(dá)波對消、干擾抑制相關(guān)等問題研究。

2.3 高頻外輻射源探測技術(shù)發(fā)展

縱觀國內(nèi)外已有研究結(jié)果，絕大多數(shù)的非合作探測系統(tǒng)都是采用甚高頻（VHF，30-300MHz）及以上頻段的外輻射源，如電視、廣播、移動通信、衛(wèi)星等信號。基于高頻（HF，5-30MHz）輻射源的研究相對較少，這方面研究比較深入的機(jī)構(gòu)是武漢大學(xué)電波傳播實(shí)驗(yàn)室。實(shí)驗(yàn)室萬顯榮團(tuán)隊(duì)持續(xù)深耕被動雷達(dá)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(dá)及其組網(wǎng)技術(shù)、成功研制了HF波段被動雷達(dá)系統(tǒng)，并開展了長期實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，推進(jìn)了該技術(shù)的行業(yè)應(yīng)用。2011年該團(tuán)隊(duì)開展了國內(nèi)首次基于DRM信號的被動雷達(dá)研究實(shí)驗(yàn)，證實(shí)了基于短波信號實(shí)現(xiàn)非合作探測的可行性。隨后在全國各地開展了基于HF頻段多照射源的被動雷達(dá)目標(biāo)探測實(shí)驗(yàn)，取得良好的實(shí)驗(yàn)成果。結(jié)果表明，高頻被動雷達(dá)集成了傳統(tǒng)高頻雷達(dá)和被動雷達(dá)的多種優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程目標(biāo)預(yù)警，具有廣闊的應(yīng)用前景。

3 基于外輻射信號的高頻探測工作原理

3.1 工作原理

基于外輻射信號的高頻探測系統(tǒng)由外輻射信號發(fā)射站和接收站組成，在接收站通過數(shù)字波束形成技術(shù)得到接收波束和參考波束。與基于甚高頻外輻射源的探測系統(tǒng)不同，參考波束和接收波束都是經(jīng)由電離層反射傳播至接收站。探測原理示意圖如圖1所示。

圖1：系統(tǒng)探測原理示意圖

信號處理的流程是：對接收機(jī)數(shù)據(jù)形成方向圖，找到參考直達(dá)波的方向，在直達(dá)波方向形成波束作為參考波束，對參考波束進(jìn)行時(shí)域波形、頻譜信息和模糊函數(shù)等分析；然后對接收機(jī)數(shù)據(jù)在需要的角度范圍內(nèi)進(jìn)行波束形成、脈沖壓縮和相干積累得到距離多普勒譜圖。譜圖上進(jìn)行目標(biāo)檢測的流程則與主動探測系統(tǒng)基本相同。

3.2 試驗(yàn)平臺

為評估某高頻探測系統(tǒng)應(yīng)用外輻射源探測體制的可行性，首先需建立可控的試驗(yàn)平臺，對各類民用短波廣播信號波形和雷達(dá)波形進(jìn)行探測效能評估。盡管目前可能尚不存在此類波形，但不排除使用此類波形進(jìn)行外輻射探測的可能性。

通過研制一套信號波形產(chǎn)生器，產(chǎn)生各類所需的基帶波形，包括調(diào)頻、調(diào)幅、調(diào)相、FSK等常見外輻射源信號。研制一套激勵器設(shè)備，實(shí)現(xiàn)不同波形信號的調(diào)制和控制，可將信號波形調(diào)制至指定的工作頻率上，并送至發(fā)射機(jī)。結(jié)合某高頻探測系統(tǒng)構(gòu)成一套基于外輻射源的高頻探測試驗(yàn)平臺，平臺組成框圖如圖2所示。

圖2：試驗(yàn)平臺組成框圖

試驗(yàn)平臺的發(fā)射站點(diǎn)和接收站點(diǎn)相距較近，因此探測原理與圖1有所區(qū)別。參考波束和接收波束均是由電離層兩次反射進(jìn)入到接收機(jī)而形成的，探測原理如圖3所示。處理方法與外輻射源探測的方法一致，因此不影響對波形的探測效能評估結(jié)果。

圖3：試驗(yàn)平臺探測原理示意圖

4 試驗(yàn)波形分析

試驗(yàn)采用的信號波形包括調(diào)幅信號、調(diào)頻信號、頻移鍵控信號、噪聲調(diào)頻_高斯（NFM_gauss）、噪聲調(diào)頻_矩形（NFM_square）、正交頻分復(fù)用信號_m序列（OFDM_m）和正交頻分復(fù)用信號_r序列（OFDM_r）。以調(diào)幅（AM）信號為例進(jìn)行介紹。

4.1 時(shí)域波形、頻譜和模糊函數(shù)

信號的時(shí)間函數(shù)描述了信號的時(shí)域特性，信號的頻譜描述了信號的頻域特性，而模糊函數(shù)描述了信號的時(shí)頻域聯(lián)合特性。信號s(t)的雷達(dá)模糊函數(shù)定義為其二維互相關(guān)函數(shù)的模的平方：

信號樣本采樣頻率：25000 Hz，采樣點(diǎn)數(shù)：M。從圖4可以看出峰值處的多普勒頻率為0Hz，峰值處的延時(shí)為0s。

圖4：AM信號時(shí)域波形、頻譜和模糊函數(shù)

4.2 脈沖壓縮

為了方便計(jì)算，將其轉(zhuǎn)換為頻域表達(dá)，其中k=0,1，……N-1。

再進(jìn)行IFFT：

即可得到最終脈沖壓縮結(jié)果。

從圖5可以看出，調(diào)幅信號的距離旁瓣太高，脈沖壓縮之后目標(biāo)點(diǎn)湮沒于結(jié)果中，無法識別。

圖5：某角度脈沖壓縮結(jié)果圖

4.3 相干積累

同樣通過脈沖壓縮，以及將不同位置的目標(biāo)信息給分離出來。而通過相干積累，可以進(jìn)一步的提取不同目標(biāo)的多普勒頻移，進(jìn)而算出目標(biāo)的速度信息。

圖6為某方向角的相干積累結(jié)果。

圖6：某方向角的相干積累圖

5 試驗(yàn)結(jié)果

為驗(yàn)證多種波形的探測效能，在試驗(yàn)過程中間隔發(fā)送LFM波形，以LFM波形的探測譜圖作為對比對多波形的探

測性能進(jìn)行評估。不同波形的典型頻譜對比如圖7-圖13。經(jīng)過波形分析和試驗(yàn)，結(jié)果表明：

圖7：AM信號的距離多普勒圖

圖8：FM信號的距離多普勒圖

圖9：FSK信號的距離多普勒圖

圖10：NFM_gauss信號的距離多普勒圖

圖11：NFM_square信號的距離多普勒圖

圖12：OFDM_m信號的距離多普勒圖

圖13：OFDM_r信號的距離多普勒圖

（1）AM和FSK波形信號的距離旁瓣高，不適合用于探測目標(biāo)；

（2）FM和NFM波形信號可探測到目標(biāo)，但仍存在距離旁瓣較高的問題。

（3）OFDM波形信號適用于目標(biāo)探測，分辨率明顯改善，對雜波展寬和電源雜散有一定抑制作用，但也面臨多普勒敏感和距離旁瓣抑制等問題。

6 結(jié)束語

高頻探測系統(tǒng)具有超越視距的遠(yuǎn)程目標(biāo)探測能力，但因其采用固定式配置，無法實(shí)現(xiàn)機(jī)動部署，在戰(zhàn)爭中生存能力不足。逐漸發(fā)展成熟的基于外輻射源探測技術(shù)為高頻探測系統(tǒng)提供了另一種發(fā)展思路。本文闡述了基于外輻射信號的高頻探測工作原理，完成了基于多種波形的外輻射體制探測試驗(yàn)。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，對不同波形的探測效能進(jìn)行了評估。盡管這些試驗(yàn)波形在環(huán)境中可能并不存在，但不排除后續(xù)能夠使用此類波形進(jìn)行探測的可能性，該試驗(yàn)為探測系統(tǒng)選擇外輻射源波形提供了有力依據(jù)。