CN102819016A - 利用导航雷达信号探测低空目标的被动探测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用导航雷达信号探测低空目标的被动探测系统，涉及无源雷达领域，包括非合作导航雷达、被动接收系统、信号信息处理模块及用于显示定位结果的地理信息模块。本发明还公开了一种利用导航雷达被动定位低空目标的方法，包括步骤：1.被动接收系统对直达信号和目标反射信号的到达角进行测量；2.利用直达脉冲估计导航雷达发射天线从直达路径扫描到目标反射路径的方位角；3.利用信号信息处理模块求得目标反射信号相对直达信号的时延；4.获取上述测量，解由导航雷达、目标和被动接收系统构成的三角形，得到目标的三维坐标；5.在电子地图上给出目标位置。本发明具有探测保持电磁静默的低空目标的能力，能够实现态势监视和预警。

Description

利用导航雷达信号探测低空目标的被动探测系统及方法

一、技术领域

本发明属于无源雷达技术领域，特别涉及海上运动平台利用导航雷达信号对低空目标的被动探测技术。

二、背景技术

在现代战争中，由于电子进攻技术的发展，有源雷达雷达系统正面临着反辐射导弹、隐身飞机等先进武器，以及综合电子干扰、低空突防等作战手段日益严重的威胁。因此要提高雷达的生存能力，充分发挥雷达的效能，必须综合采用各种对抗措施。

在传统有源雷达领域中，提出了许多对抗四大威胁的措施，包括采用特定设计的信号波形实现低截获、提高雷达的机动性防止反辐射导弹的攻击等。然而，由于地球曲率的限制使得有源雷达对超低空飞行的巡航导弹的有效探测距离减小，使预警时间缩短。为实现对低空目标探测而采用的低仰角天线波束配置时，低空目标反射的微弱信号隐藏在地杂波噪声中，很难分辨。而利用多个接收站截获的目标自身辐射源所发射的信号来对目标定位的无源雷达，是对抗反辐射导弹的有效措施。它通过测量目标信号到达各站的时延和到达角参数，确定辐射源及其载体平台(目标)的位置。但是当目标采取无线电静默而不发射信号时，这种无源雷达将失效。

最有前景的对抗措施就是自身不发射电磁信号，而是利用环境中为其他目的而发射的电磁信号在目标上的反射信号，获得目标回波的多普勒频移、到达时差及到达角等，从而实现对目标探测和定位的被动雷达系统。这种体制的雷达可以在目标保持“静默”时，被动接收站仍能对目标进行探测和跟踪。基于电视DTV或调频广播DAB、Wimax和Wifi局域网信号、GSM手机等信号的陆基被动探测系统的研究取得了显著的成果，引起了广泛的关注。其典型代表是美国研制的“沉默哨兵”，其于1998年10月12日在华盛顿展览会上首次亮相。到目前为止，已有许多集中于基于广播电视等信号的陆基被动探测系统问世。然而，相比之下，在外海区域，由于运动平台受可利用信号的限制，尚未见到研究舰载、潜载等海上运动平台的被动探测系统的报道，主要原因是因为在远离海岸几百公里的海域几乎不可能收到广播电视等民用信号。

随着全球海上航运业的发展，国际海事组织IMO规定，为了避免与其他船只及对固定的水面目标相撞，绝大多数舰船都必须配备导航雷达。目前导航雷达已经普及到私人小型船舶上。而在大型货轮上，必须配备多个不同波段的导航雷达。在各海上繁忙的航道和港口，为了航运的安全，也有配有监视海上交通的导航雷达。所有这些平台上的导航雷达辐射源为舰载、潜载等海上运动平台实现被动探测和定位提供了可能。

三、发明内容

1.要解决的技术问题

本发明所要解决的技术问题是：提供一种利用导航雷达信号对巡航导弹、超低空飞机等低空飞行器进行被动探测的系统，其可用于舰载、潜载等海上运动平台对低空或超低空目标的监视和预警。

本发明进一步所要解决的技术问题是：为舰载、潜载等海上运动平台提供一种利用导航雷达信号对低空或超低空目标的定位方法，其可获得目标的三维坐标。

2.技术方案

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术措施：

提供一种利用导航雷达信号探测低空或超低空目标的被动探测系统，包括非合作导航雷达、被动接收系统、信号信息处理模块及用于显示目标定位结果的地理信息模块，其中被动接收系统包括用于提取同步和参考信息的直达波通道以及用于接收监视空域内目标散射信号的侦察通道。

提供一种利用导航雷达信号对低空或超低空目标的定位方法，包括步骤：

1.被动接收系统对导航雷达的直达信号和目标反射信号的到达角进行测量；

2.利用直达波脉冲信号的起伏特性估计导航雷达天线从直达路径扫描到目标散射路径的方位角；

3.信号信息处理模块利用直达波通道截获的导航雷达信号作为参考信号与侦察通道接收的目标反射信号相干处理，获得目标反射信号相对直达波信号的时延；

4.获取上述测量结果，解由导航雷达、目标和被动接收系统构成的双基地三角形，便能得到低空或超低空目标的三维坐标；

5.在电子地图上给出目标位置。

3.有益效果

本发明的有益效果是：本发明的被动探测系统具有探测区域广、定位精度较高、环境适应性较强等优点，能为舰载、潜载等海上运动平台提供远距离被动探测巡航导弹、超低空飞机等低空、超低空飞行器的能力，能为海上运动作战平台提供态势监视和远程预警，极具军事应用价值。

四、附图说明

图1是本发明的被动探测系统示意图。

图2是本发明的系统空间立体几何关系图。

图3是本发明方法的步骤图。

图4是本发明目标回波信号的时延和多普勒频移参数估计的流程图。

图5是本发明具体应用结果的示意图。

图6是本发明具体应用探测到的目标在电子地图上的定位结果。

五、具体实施方式

以下结合说明书附图对本发明作进一步详细描述。

如图1所示，本发明提供一种利用导航雷达信号探测低空目标的被动探测系统，包括非合作导航雷达辐射源、双通道被动接收系统、信号信息处理模块及用于显示目标定位结果的地理信息模块；

其中被动接收系统工作频率调谐到非合作导航雷达的发射频率时，被动接收系统的直达波通道将会检测到沿基线传播到达的非合作导航雷达信号，而其目标侦察通道将截获监视区域内目标反射的同源相干信号，然后双通道被动接收系统截获的信号传输到信号信息处理模块，对接收到直达波信号进行分选和对目标回波信号中的直达波干扰进行抑制，并利用信号信息处理模块对待测目标回波信号的相对时延和多普勒频移进行测量，与此同时利用分选后的直达波信号的起伏特性对发射天线从直达路径扫描到目标散射路径的方位角θt进行估计；然后利用所获取的目标回波信号的到达角、相对时延、多普勒频移、直达波信号的到达角、发射天线方位角θ_t信息进行目标定位，并形成目标航迹；最后利用地理信息模块将目标定位结果和航迹信息显示在电子地图上，形成目标的综合态势图。

如图2所示，本发明还提供一种利用导航雷达信号对低空或超低空目标被动定位的方法，具体实施方式分以下几个步骤：

1.双通道被动接收系统对导航雷达的直达信号和目标反射信号的到达角进行测量；

2.利用直达波脉冲信号的起伏特性估计导航雷达天线从直达路径扫描到目标散射路径的方位角；

3.信号信息处理模块利用直达波通道截获的导航雷达信号作为参考信号与侦察通道接收的目标反射信号进行相干处理，获得目标反射信号相对直达波信号的时延；

4.获取上述测量结果，解由导航雷达、目标和被动接收系统构成的双基地三角形，便能得到低空或超低空目标的三维坐标；

5.在电子地图上给出目标位置。

以下给出利用导航雷达信号对低空或超低空目标被动定位方法的解析过程。

以被动接收系统所在位置为原点，在非合作导航雷达-目标-被动接收系统构成的直角坐标系里计算目标位置，其空间立体几何关系如图3所示。图中，R_t，R_r分别为导航雷达辐射源和被动接收系统到目标的距离，目标高度用H表示。θ_t，φ_t分别表示目标相对导航雷达的方位角和俯仰角；θ_r，φ_r分别为目标相对被动接收系统的方位角和俯仰角；θ_T，θ_R分别为双基地平面上目标相对导航雷达辐射源和被动接收系统的视角。一般情况下，对于本发明系统，目标相对被动接收系统的方位角θ_r和俯仰角φ_r、目标回波相对直达波脉冲的双基地时延τ可以比较准确地获取。假设c为光速，则

R_t+R_r-L＝cτ                                     (1)

因此，目标可定位的前提条件就是θ_t和L二者必须有一个参数是可测的。由于对于本系统而言，非合作导航雷达的位置信息是先验未知的，故L是未知参数。而通过比较导航雷达天线不同波瓣发射的信号，利用其直达脉冲序列的起伏特性可以估计出方位角θ_t。

由图3所示的空间几何关系，利用正弦定理，可得

$\frac{L}{\sin ({\mathrm{\θ}}_r-{\mathrm{\θ}}_t)}=\frac{R_{t\⊥}}{\sin {\mathrm{\θ}}_r}=\frac{R_{r\⊥}}{\sin {\mathrm{\θ}}_t}---\left(2\right)$

其中，下标_⊥表示对应分量在垂直面的投影，又由图3，可知

$R_r=\frac{R_{r\⊥}}{\cos {\mathrm{\φ}}_r}---\left(3\right)$

H＝R_r⊥tanφ_r＝R_rcosφ_rtanφ_r＝R_rsinφ_r                                (4)

$R_{t\⊥}^2+H^2=R_t^2---\left(5\right)$

cosθ_R＝cosφ_rcosθ_r                                                   (6)

$L=\frac{R_r\cos {\mathrm{\φ}}_r}{\sin {\mathrm{\θ}}_t}\sin ({\mathrm{\θ}}_r-{\mathrm{\θ}}_t)---\left(7\right)$

则

$R_{t\⊥}=\frac{R_r\cos {\mathrm{\φ}}_r\sin {\mathrm{\θ}}_r}{\sin {\mathrm{\θ}}_t}---\left(8\right)$

$R_t=\mathrm{c\τ}+\frac{R_r\cos {\mathrm{\φ}}_r}{\sin {\mathrm{\θ}}_t}\sin ({\mathrm{\θ}}_r-{\mathrm{\θ}}_t)-R_r---\left(9\right)$

H＝R_rsinφ_r                                                            (10)

将式(8)、(9)、(10)代入式(5)得

${\left[\frac{R_r\cos {\mathrm{\φ}}_r\sin {\mathrm{\θ}}_r}{\sin {\mathrm{\θ}}_t}\right]}^2+{\left[R_r\sin {\mathrm{\φ}}_r\right]}^2={[\mathrm{c\τ}+\frac{R_r\cos {\mathrm{\φ}}_r}{\sin {\mathrm{\θ}}_t}\sin ({\mathrm{\θ}}_r-{\mathrm{\θ}}_t)-R_r]}^2---\left(11\right)$

解式(11)得目标的斜距为

$R_r=\mathrm{c\τ}\frac{\left\{\right[1-\frac{\cos {\mathrm{\φ}}_r}{\sin {\mathrm{\θ}}_t}\sin ({\mathrm{\θ}}_r-{\mathrm{\θ}}_t)]+\sqrt{{{\sin }^2{\mathrm{\φ}}_r+\left(\frac{{\cos \mathrm{\φ}}_r\sin {\mathrm{\θ}}_r}{\sin {\mathrm{\θ}}_t}\right)}^2}\}}{{[\frac{\cos {\mathrm{\φ}}_r}{\sin {\mathrm{\θ}}_t}\sin ({\mathrm{\θ}}_r-{\mathrm{\θ}}_t)-1]}^2-{\sin }^2{\mathrm{\φ}}_r-{\left(\frac{\cos {\mathrm{\φ}}_r\sin {\mathrm{\θ}}_r}{\sin {\mathrm{\θ}}_t}\right)}^2}---\left(12\right)$

从而，易得目标高度为

$H=\mathrm{c\τ}\frac{\left\{\right[1-\frac{\cos {\mathrm{\φ}}_r}{\sin {\mathrm{\θ}}_t}\sin ({\mathrm{\θ}}_r-{\mathrm{\θ}}_t)]+\sqrt{{{\sin }^2{\mathrm{\φ}}_r+\left(\frac{{\cos \mathrm{\φ}}_r\sin {\mathrm{\θ}}_r}{\sin {\mathrm{\θ}}_t}\right)}^2}\}}{{[\frac{\cos {\mathrm{\φ}}_r}{\sin {\mathrm{\θ}}_t}\sin ({\mathrm{\θ}}_r-{\mathrm{\θ}}_t)-1]}^2-{\sin }^2{\mathrm{\φ}}_r-{\left(\frac{\cos {\mathrm{\φ}}_r\sin {\mathrm{\θ}}_r}{\sin {\mathrm{\θ}}_t}\right)}^2}\sin {\mathrm{\φ}}_r---\left(13\right)$

如图4所示，信号信息处理模块中关于时延和多普勒频移参数估计的流程包括以下步骤：

(1)直达波信号延迟共轭并与目标回波信号作乘积；

(2)利用CIC滤波器对步骤(1)的结果进行抽取，从而降低数据采样率，缩小频率分析范围，并将抽取的结果经低通滤波器进行滤波；

(3)对滤波后的数据作快速傅里叶变换FFT，从而得到在该时延单元的多普勒频移估计；

(4)重复(1)、(2)和(3)过程，然后在互模糊函数平面进行峰值检测，得到目标时延和多普勒频移的最大似然估计。

如图5所示，为本发明的一应用实例，利用一商用客运轮船上的导航雷达发射的频率为9.41GHz的信号，对在监视区域内截获的目标回波相对直达波信号的双基地距离差和多普勒频移估计的结果。

如图6所示，为本发明具体应用，利用被动探测系统得到的目标到达角信息以及目标的双基地距离差和多普勒频移，解算得到的目标相对被动探测系统在电子地图中的距离，最后在距离被动探测系统分别为31.5km、19.7km和70km处均发现了目标。

Claims (6)

1.利用导航雷达信号探测低空目标的被动探测系统，其特征在于：包括非合作导航雷达、被动接收系统、信号信息处理模块和地理信息模块；

其中被动接收系统的工作频率调谐在非合作导航雷达辐射源的发射频率时，高灵敏度的被动接收系统将会检测到沿基线传播到达的直达波信号和经监视区域内目标散射后的目标回波，然后将被动接收系统截获的信号传输到信号信息处理模块，得到导航雷达直达信号与经目标反射的同源信号间的时延和多普勒频移，并利用信号信息处理模块将接收到的目标时延和多普勒频移信息与直达波和目标回波到达角、发射视角参数配对，并解算得到低空或超低空目标的三维坐标、速度、航迹；最后利用地理信息模块保存信号信息处理模块每次解算得到的目标位置信息，并在电子地图上显示对应目标的定位结果和航迹。

2.如权利要求1所述的被动探测系统，其特征在于：所述的导航雷达信号是S，C或X多种频段的信号。

3.如权利要求1所述的被动探测系统，其特征在于：所述的导航雷达为海上交通监视导航雷达，岸基港口监视雷达，商用船载导航雷达。

4.如权利要求1所述的被动探测系统，其特征在于：可以根据系统的监视区域的调整自适应地动态选择所利用的非合作导航雷达。

5.一种利用导航雷达信号探测低空目标的定位方法，包括步骤：1.被动接收系统对导航雷达的直达信号和目标反射信号的到达角进行测量；2.利用直达波脉冲信号的起伏特性估计导航雷达天线从直达路径扫描到目标散射路径的方位角；3.信号信息处理模块利用直达波通道截获的导航雷达信号作为参考信号与侦察通道接收的目标反射信号相干处理，获得目标反射信号相对直达波信号的时延；4.获取上述测量结果，解由非合作导航雷达、目标和被动接收系统构成的双基地三角形，便能得到低空或超低空目标的三维坐标；5.在电子地图上给出目标位置。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于：其同样能够探测空中和海面目标，能够远距离对飞机、导弹、水面舰艇进行定位。

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