0 引 言
双基地雷达是基于常见的单基地雷达所提出的。在雷达布站方式上，单基地雷达一般是收发共址，即接收站和发射站位于同一位置；而双基地雷达则是收发异址。非合作双基地雷达是一种特殊的双基地雷达，又称无源双基地雷达［1］，是一种利用现有信号（例如广播、通信等第三方非雷达信号，以及合作/非合作雷达信号等），通过探测目标反射的回波信号从而实现目标探测的雷达系统。
早在1922 年，美国海军实验室就设计出一套发射和接收分离的雷达装置。在1940 年，由于大功率脉冲磁控管的出现，双基地雷达的发展出现了短暂的停顿。到了70 年代，双基地雷达因其具有的“四抗”优势再一次被广泛应用，俄罗斯、法国、德国、日本、瑞典等国家也都开始对相关方向展开研究［2-3］。与国外相比，我国在相关领域的研究起步较晚，但近年来也取得了一系列成果，其中，海军航空工程学院对基于非合作雷达辐射信号的无源雷达开展了研究［4-5］、中国电科38 所对基于商业广播信号的外辐射源雷达开展了研究［6］等。随着我国自主研发的北斗导航系统进入全球组网阶段，北京理工大学等多所大学相继开展了一系列无源雷达系统的研制工作［7］。除此之外，中国科学院电子所、西安电子科技大学等相关科研团队也针对非合作式双基地雷达领域进行了一系列的工作［8-9］。双基地雷达因其独特的工作机理，与常规单基地雷达相比具有抗电子侦察［10］、抗超低空突防［11］、抗隐身目标［12］、抗反辐射导弹［13］和绿色节能［14-17］等优势。
因此，双基地雷达将成为未来战场目标探测定位的重要发展方向之一，然而现有文献中对非合作双基地的实践验证较少。针对上述问题，本文从双基地雷达关键技术出发，探索合作式和非合作式双基地雷达同步技术的异同，推导非合作式双基地雷达目标定位的理论方法，进一步重点介绍非合作双基地雷达系统设计，实现雷达系统的空间同步和时频同步，构建平台获取实测数据，开展非合作双基地体制演示验证。
1 双基地雷达关键技术
1.1 同步问题
双基地雷达与常规单基地雷达相比共性多于个性，绝大多数单基地雷达的理论和技术都可用于双基地雷达；但双基地雷达由于其系统构成和几何配置上的复杂性，所涉及的技术有其复杂性和特殊性，而同步问题是最主要的关键问题之一，同步问题包括3 个方面，即时间同步、空间同步和相位同步。
（1）时间同步
时间同步［18］是最基础、最重要的同步，是双基地空间同步和相位同步的基础，接收机仅能在时间同步条件下获取到发射脉冲的触发时刻，才能实现雷达的后端数据处理和目标跟踪能力。双基地雷达时间同步是指统一发射与接收之间的时间标准，从而进行目标距离的测量以及各部分的协调工作［1］。通常情况下，双基地雷达的时间同步精度为发射信号脉压后时宽的几分之一量级。
当前，时间同步方法包括直接法、间接法和独立式法［19］。直接法是利用通信信道将发射机同步信号直接传送到接收机，接收机收到同步信号后经过解析处理实现时间同步［20］；间接法是在发射和接收端各自设置具备高稳定度性能的时钟，如氢/铷原子钟，通过定期校准基准时钟实现双基地时间同步；独立式法则是利用辅助通道接收发射机辐射的直达波信号，进而提取同步信息。业内最常用的是间接法，间接法的精度取决于所选用时钟的精度和两地时钟之间的校准精度与周期。
时钟同步校准信号的传输可分为有线和无线两大类：光纤作为常用的有线传输手段，其通信容量大、码元速率高、安全保密性好，但无法支持机动部署；微波、激光、卫星传递等无线同步方法应运而生，但也各有优缺点，微波传输频带宽、传输信息容量大、抗灾抗扰能力强，但直线传输限制多，大多需要中继站辅助；激光传输通信容量大，轻便经济，但易受障碍物和气候环境的影响；卫星通信覆盖范围广，几乎不受视距影响，但空间运行轨道易被敌方窃收、干扰甚至摧毁。同步手段的选择应根据具体场景选定［1］。
（2）空间同步
双基地雷达因其分布式发射和接收的特征，要求空间中目标接收并散射电磁波后，电磁波能够通过空间传输被接收站捕获，这就是空间同步［21］。双基地雷达系统的波束扫描设计是解决空间同步问题的核心。
目前，在双基地雷达中有几种常用的同步扫描方式［22］：
1）发射机窄波束扫描，接收机宽波束泛光照射；
2）发射机窄波束扫描，接收机多波束接收；
3）发射机宽波束泛光照射，接收机窄波束扫描；
4）发射机宽波束泛光照射，接收机多波束接收；
5）发射机窄波束和接收机窄波束同步扫描。
双基地雷达的波束扫描与传统单基地雷达相比存在一定区别，首先是杂波干扰大，扫描时发射天线副瓣和接收天线主瓣、发射天线主瓣和接收天线副瓣相交就会产生较强干扰；其次是同步波束调度算法复杂，单基地雷达传统的匀速扫描方法将不再适用；此外目标数据率和探测效率受限，系统只能探测收、发波束交叠区域内的目标，难以全部利用发射功率和收、发天线的增益。
（3）相位同步
信号相关性是雷达探测的前提，双基地雷达发射、接收之间同样需要工作在相同频率上，而当发射频率捷变时，接收机本振也需相应变化［23］。双基地雷达的相位同步是指发射、接收之间的相位相参性，确保雷达信号的脉冲压缩和动目标检测。
实现相位同步的方法与实现时间同步的方法类似，主要的方法有直接法、间接法和独立式法三种。直接法，顾名思义是将发射频率基准信号等通过可用信道直接传递到接收端［24］；间接法则是设定中间手段，如原子钟，并通过校准两地原子钟从而提供频率和相位基准信号；独立式法是指接收机直接从发射直达波或地物散射波信号中提取相位同步信息［23，25］。
1.2 合作式/非合作式双基地雷达
近年来，基于异构平台的大基线双多基地雷达迅速发展，按双基地雷达辐射源特性又可将其分为合作式和非合作式两类，其中非合作辐射源也被称为机会辐射源，此两类系统同步方式也有所不同［1，13］。
合作式双基地雷达由发射站产生雷达信号，经射频放大后由发射天线辐射出去，同时通过直接路径将雷达参考信号和其他辅助数据传送到接收站，建立起时间、相位以及空间同步关系，由主控设备产生控制时序，系统接收站按照时序形成同时多波束或宽波束接收目标散射信号。
非合作式双/多基地雷达系统间无统一的主控设备参与，发射脉冲不受接收站控制。接收站通过接收并测量解析直接路径与散射路径信号的多普勒频移差异，估算出目标双基地多普勒频移值，系统将经过时间延迟处理的直接路径信号与散射路径信号时域对齐后进行信号相关处理，进而完成积累检测。
时间和频率同步是双多基地工作的重点，核心是获取辐射源何时发出、发出频率是多少的问题，这样系统才可以避免混频时载频误差给系统脉冲间相干积累带来的问题，同时利用回波和直达波的时延关系并结合辐射源位置的先验信息，解出目标位置［1］。
1.3 非合作式双基地雷达目标定位
如图1所示为双基地定位原理图，辐射源Tx和接收站Rx 的距离L 已知，设辐射源Tx 到目标Tg 的距离为Rt，接收站Rx 到目标Tg 的距离为Rr，对于非合作式双/多基地雷达，通过直接路径信号的时间延迟与散射路径信号时域对齐后进行相关检测获得的时间差Δt，已知电磁波以光速C 传播，则可计算得到直接路径和散射路径的距离差
图1 双基地定位原理图
其中L已知，则可计算得到
可见，辐射源和接收站间距一定，Rr + Rt 为常数，则目标Tg 的运动轨迹可看作是一个椭圆体，进一步结合波束指向获取交点。
定义波束指向的俯仰角θr 为波束指向和Z 轴正方向的夹角，方位角φr 为波束指向在XOY 平面的投影和X 轴正方向的夹角，辐射源、接收站和目标构成的平面如图1 中椭圆体上的蓝色椭圆截面所示，则在该平面上，波束指向和两站连线的夹角ωr可求解为
进而，目标位置距离可求解如下：
联立式（4）和式（5），则可解算得到Rr 和Rt，则目标被定位成功。
2 非合作双基地雷达系统设计
通过对合作和非合作双基地探测系统同步问题的分析，常规双基地雷达一般采用直接同步法或间接同步法实现两者间的时间频率同步［1，5］。然而非合作双基地探测系统的发射源和接收站之间无法建立同步链路，无法采用常规的直接同步法和间接同步法，而是在接收端设计一个类似侦察接收系统的辅助接收通道，用来截获发射源的直达波信号，解析并完成相关同步过程。
在非合作双基地雷达系统设计时，可利用数字阵列体制的优势，采用同时多波束覆盖探测空域，在保证本雷达定向工作的同时，接收电扫范围内目标对其他雷达多频散射的原始回波数据，射频数字采样，数字域分离各频点数据，形成同时多波束、进行信号级积累处理覆盖探测空域。
非合作式双基地探测模式下，考虑到双基地试验场景下对直达波侦获波形的不同需求，雷达采用主阵面高增益截获结合侦察通道全方位截获的方式，侦收雷达、二/三代雷达等同频段雷达的直达波信号，并通过截获与本地信号重构结合形成同步脉冲压缩匹配信号。对工作频带范围信号宽带采样，信道化侦察、截获，通过脉冲参数测量、分选，结合先验波形库信息建立该雷达的波形数据库，对信号工作频率、带宽、脉宽、到达时间、重复周期等参数实时测量，分辨常用的工作波形，并标记出搜索波形、高重频跟踪信号、近程补盲脉冲等特殊信号形式。在无任何先验数据库支持时，采用初始多个脉冲连续测量、判别，脉冲描述字（PDW）参数实时引导主设备，在下一个脉冲到达前完成数字接收机频点滤波切换和参数调整。其探测原理图如图2所示。
图2 非合作双基地探测原理图
由于收发是非合作工作方式，无需像常规双多基地雷达体制那样通过时统设备实现发射与接收间的时频同步，而是利用侦察接收系统对脉冲到达时间、重复周期和载频等参数进行测量，实现时间频率同步［4］。图3 给出了雷达非合作双基地的工作流程框图。
图3 非合作双基地雷达工作流程
3 试验验证与分析
3.1 仿真场景设置
本节设计雷达协同探测试验，旨在验证非合作双基地技术体制的可行性，同时通过数据后处理掌握该技术体制下目标探测定位方法。在本文仿真中，参考发射站和接收站位置已知，测量目标回波相对直达波时延，解析目标到发射源Rt和接收站Rr的距离和值，构成等距离和值椭圆曲线，结合接收波束指向角获取交点，便可获得对目标的定位。在直达波和目标散射回波受杂波和噪声的干扰较为严重时，通过互相关杂波处理技术来提高时延的测量精度。
进一步设计试验场景，验证基于目标散射信号的非合作双基地探测定位技术。如图4所示，试验利用雷达1作为辐射源，采用脉冲技术体制，雷达2运行于纯接收工作模式，探测城市机场附近民航目标。两部雷达相距170 km，其间无任何物理链路。
图4 非合作双基地技术可行性试验场景图
对指定航班，雷达1跟踪目标数据率10 Hz，脉冲重复周期设置为5 ms，脉宽设置为1 ms，试验选取正线性调频信号，信号带宽为5 MHz。雷达2 工作在纯接收模式，侦收解析雷达1脉冲参数和信号类型。试验共采集了机场附近两个航道方向共三组航班数据，分别为东西航向CCA1677、西南航向CXA8068和CSN3964，如图4所示。
3.2 雷达协同试验数据分析
按时间序列获取探测目标回波，图5 给出了CXA8068 目标脉压前原始信号实部和虚部数据，图6、图7是脉压后幅度数据，由于试验雷达功率孔径积及民航目标RCS 均较大，散射回波强，三组目标信噪比超过50 dB，脉压副瓣明显。在脉压后的数据中，目标回波信号滞后于直达波信号，直达波信号由于受到地物杂波和多径影响，距离宽度较宽且杂波较多，容易与回波信号区分。采用脉冲体制的协同探测，直达波信号不容易对目标回波造成干扰，通过合理的雷达试验及波形设计，可以避免距离模糊的影响。
图5 脉压前原始数据图（CXA8068）
图6 脉压后幅度数据图（CXA8068）
图7 直达波、目标脉压结果放大图（CXA8068）
雷达2采用接收数字阵列合成，通过优化恒虚警门限，减小杂波和脉压副瓣对信号检测的影响。提取直达波和目标回波的特征参数，如延迟时间、和差波束等，解析两者路径差、接收方位、俯仰等信息。由于试验双站基线已知，通过解三角形可计算目标相对雷达2 的距离。则三组航班实测数据经处理得到的目标运动航迹如图8所示，雷达探测误差如图9、图10 和图11 所示。进一步以ADSB 数据作为基准，分析雷达探测数据精度，如表1所示。试验数据表明，基于目标散射信号的非合作双基地雷达定位技术可行；其中距离探测精度优于80 m，角度探测精度优于0.12°（随机误差，波束宽度的1/15）。
表1 雷达测量数据与ADS-B数据随机误差对比
目标航班号CSN3964 CXA8068 CCA1677距离随机误差/m 57.66 52.55 77.73方位随机误差/（°）0.03 0.03 0.03仰角随机误差/（°）0.02 0.01 0.11
图8 雷达探测航迹界面
图9 CSN3964航班雷达探测误差分析
图10 CXA8068航班雷达探测误差分析
图11 CCA1677航班雷达探测误差分析
4 结束语
本文针对非合作式双基地雷达进行了系统设计，对其工作原理和目标探测方法作了详尽阐述。通过多波束覆盖探测空域实现空间同步，利用侦察接收系统参数测量实现时间频率同步，提取直达波和散射波的路径差，最终实现目标定位。本文方法验证了非合作双基地雷达系统设计的有效性，避免了发射端和接收端的复杂时频同步，保障了目标探测的精准度。下一阶段将针对低信噪比下通过互相关杂波处理技术来提高时延的测量精度开展进一步的研究。
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