1 引言

現代戰爭中，以千里眼著稱的雷達所起的作用越來越重要，因此也成為了敵方攻擊的首選目標，雷達的抗打擊能力成為了評估雷達的重要指標。F-117A的出現，對雷達在反隱身能力方面也提出了新的挑戰，隨著美軍F－117A的隕落，使得“塔碼拉”[i]無源雷達名噪一時。

無源雷達本身不發射電磁波，而是利用空中目標自身向外輻射或已有的其他非合作輻射源作為目標的照射源。測得目標回波的多普勒頻移、到達時差及到達角等，經處理后實現目標的探測和跟蹤。

近年來，國內外媒體先后報道了美國新型研制的無源雷達“沉默哨兵”[ii](Silent Sentry)受到了廣泛關注，該無源雷達為雙(多) 基地雷達的非合作形式。非合作式多采用電視、廣播、手機、GNSS（Global Navigation Satellite System）等民用輻射源。GNSS稱之為全球導航衛星系統，包括GPS （Global Position System）、伽利略、格拉納斯、北斗等衛星導航系統。民用輻射源具有工作頻率低、 覆蓋范圍廣、 且低空無盲區(極小盲區)、 發射功率大等主要特點， 其散射信號曾被視為有害的干擾噪聲而加以抑制，如今直接利用這些干擾信號將發揮其特殊的效能，以探測海浪、風場及空中目標。

2 無源雷達的發展

無源雷達的發展從時間上可大體分為三個階段。

2.1 早期的無源雷達

其實無源雷達并不是新概念，它的歷史幾乎與雷達技術本身一樣悠久。他脫胎于無線電傳播試驗的早期探測階段，雷達是在無線電通信和電波傳播實驗基礎上誕生的。二戰以前, 最先在美、英等國從無線電傳播的試驗中開始了收發分置的雷達裝備研究。1922年在美國, 第一次通過無線電波探測目標是由美國海軍研究實驗室(NRL) Taylor博士和其助手Young 在進行60MHz 的傳播實驗時實現的, 他們采用類似于現在的雙基地連續波雷達的設備探測到正在河中航行的木制船。1930 年NRL 的Hyndland 等人偶然探測到3. 2km 外的飛機。隨后他們又進行了多次探測飛機和輪船的試驗, 到了1932 年,Taylor, Young 和Hyndland 使用雙基地雷達探測到80km 外的飛機[iii]。1935 年, 以英國的Arnold Wilkins 為首的研究小組進行了著名的Daventry 試驗。他們利用位于Daventry 的BBC 電臺的短波發射機, 用一部裝在運輸車上的接收機,探測到12km 之外的一架Heyford 轟炸機。同一時期前蘇聯、意大利、日本也都試驗了雙基地雷達1936 年天線收發轉換開關由NRL 發明之后, 人們的注意力轉向單基地雷達, 在后來的40 年里, 基于無線電通信的雙基地雷達領域的研究很少為人所關注。人們根本沒有想到七十年后的今天這種古老的雷達體制會煥發青春。

2.2 中期的無源雷達

從二戰到上世紀八十年代是以信號時域處理為主要特征的中期研究階段, 雙（多）基地無源雷達系統的研究由于單基地雷達的發展而受到了限制。其中Skolnik[iv] [v]提出采用“作為時間函數的多普勒頻移變量( The variation of Doppler frequency as a function of time) ”對目標實施跟蹤是可能的[vi]。這為后來利用多普勒頻移實施目標跟蹤的無源雷達系統的研究開辟了理論途徑。

1974 年Marko Afendykiw 等人的專利“雙基地無源雷達”[vii]利用調頻電臺來測定目標位置。在70 年代初期, 美國麻省理工學院林肯實驗室研究了以電視信號為照射源的目標散射雙基地模型, 日本也于70 年代中期進行了飛行器散射電視信號的計算機仿真, 并利用逆合成孔徑技術對電視照射的飛行器進行了定位測量。這一時期研究主要集中在電視和FM 廣播的直射和散射信號的相干時域處理, 獲取時間延遲和目標散射信號到達角。

倫敦大學在非合作發射雙多基地雷達研究中做了很多工作。1992 年前后,人們又轉向利用衛星直接傳播電視信號(DBSTV ) 的研究, 并采用一種復雜的相關技術，使接收機的性能得到了很大提高。

2.3 近期的無源雷達

新一代系統出現與技術的全面發展階段是在1994 年法國召開的國際雷達年會上, 基于電視發射的雙多基地雷達系統的文章標志著基于非合作發射的無源雷達系統的研究進入一個全面發展的嶄新階段。隨著高速數字信號處理方法和器件的產生, 雷達領域成熟的信號檢測技術和多雷達跟蹤處理算法的引入, 此領域中出現了幾套典型的實用化系統。尤其是被動跟蹤及數據融合理論的運用為這一古老的雷達體制注入無限生機。

2.31 法國基于電視的多基地雷達系統的研究

法國ONERA 的Poullin 和Lesturgie描述的系統采用兩副有向天線, 分別接收直達信號和散射信號, 兩信號經兩通道下變頻到基帶, 數字化并經FFT 形成視頻載波頻譜, 兩路頻譜相減以消除頻譜中不需要的場頻信息, 剩下的僅僅是警戒區目標的多普勒頻移回波。另外法國的Carrara 和Tourtier開展了利用高清晰度電視系統中的頻率分集多元數字波形的研究。

2.32 英國基于電視的單接收機無源雷達系統研究

英國國防研究機構的How land 在Radar -IC94 上發表了他的首篇基于電視的無源雷達系統的研究。研究了利用單個電視發射臺和單個接收機, 通過測量多普勒頻移和DOA 的目標定位問題。系統沒有任何定時測量, 因此不要求接收機和電視發射機同步, 而假定電視載波頻率已知且穩定。

由于采用方位和多普勒信息跟蹤的特殊性, 跟蹤系統要求兩個不同的跟蹤部分: 第一部分使用卡爾曼濾波器, 用傳統方法關聯多普勒和方位點跡。第二部分使用擴展卡爾曼濾波器, 從多普勒和方位信息估計目標的位置與速度。

2.33 美國無源雷達系統的研究

華盛頓大學遙感研究小組John D.Sahr 等人研究了用于探測電離層等離子體波動的MRR (Manastash Ridge radar) 多基地被動探測系統。該系統利用民用FM 廣播作為信號源, 采用兩個接收站(實為一三基地系統) , 一個為參考接收站,接收直接照射的廣播信號, 另一個接收站由Cascade 山擋住直射廣播信號, 用以接收目標的散射信號。使用GPS 實現兩接收站之間的時間和頻率同步,系統曾成功地探測到240km 處的飛機。

真正達到實用化、商業化的基于電視和FM 廣播的非合作式雙基地雷達系統是由美國的Lockheed Martin 公司完成的。該公司從1983 年起開始研究,于1998 年研制出“沉默哨兵”(Silent Sentry) 系統, 并進行驗證性試驗。對一個散射面積為10平方米的目標, 系統的探測距離達180km , 并將擴展到220km。公司還將進一步提高系統性能, 使系統分辨力達到15m ,能跟蹤200 批目標, 且具有目標識別能力。

2.34　捷克的無源雷達

60年代生產的“科帕奇”雷達,主要為針對美國“斗牛士”等巡航導彈,是反隱形雷達第一代,當年華約部隊經過試用后,相當滿意,要求繼續研究,把雷達升級。結果在70年代推出了第二代產品“拉莫那”, 80 年代推出第三代“塔馬拉”無源雷達探測系統(于1983年問世) 。1999年新一代的“維拉-E”正式登場，系統可以接收從空中、地面和海上雷達來的發射信號,從干擾機、二次雷達( SSR)信標、TACAN /DME、敵我識別詢問機和應答機、數傳以及其他脈沖輻射源來的各種類型的信號。能夠探測到目標發出的哪怕是微弱、短暫的電磁信號,即刻讓目標在雷達屏幕上原形畢露。除了執行電子情報任務外，維拉雷達系統是防空系統中最為有效的無源監視傳感器[viii]。

當前，有很多國家熱衷于無源技術的應用研究。美國洛克希德·馬丁公司是最先涉足該領域的公司之一，據稱依靠電視和無線發射機，其無源系統的探測距離達到220千米以上。美國國防部國防高級研究計劃局以及華盛頓大學、喬治亞技術大學等高校和雷神等公司，都開展了這一領域的研究。在歐洲，法國也進行了相應的技術研究工作、意大利演示了樣機系統、英國正在研究無源相干雷達和“蜂窩’雷達(Cellular)，俄羅斯和捷克也在進行類似研究。E. Graig Thompson 在1989 年美國IEEE 國家雷達會議上的文章《雙基地雷達非協同照射器的同步技術》中透露美國研究了利用預警機E23A(AWACS 系統) 和聯合監視目標攻擊雷達系統(J2STARS) 作為非協同照射源,然后利用無源接收器來發現和檢測飛行目標[ix]。

2008年在北京舉行的第六屆中國國際國防電子展覽會上,中國電子科技集團公司第14研究所推出了類似于捷克"維拉"的YLC-20雙站無源測向和定位雷達，該雷達工作范圍在0.38-12GHz，特點是隱蔽性好，探測距離遠，信號適應能力強，抗干擾能力強，定位精度高，可通過自身數據庫實現對目標平臺的識別。系統采用車載運輸方式，可在1小時內完成轉移。

3  基于GNSS信號源的無源雷達

3.1 非合作可用信號源

空間存在的某種電磁能量是否可以用作照射源,首先需要考慮的是該電磁能量的波長,電磁信號的波段直接決定了系統的實現難度和性能特征[x]。工作于高頻(HF)以下頻段的輻射源,因天線尺寸太大,接收站的隱蔽性和機動性均較差,角定位精度也不易提高；工作于毫米波以上頻段的輻射源,如激光雷達,因照射波束過于狹窄,波束掃描方式復雜,致使非合作體制下的空間同步問題難于解決。

除了波長因素以外,電磁信號是否適合用作機會照射源的另外兩個關鍵因素是輻射源可用性及輻射功率和輻射源信號的波形特征。輻射源的可用性主要取決于其分布情況、覆蓋范圍以及照射源的工作時間及功率。其中AM廣播、FM廣播、數字音頻廣播(DAB ) 、地面模擬電視、數字電視及GSM移動通信信號單站覆蓋半徑在幾千米到上百千米,在全球范圍內廣泛分布,一般同一地區有多個臺/站的輻射信號,為照射源的優化選擇提供了極大的方便。而導航衛星、通信衛星、電視直播衛星等星基照射源數量雖然相對較少,但由于其遠離地面,單星的覆蓋半徑可達幾千千米。特別是對通信衛星和電視直播衛星而言,同一顆衛星上包含多個轉發器、多個頻道,因此也使得系統具有很大的選擇余地。照射源信號波形特征,與一般雷達系統一樣,照射源信號波形是否適合主要體現在距離和速度分辨率、距離和速度旁瓣電平、距離和速度模糊性。而這些特征完全體現在信號的模糊函數特征上。

GNSS不僅可利用目前24顆GPS衛星信號，還有后續更多的信號源為保障，后續可用信號源包括Galileo（27顆）、GLONASS(24顆)、中國##-2（24顆），以及日本、印度也將研制各自的導航系統，使將來可用衛星將達到數百顆。美國也將進一步增強ＧＰＳ的發射功率，這將有利于實現低成本、大范圍、高時空分辨率微波數據采集和應用。GNSS不僅有較豐富的信號源，而且在解決時間、空間及相位“三大同步”方面也具有獨特的優勢。

3.2 GPS導航系統

由于目前運行最廣泛的是美國的GPS系統，所以我們以此為基礎進行研究分析，可擴展到其他GNSS上。衛星信號的發射、接收不在同一地點，所以在雙（多）基地雷達中需要解決收發之間的空間、時間和相位的“三大同步”難題[xi]，而利用全球導航定位系統（GNSS）則可以使問題得以巧妙、有效地解決[xii]，與其他非合作信號相比具有獨特的優勢。GPS自身帶有精確的時間系統可以解決時間同步，泛光發射、接收天線使空間得以同步，相位則可通過信號的相關得知[xiii]。

1995年在雷達國際會議上，Volker Koch等人提出了利用GPS進行被動定位的方法[xiv]，原理還是利用雙基地雷達的模式，單顆衛星、目標，再加上地面接收機剛好組成一個雙基地雷達，多顆衛星可以組成雙基地雷達網。在國內也有一些關于利用GPS衛星來進行無源定位的報道[xv]。

3.3 定位原理

雷達要解決的主要任務是探測目標，并測量其運動參數。在許多情況下，對雷達信息進行專門分析可以實現雷達目標的識別，特別是對飛行器的識別，這些問題都可以歸結為雷達目標散射電磁場的某些特性。因此，從信息角度來說，雷達是一種可以計量的信息系統[xvi]。定量描述目標雷達特征的參量是目標對入射雷達波呈現的有效散射面積，即雷達截面積 。雷達截面積是一個十分復雜的物理量，它既與目標的幾何參數和物理參數有關，例如目標的尺寸、形狀、材料和結構等，又與入射雷達波的參數有關，如頻率、極化、波形和結構等，同時還與目標相對于雷達的姿態角有關。雙基地雷達的截面積還與由入射射線和散射射線構成的雙站角有關[xvii]。計算一個目標的RCS，實際上是解由麥克斯韋方程組所限定的邊界值問題。然而，這種描述是較為簡單的情況，對復雜形狀的嚴格形式解是非常有限的，并不能滿意地代表其真實情況[xviii]。

GPS衛星所發射的為圓極化波，在應用方面具有兩個重要特性，一是當圓極化波入射到對稱目標（如平面、球面等）上時，反射波將變成反旋向的波；二是確定的圓極化波天線，只能接收與其極化特性相一致的圓極化波（圓極化天線的正交性）。對于飛機、艦船、坦克等目標，不是簡單的對稱體，其反射波一般為橢圓極化波，其中既有與發射波同旋向的成分，也有反旋方向的極化成分[xix]。

接收機的位置為 ，衛星的位置為 i= 1，2，3，目標位置為 。 為衛星到接收機的距離， 為衛星到目標的距離， 為目標到接收機的距離， 為直達信號與散射信號時間差所走過的距離，如圖1。

圖1  無源雷達探測空中目標示意圖

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其中c為光速， 為直達信號與散射信號到達接收機的時間差。由于偽隨機碼具有良好的自相關性，我們可以通過GPS定位原理可以計算出接收機自身的位置及 的距離，

 （３）

通過三個衛星則可以求解出目標的位置 [xx]，四顆以上衛星則可以利用最小二乘法得到更精確的位置。

4 國內外發展現狀

4.1 國外進展

自1994年國外學者發現并開始利用目標所散射的GPS（全球定位系統）衛星信號來實現遙感后，歐、美、日等發達國家和地區都率先展開了GNSS散射信號的研究。1997 年美國有人研究了GPS 海洋反射信號的檢測原理和實驗,2000 年起研究了用GPS 信號照射海洋表面的風速和風向問題。2002 年, 澳大利亞Li Yong-Hong 等人提出利用GPS 信號對地面成像的一些設想 。

目前，美國NASA、Colorado大學、霍普金斯大學、法國空間技術實驗室、英國薩瑞大學、日本東京大學、澳大利亞新南威爾士大學等都對導航衛星的反射信號進行了深入細致的研究[xxi][xxii][xxiii]。其中美國和英國的研究工作在國際上處于領先地位，且美國NASA已把該研究計劃列入最有發展前途的新技術項目之一[xxiv]。Colorado大學等機構已經在利用GPS反射信號實現對海面風場探測的技術研究方面，取得了一些實驗成果，但是這些系統和模型大多是針對大海反射面進行研究的，而對如何利用GNSS散射信號對空間飛行器進行探測和識別，到目前為止，國際上的研究多還處于保密階段。

1993年2月美國學者James B.Y.Tsui,Dayton申請利用導航衛星散射信號進行目標定位的專利（專利號：5.187.485）。

德國koch, westphal于1995年在IEEE上發表文章，理論上論述了GNSS信號雷達的能量關系、多普勒頻譜等，并通過四組實驗對采集的信號數據的信噪比做了對比，指出散射信號與不同目標之間是相關的[xxv]。

Mchitosh和Tsui分別于1999年和2000年發明了“利用GPS和GLONASS衛星信號作為照射器的無源探測系統”專利[xxvi]。

1993年-1995年曾對GNSS信號的無源雷達開展過不同環境條件下探測不同空中目標的試驗�？罩心繕祟愋桶�括民用飛機、噴氣式戰斗機、反坦克導彈、空中飛船等[xxvii]。由于導航戰 (NAVWAR)概念的產生以及導航戰研究的發展 ,1996 年 8 月以波音 ,洛克希德和休斯公司牽頭的多家公司投入到導航戰的研究[xxviii]。

由于散射信號的功率過小一直是該項目的瓶頸，2005年，美國NAVSYS公司已研制出一種先進的雙GPS接收機，采用109元的GPS天線陣列和數字波束導向，可以提供20dB的功率增益，以提高檢測弱信號的能力[xxix]。2006年，美國科羅拉多大學進行了對二次散射信號的采集實驗，得出了一些關于二次散射與直射的時間延遲與距離關系的數據對比[xxx]。

4.2 國內進展

國內北京大學、中科院武漢物理所、國家海洋局三所、北京航空航天大學、總參大氣所等單位對導航衛星散射信號的接收與處理，并取得了一定的研究。其中針對該技術的應用研究，北京航空航天大學2004年便開始參與國家863計劃海洋監測技術主題探索類課題項目“基于衛星定位系統的海面風速與風向探測技術”（2002AA639190）的研究，已完成基于GPS海面風場探測系統的核心技術DMR（延遲映射接收機）的開發設計，并成功實現機載試驗，在應用處理導航衛星散射信號領域[xxxi][xxxii]，獲得了國內首個具有全部自主知識產權的專利（專利號：ZL200420050636.9）。利用散射信號應用于空間飛行器的探測技術研究，我校已取得了初步成果，目前國內也在逐步開展。

我國自八十年代以來也開始研究雙（多）基地雷達技術，國防科大、西安電子科技大學、北京理工大學、南京理工大學、電子科學研究所、信息產業部14所、38所等代為正在研究對利用非合作方信號作為照射元的雙（多）基地無源雷達研究，有的已初步進行了實驗。但是對于基于GPS衛星信號的無源雷達研究尚處探索階段[xxxiii][xxxiv][xxxv]。南京理工大學的楊進佩博士在他的博士論文中從多個方面論證了GPS信號作為無源雷達照射源的可行性，以及針對目標信號微弱的特點設計了高增益的極化陣列天線、前置放大和濾波電路。

5　展望

通過上述分析，無源雷達作為有源雷達的一種補充，特別是面臨著“四大威脅”的情況下，無源雷達和有源雷達相互滲透，組成一個取長補短的國土防空網，具有遠大的發展前景。從技術上講，雖然目前還不很成熟，但在近幾年時間里，不斷有新技術的引入、創新和完善。這一領域因其潛在的軍事應用價值而倍受國際雷達界、各國軍界的重視。毋庸置疑， 它將擔負起未來的反隱身探測跟蹤使命。

其研究方向為一是深入研究GNSS散射信號經電大尺寸目標散射后的信號特性及與雙基角的關系；二是要重點解決弱信號的接收瓶頸；三是要采用多種方法檢測出活動目標的散射信號并加以處理，以確定其位置；四是發展無源探測網絡建設。國際上目前此領域的關鍵技術處在快速發展與完善之中，然而我國的研究還剛剛起步，與國際系統的技術差距較大, 縮短差距成為我們刻不容緩的研究任務，但是在廣大科技人員的努力下，這種具有廣泛前景的新體制雷達一定會為我國的國防事業做出貢獻。