外辐射源雷达信号的杂波抑制

外辐射源雷达信号的杂波抑制摘要：利用外辐射源(如GSM信号、调频广播、电视、GPS等的发射信号)的无源雷达探测技术一直是国内外研究的热点。

在目标检测上，直达波信号的干扰不但对通道的动态范围提出了极高的要求，同时对微弱目标回波的检测构成了限制。

本文中针对外辐射源雷达的杂波(包括直达波和地杂波)抑制问题，运用一种顺序抵消算法来抑制杂波, 并将该算法应用于理论和实测数据，通过编程仿真分析，验证了该算法对于外辐射源雷达的杂波抑制具有有效性和实用性。

关键词：外辐射源雷达，直达波，杂波抑制Abstract: The technologies of the passive radar based on noncooperative illuminator have interested us greatly. To target detect the interference of direct signal requires rigorously dynamic scope of channel also restricts detection of weak signal The direct signals is suppressed by w ay of two arrays, and the result of simulation is given. A sequential approach was used for disturbance cancellation in passive radar, which was based on project ion s of the received signals in a sub space orthogonal to disturbance. Then the sequential cancellation algorithm was simulated to process both the theoretical data and radar received data to p rove it s feasibility and validity.Key words: passive radar, direct signal, clutter cancellation1 绪论1.1 无源雷达及其产生背景在现代战争中，先进电子进攻技术的不断发展给有源雷达带来了严重的生存危机，主要包含四大威胁：电子干扰、超低空突防以及反辐射导弹和隐身技术，因此雷达必须具备对抗这四大威胁的能力才能在战争中生存[1]。

无源雷达由于本身不辐射电磁波，具有隐蔽性高、抗干扰能力强、作用距离远等优点，而受到各国雷达研究者的广泛关注，因为这对于提高现代电子战环境下的军事电子系统的生存能力具有重要的意义。

另一方面，科技的进步导致了越来越多的民用信号的产生，继广播信号之后，电视信号、第二、三代无线通信信号GSM 和CDMA等通信信号以及GPS 相继出现，为无源定位系统寻找合适的外辐射源提供了更多的可能。

而其中第二代手机信号——GSM 信号因其分布广泛、冗余度大、容易组网等特点而越来越受到广泛重视和研究,其通信标准也已相对完善。

所谓无源雷达，指的是本身不辐射电磁信号，而是利用目标反射的电磁信号对其进行定位与跟踪的雷达。

它与传统双（多）基地雷达类似，区别在于无源雷达没有发射机部分，取而代之的是空间中已存在的民用信号[2]。

可以分为两种情况，分类的依据是所利用辐射源的来源，一是利用目标携带的电子设备辐射的信号作为辐射源；第二种利用的是除了发射机与目标外的第三方辐射源发射的信号，通过接收目标反射的部分对目标进行定位与跟踪的无源雷达。

其中，这个第三方辐射源被称为外辐射源，可能是广播信号、电视信号、无线通信信号、GPS 信号等[3]。

本文研究的是利用第二代无线通信信号GSM （Global System for Mobile Communications）信号作为外辐射源的无源雷达，是上述分类中的第二类。

无源雷达利用非合作的第三方信号，无发射机，只靠接收机来探测和跟踪目标。

从传统雷达体制来看，它类似于双（多）基地雷达。

根据外辐射源和接收机的数量和位置关系组成来看，无源雷达可以分为如下几类：单发单收双基地雷达系统、单发多收的多基地雷达系统、多发多收的多基地雷达系统、单发射机和机载平台上的接收机组成的双基地雷达系统[4]。

1.2 研究现状利用民用辐射源来探测目标并不是一个新的技术，它的历史几乎和雷达技术本身一样悠久。

早在1935年，罗伯特·沃森·瓦特曾在单基地无源雷达系统中利用英国广播公司发射的短波射频，照射10公里外的“海福特”轰炸机，但当时的系统缺乏足够的处理能力，不能计算出目标的精确位置。

当前，利用电视、广播或通信基站等民用辐射源来探测目标仍然是各国研究的热点。

英国伦敦大学的H.D.Griffiths[5]研究了基于电视信号的非合作式双基地雷达。

该实验系统将Crystal Palace电视台作为外辐射源，在相距11.8km的伦敦大学设置了接收机。

该接收机由 2 个通道组成，参考天线系统由一个10 阵元八木天线组成，接收电视台的直达信号；目标回波天线系统由 4 个17 阵元的八木天线组成，用于接收目标回波信号。

此外，该实验系统还添加了一个单独的八木天线，并在其上固定一个视频相机，用于监视飞机的有无。

新加坡南洋理工大学的H.Sun等研究人员利用GSM信号构建了简单的无源雷达系统[9-10]，通过实验证明其可以检测出近地移动目标以及海面目标并对其进行航迹跟踪。

由于新加坡的移动基站分布密集，蜂窝小区覆盖面积非常小(1.5-2km)，基站发射功率较小，用双通道实验系统时，对海上船只的检测距离大于 1 公里，对民航飞机的检测距离大约为 3.5 公里，而采用 4 阵元喇叭天线实验系统时，对于民航飞机的检测距离可以达到 6 公里。

可以推测，在其他蜂窝基站地理分布更合理，基站发射功率更大的国家或地区，这种基于GSM的无源探测系统将具有更好的性能。

德国Wachtberg的Ulrich Nickel[11]等研究了基于GSM信号的无源雷达系统，并用该系统检测到了距离为 2.3km外的3辆运动小车。

该实验系统使用了GAMMA阵列天线，该天线是长为3.12米的均匀线阵，由40 个相互分开的圆柱形天线阵元组成，其中32 个阵元是活跃的，另外8个阵元不起作用，每个阵元又由3个Vivaldi天线组成。

该实验显示，GSM基站的选择至关重要，它直接决定实验系统的性能好坏，但是对于如何选择基站，暂时还没有简单的规则。

意大利罗马的Fabiola Colone[3]等研究人员利用WiFi发射的信号检测到了160米外速度为20km/h的运动物体。

该实验系统由双通道组成，一个是参考通道，另一个是目标回波通道。

天线的波束宽度为15 ，前后瓣幅度比大于30dB。

除此之外，还有很多国家热衷于无源技术的应用研究。

美国国防部国防高级研究计划局以及华盛顿大学、乔治亚技术大学等高校和雷声等公司，都对这一领域进行了研究。

在欧洲，法国也进行了相应的技术研究工作，英国研究了无源相干雷达和“蜂窝”雷达(Celldar)，俄罗斯和捷克也进行了类似研究。

我国自八十年代以来也开始研究双（多）基地雷达技术，试验了多种型号的双（多）基地雷达系统。

西安电子科技大学雷达信号处理国防科技重点实验室王俊教授等研制了基于调频广播信号的无源雷达系统。

该系统可以检测到距离约为290 公里外的飞行目标，同时实现了对目标的定位和航迹跟踪。

此外，国防科技大学、南京理工大学、电子科学研究院、北京理工大学等多家单位也正在对利用广播、电视、通信信号作照射源的双（多）基地雷达技术进行研究，并通过实验初步检测到飞行目标的存在。

研究基于外辐射源的无源雷达系统的国家还有很多，但在所有这些系统中，最引人注目的是美国洛克希德·马丁公司推出的名为“沉默哨兵”(Silent Sentry)[5-10]的全被动式空中监视系统。

该系统是洛克希德·马丁公司经15 年的研究后，唯一投入实际工作的系统。

该系统在实验中以被动方式跟踪到了48km 外飞行的飞机，而且定位精度与常规的空中搜索雷达相差无几。

其信号处理的核心算法被称为被动相参定位(PCL)算法。

系统的接收信号为50～800MHz的调频广播和电视信号，天线为8×25 英尺的相控阵天线，可以覆盖方位105°，俯仰50°的空域。

公开报道的第一代系统为固定站，第二代系统发展成为更加灵活机动的雷达车快速部署形式。

1.3外辐射源雷达的关键技术1.3.1 辐射源的优化选择外辐射源即被利用来进行定位与跟踪的非合作信号，是目标和接收机以外的第三方信号。

目标的测量和跟踪精度可以通过增加辐射源的数量来实现，这同时还可以使系统的稳定性和容错性大幅度提高，但增加辐射源的数量同时又使得计算量大幅提升，并且若增加的是无效的辐射源，或者辐射源利用难度较大，则不仅不会提高定位精度，反而浪费系统资源[13]。

因此，必须综合考虑辐射源的组网技术、功率控制方式以及系统具备的其他特点对其进行优化选择。

1.3.2 直达波抑制技术由于是利用第三方的非合作信号对目标进行定位，且外辐射源信号的功率相对比较小，通过目标反射回来的信号功率也就更微弱了。

同时，在目标回波接收通道中还混有从直达通道中泄露进来的强直达波信号，这势必会淹没真正的目标位置信息。

在典型情况下，到达接收机处的直达波信号相对目标回波信号强度高70dB以上[14]，所以，对直达波进行有效抑制，提取出淹没在直达波中的微弱目标反射信号成为了系统的一项关键技术。

针对这个问题，文献[7]提到采用空间电磁屏蔽方法，其主要思想是使接收机避开直达波方向，但实际操作时达到的抑制效果较差，且使得观测范围变小，故实用性不强；更有效也是更常用的方法是利用两个天线分别接收直达波和目标回波，以纯净直达波作为参考信号，采用自适应滤波器来对目标回波通道中混入的直达波进行对消[11]。

1.3.3 多基站信号分离GSM 系统为了提高通信系统的频率利用率，其小区组网时采用的是蜂窝形式，在小区内或小区之间采用一定的频率复用方式。

所以当无源雷达利用GSM 信号作为外辐射源时，除了如上提到的直达波干扰，周边基站发射的信号经过目标反射后进入接收机，也会对目标检测形成干扰[10]。

这其中，邻近基站所产生的干扰最大，所以必须将来自多个基站的信号分离开。

根据网络优化布局的准则，虽然两个基站的BCCH （广播控制信道）和FCCH （频率校正信道）是同步的，但是它们的载频点和基站识别码不同，其载波频率差大于等于 200kHz ，根据此特点，可以考虑在频域利用带宽 200kHz 的带通滤波器将需要的照射源滤出，从而成功达到多基站信号的分离。