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基于数字电视信号的外辐射源雷达系统特性研究摘要摘要：近年来，由于在反隐身技术上所具有的优越性，无源雷达的研究引起了日益广泛的关注基于数字电视广播（DTV）的外辐射源探测系统，因为其抗隐身、反侦察、生存能力强和可靠性高等特点，成为现有探测技术的一种有效补充，备受各国重视对于外辐射源雷达系统而言，选用的机会照射源的信号特性是决定系统性能的关键因素之一本文首先介绍了外辐射源雷达的发展历史与广阔前景，分析了其主要工作原理和特点，然后对外辐射源雷达系统的作用距离计算以及定位方法进行了简单的论述接着分对 DTV 信号特性进行分析，为基于数字电视信号的外辐射源雷达的设计提供重要的基础，并给出了数字电视信号的仿真实现关键词关键词：数字电视信号，外辐射源雷达，直达波，干扰抑制 1. 引言雷达的概念形成于 20 世纪初，是利用微波波段电磁波对目标进行探测的电子设备传统的雷达系统向空中发射信号，信号碰上大型目标后反射回来，雷达再根据返回的信号判断目标的位置由于传统的有源体制雷达向空中发射大功率的电磁波，导致该体制的雷达在抗干扰、抗反辐射导弹、抗低空突防和反隐身的综合“四抗”方面存在着严重不足近年来，国内外的很多机构针对这些问题进行了大量的研究，提出了一种不用发射机发射能量而靠接收温热物体或他源反射的微波能量来探测目标的新型雷达——无源雷达。

依据探测对象的不同，无源雷达可以分为利用被探测目标的自身辐射进行探测和跟踪，以及利用外照射源发射的电磁波进行探测和跟踪的两大类利用外照射源发射电磁波的雷达探测，目标本身不直接辐射电磁能量无源雷达在工作时，通过天线接收来自外部的非协同照射源（第三方）的直射波，以及该外部辐射源照射目标后形成的反射波或散射波，利用其携带的多普勒频移、多站接收信号的时间差和到达角等信息，经处理后提取目标信息并消除无用信息和干扰，从而完成对目标的探测、定位和跟踪可能的非协同照射源包括广播电台、模拟电视台、数字电视台通信台站、直接广播系统（DBS） 、全球定位系统（GPS） 、各种平台上的有源雷达等无源雷达本身并不发射能量，而是被动地接收目标反射的非协同式辐射源的电磁信号，对目标进行跟踪和定位无源雷达系统简单、尺寸小，可以安装在激动平台上、易于部署，订购与维护成本低；不发射照射目标的信号，因此不易被对方感知，一般不存在被干扰的问题；可以昼夜、全天候工作，可连续检测目标；信号源是 40 至 400 兆赫兹的低频电磁波，有利用探测隐身目标和低空目标，不需要频率分配，因此可部署在不能部署常规雷达的地区无源雷达自身不发射信号的特性，在带来有点的同时，也带来了一些缺点。

由于依赖于第三方发射机，照射器无法被控制，在被探测目标保持无线电静默、照射器又不工作的情况下，无源雷达就成了无源之水，不能发挥作用；另外，一些发射机的有效辐射功率较低，易受外部干扰的影响；对发射机与目标、目标与接收机以及接收机与发射机之间信号不受阻挡的要求，也在一定程度上限制了无源雷达的使用具有上述特点的隐蔽目标探测系统引起了国内外的高度重视，已有许多机构先后开始了这方面的研究英、美、德等国在这方面的研究处于世界领先水平美国主要研究基于调频广播信号的目标探测系统；英国主要研究基于电视信号的目标探测系统；而德国主要研究利用发射站来探测目标随着高速数字信号处理方法和器件的产生，雷达领域成熟的信号检测技术和多雷达跟踪处理算法的引入，该领域出现了几套典型的实用化系统1935 年，罗伯特·沃森·瓦特曾进行了著名的“Daventry”试验，在单基地无源系统中利用英国广播公司发射的短波射频，照射 10 千米以外的“海福特”轰炸机在第二次世界大战中也试验过预警无源雷达，如德国的“克莱思·海德堡”(Kleine Heidelberg)系统现在比较著名的基于民用照射源的雷达系统有美国 Lockheed Martin 公司“寂静哨兵’ ’(silent sentry)，它利用广播、电视等非合作照射源，对目标进行定位与跟踪，该系统使用了复杂的并行处理器和算法。

试验证明，它对雷达反射面积为 10 平方米的目标的跟踪距离可达 180 千米，改进后可达220 千米，能同时跟踪 200 个以上目标，分辨间隔为 15 米 “沉默哨兵”可安装在建筑物和固定结构上，也可安装在飞机、卡车及方舱上以便快速部署洛克希德·马丁公司还试验过安装在水面舰艇和潜水艇上的两种系统，它们一般利用沿海地区的数字电视广播系统作为照射源在潜艇上的系统安装在潜望镜上，采用全向天线，提供直升机或海岸侦察机告警目前该公司正在对接收站安装到飞机或无人驾驶飞行器上的构想进行研究1999 年英国防御研究局(DERA)研制的基于电视信号的外辐射源雷达，利用伦敦水晶宫的 BBC 电视发射机进行了基于电视信号的双基地雷达试验，根据目标对电视信号的散射回波随时问变化的多普勒频移及其到达方向对空中目标进行定位，可对离发射机 150 千米、离接收机 260 千米以内的目标进行探测和跟踪法国、澳大利亚等国家也对这种体制的雷达进行了研究20 世纪 70 年代末，国内也展开了相关课题的研究工作，利用实际的调频广播信号进行探测目标的实验在具体的实验中，频率为 184．5 兆赫兹，信号的调制度为 0.3-0.7，发射机的平均功率为 50 瓦，发射天线为五元四八木天线阵，接收天线为二十一元四八木天线阵。

从实验结果可以看出，在直达波强度与目标回波强度之比为 35—40 分贝时，该实验系统发现了距离为 70 公里的目标2000 年起，雷达探测专业组决定将利用商用广播／电视信号来探测定位目标的隐蔽雷达技术立项研究以来，国内有多家单位进行了初步的研究，针对基于外辐射源的雷达体制概念、相干接收的原理和实现方法进行了比较深入的研究，建立了一套初步的原理性的体制实验系统，并进行了实际接收数据的测试和采集 利用广播信号和电视信号对目标进行无源定位和跟踪是近些年来国内外比较热门的研究课题之一，但由于这种雷达体制采用民用非协作照射源，完全工作在被动接收模式，因此系统工程的实现还面临着许多问题其实现的关键问题主要包括：首先，外辐射源雷达主天线所接收到的直达波大大的强于目标回波，严重的直达波干扰带来的问题是系统接收机动态范围要求很高，并同时使得后续信号检测和参数估计变得更加困难；其次，主天线接收信道中，各种地物散射杂波和多径干扰严重；并且，信号参数的测量(估计)精度主要由信噪比(SNR)以及信号波形等因素决定，调频广播信号和电视信号由于设计的不同特点，使得其在进行参数测量时具有不同的特性，在某些方面测量精度受限；庞大的计算量也是系统面临的一个不容忽视的问题。

此处增加数字电视信号的优势在实测数据分析和处理的基础上，对影响该系统的关键技术进行了研究，并得到了初步的实验结果及结论由于新的对抗形势对雷达系统的生存能力、反隐身能力、抗低空突防能力等需求日趋强烈，而该项技术在被动雷达系统方面有共同性，因此它的发展将对被动雷达技术起到相当的推动作用[1]2． 基于电视信号的外辐射源雷达系统双基地雷达与普通雷达系统相比，具有隐蔽性好、战场生存能力强等优点，而且无需占用紧张的频谱资源，可以利用民用的各种信号源照射雷达目前研究中的民用照射源有电视信号、调频广播信号等，电视台发射功率较大，可达兆瓦级，并且电视信号的覆盖范围广，所以应用电视信号作为照射源具有明显优势电视信号有着规则的同步脉冲，而且在传输特定的图像(如彩条、黑白条信号)时，信号波形是重复的有规律的脉冲信号从频域上看，经调制的电视信号具有较强的载频分量根据这两个特点，可以分别将电视信号作为脉冲和连续波雷达的信号，并采取不同的处理方法获取目标的信息图 1 系统工作示意图如图 1 所示，为基于外辐射源雷达的系统工作示意图，物体 A 为雷达接收站，物体 B 为外辐射源信号的发射台，T 为运动目标，R1 为发射台的散射信号，R2 也为 R1 照射到运动目标 T 后的目标回波信号，R 为发射站直接发往接收站的直达波信号。

从此图可以看出，雷达接收站既接收到了来自外辐射源发射台的直达波信号，又接收到了有运动目标反射回来的目标回波信号雷达接收站通过接收到的目标回波信号，经过一系列具体的处理，得到运动目标的距离、角度以及运动速度，从而实现了雷达的功能特性如果将电视机进行改动，去掉图像和声音信号的处理，加入雷达的测距、测角和测速原理，则电视接收机就成为一部雷达接收机了基于电视信号的外辐射源雷达具有一些显著的优点[2]，如雷达工作频率低(45~850MHz)，对器件及制造工艺要求不高，易于实现；由于工作在民用频段内，易于隐藏自己；不需要额外的发射装备，可以利用电视发射台的现有设备；利用卫星转发和电视中继站的转发功能可以实现大面积的覆盖，抗干扰能力强、便于实现雷达组网因此，在未来的发展中具有广泛的前景雷达的工作原理，是设备的发射机通过天线把电磁波能量射向空间某一方向，处在此方向上的物体反射碰到的电磁波；雷达天线接收此反射波，送至接收设备进行处理，提取有关该物体的某些信息(目标物体至雷达的距离，距离变化率或径向速度、方位、高度等)雷达的最基本任务是探测目标并测量其坐标因此，作用距离是雷达的重要性能指标之一，它决定了雷达能在多大的距离上发现目标。

作用距离的大小取决于雷达本身的性能，其中有发射机、接收系统、天线等分机的参数，同时又和目标的性质及环境因素有关对雷达作用距离的研究工作是很有价值的，它能表示出当雷达参数或环境特性变化时相对距离变化的规律双基地雷达是发射机和接收机分置不同位置的雷达收发之间的距离较远，其值可和雷达的探测距离相比双基地雷达方程可以用和单基地雷达方程相同的办法推导假设目标距离发射机的距离为，目标经发射功率照射后在接收tR机方向上也将产生散射功率，其散射功率的大小由双基地雷达截面积来决定，如果目标离接收站的距离为，则可得到双基地雷达方程为rR（1）式中，，分别为发收天线的方向图传播因子，它主要考虑反射面多径效应tFrF产生的干涉效应当无多径效应时，根据雷达检测目标质量的要求，1rtFF可确定所需要的最小信噪比，这样就可以得到最小可检测信号（2）当 M 个等幅脉冲相参积累后可将信噪功率比提高为原来的 M 倍，降低到 1／M，即)(0MD（3）结合（1） （2） （3） ，可得（4）其中，为电视雷达最大作用距离；为电视台发射的峰值功率；max2)(rtRRtP为电视台发射天线增益；为接收天线的增益；见为电视信号的波长；tGrG为目标的雷达反射截面积；M 为信处增益；D 为检测因子；为电视雷达系bsL统总损耗，包含馈线接收损耗、大气传播损耗及信处积累损失等。

在所有参数的具体取值确定的情况下，可以看出，电视雷达的最大作用距离也是确定的已知接收机匹配带宽(全电视信号)和接收机噪声系数分别为则接收机的临界灵敏度为2．4 外辐射源雷达系统定位方法在接收站 A 利用一个天线来接收直达波信号，利用另一个天线来接收目标回波信号，则根据直达波与目标反射信号的比较，可以得到接收站 A 接收的发射站 T 的直射信号和经过目标反射回来的反射信号之间的时间延迟为利用目标反射信号接收天线的方向性，还可以得到运动目标的方位信息图 2 雷达系统的位置示意图如图 2 所示，设接收站 A 与发射台 B 间的距离为基线长度 L，接收站 A 到运动目标 T 的距离为， ，发射台 B 到运动目标 T 的距离为，运动目标 T 与rRtR接收站 A 的连线与基线 L 的夹角为则根据该图，我们可以得到式(5)、式(6)的函数关系，其中，c 为光速5）（6）由式(5)、式(6)，可以推导出运动目标到雷达基站的距离：（7）运动目标 T 的位置坐标为(x,y)，设接收站 A 的位置坐标为(-L/2，0)，发射坐标为(L/2，0)，则由式(6)可以得到下列关于位置坐标(x,y)方程：(8)由式(8)可以看出，当固定时，运动目标 T 的位置坐标(x,y)是一个以接收站 A和发射台。