双(多)基地雷达技术概述

双（多）基地雷达技术概述1. 概念和定义双基地雷达是使用不同位置的天线进行发射和接收的雷达系统。

当发射天线转动时，发射脉冲就在空间传播，遇到目标便反射电磁波,接收站接收回波,从中检测出目标。

由于接收和发射异地,所以要利用发射波束与基线的夹角、距离和以及基线距离来解算双基地空间三角形,求出目标到发射站或接收站的距离以及目标到接收站与基线的夹角,这样接收站形成波束对准回波方向,并接收到目标信息。

双基地雷达工作原理的几何关系下图所示。

若系统使用两个或多个具有公共覆盖空域的接收基地，并且每个基地的目标数据在一个中心站融合，则这种系统被称为多基地雷达。

由稀疏分布阵列、随机分布阵列、畸变分布阵列和分布阵列构成的雷达、干涉仪雷达、无线电摄影和多基地测量系统有时被认为是多基地雷达的分支。

它们通常是将来自每个基地的数据用相参的方式进行融合以形成大的接收孔径。

多部发射机也能用于上述任何一种系统，可置于单独的基地或和接收机放在同一个基地。

雷达网中三部测距单基地雷达组网有时被称为三边测量雷达。

三边测量的概念也用在多基地雷达中，它借助到达时间差（TDOA）或差分多普勒技术来测量目标位置。

2. 发展历史美国、英国、法国、前苏联、德国和日本的早期试验雷达都采用双基地体制，发射机和接收机的放置间距与目标距离相当。

这些雷达采用连续波发射机，检测发射机直达信号和动目标散射的多普勒频移信号间的拍频。

早期双基地雷达的许多技术都源于当时的通信技术：分置的基地，连续波发射，25～80MHz频率范围。

此外，这些双基地雷达组成了当时典型的地面防空体系，用于探测20世纪30年代出现的主要威胁——飞机，但当时的技术未能很好地解决目标位置信息的提取问题。

1936年，NRL发明了收发开关，实现了收发共用一部天线。

这种只有一个基地的体制就是人们熟悉的单基地雷达。

它极大地扩大了雷达的用途，特别是适用于飞机、舰船和地面机动部队，结果使双基地雷达研究处于停滞阶段。

20世纪50年代初，探测飞机的要求又重新激起人们对双基地雷达的兴趣。

美国的AN/FPS －23雷达是北极远程早期预警（DEW）线防空系统的低空雷达，始建于50年代中期，但不久就被拆除了。

加拿大的McGill防空系统也采用了双基地体制。

美国的Plato和Ordir弹道导弹探测系统是第一批多基地雷达。

它们对每个接收站的距离和多普勒信息进行融合，从而估计目标的位置，但这两个系统没有部署。

在20世纪50年代和60年代初，人们编写了双基地雷达系统理论，提出了双基地RCS理论，并且进行了双基地雷达目标截面积和杂波的测量。

双基地雷达的名称是由K.M.Siegel和R.E.Machol于1952年提出的。

雷达抗后向有源干扰和抗反辐射导弹（ARM）的需求，使双基地雷达在20世纪70年代和80年代重新得到重视。

通过选择收发设备的位置可降低后向干扰，如将接收站置于干扰机的主波束外而让干扰机指向发射站。

若将发射机从战场前方转移到后方，则发射机就不易受到攻击，反辐射导弹的打击效能也就降低了。

几个防空外场试验方案发现了双基地雷达的这些功能和它所固有的问题，如时间同步、威力覆盖和杂波抑制等。

与此同时，人们也确定了双基地雷达的一些其他概念并进行了试验，如机载发射机和接收机的“杂波调谐”。

“杂波调谐”可使接收机得到高分辨力合成孔径的雷达图像，并且图像可由速度矢量直接产生。

这一点是单基地合成孔径雷达无法实现的。

若“杂波调谐”和“隐蔽”相结合，则可保护发射机，同时接收机平台可在没有雷达发射的状态下飞向目标。

人们还研究了其他一些多基地雷达概念，如采用多部发射机和接收机的多普勒搜索系统（DAS ）和其接收基地的间距可大、可小的分布式阵列雷达（DAR ）。

多普勒搜索系统对各站的数据进行非相参处理，分布式阵列雷达为相参处理。

3. 坐标系本文采用的坐标系是以正北方向为基准方向的两维坐标系。

在如图1.1所示的XY 平面上给出了双基地雷达的坐标系和参数的定义。

该平面有时也称为双基地平面。

双基地三角形处在双基地平面内。

发射机和接收机间的距离Ｌ称为基线距离或简称基线。

θT 和θR 分别是发射机和接收机的视角，它们也被称作到达角（AOA ）或视线角（LOS ）。

双基地角β =θT -θR ，也称交角或散射角。

用β来计算与目标相关的参数及用θT 或θR 来计算与发射机或接收机相关的参数是很方便的。

图1.1 两维的双基地雷达正北坐标系若以发射基地和接收基地为焦点做椭圆，那么椭圆在目标处的切线和双基地角的平分线垂直，这是一个很有用的关系。

该椭圆就是距离等值线。

在双基地“足迹”内，即在发射波束和接收波束的交叠区内，该切线是距离等值线的一个好的近似。

单基地雷达和双基地雷达可以从几何关系上加以区分。

若设定L =0或R T =R R 和β =0，则可等效为单基地雷达。

4. 距离关系4.1雷达方程双基地雷达距离方程的推导和单基地雷达距离方程的推导完全类似。

双基地雷达的最大作用距离为2/1RT min n s 32R 2T B 2R T T max R T ))/()4(()(L L N S B KT F F G G P R R π=σλ （1.1） 式中，R T 为发射机至目标的距离；R R 为接收机至目标的距离；P T 为发射功率；G T 为发射天线功率增益；G R 为接收天线功率增益；λ为波长；σB 为双基地雷达目标截面积；F T 为发射机至目标路径的方向图传播因子；F R 为目标至接收机路径的方向图传播因子；K 为玻耳兹曼常数；T s 为接收系统噪声温度；B n 为接收机检波前的滤波器噪声带宽；(S /N )min 为检波所需的信噪功率比；L T 为不含在其他参数在内的发射系统损耗（＞1）；L R 为不含在其他参数在内的接收系统损耗（＞1）。

若B M σσ=、M R T L L L =和4M 2R 2T R R R =，则式（1.1）对应于单基地雷达距离方程。

4.2工作区双基地雷达有3个不同工作区，即以接收机为中心的区域、以发射机为中心的区域及以发射机和接收机为中心的区域（简称共基地区）。

选择这些工作区域的准则是双基地雷达常数k 。

通常通过控制k 值来定义三种发射机配置是很便利的，即专用的、合作的和非合作的发射机配置。

专用发射机是指发射机的设计和操作均从属于双基地雷达系统。

合作式发射机是指为其他功能服务而设计的，但又可适当地支持双基地工作并受其控制。

非合作式发射机尽管适宜双基地工作，但不受控。

有时称双基地接收机是“搭乘”合作式或非合作式发射机，被搭乘的通常是单基地雷达。

表1.1以工作区和发射机的配置分类综述了双基地雷达的一些用途。

“以发射机为中心的区域”一行省略的两项是雷达工作的限制，即专用或合作式发射机以单基方式工作比远处双基地接收机更容易收集近距离目标数据。

“共基地区”一行省略的两项是技术的限制，即为了产生足够大的双基地雷达常数，发射机的设计和工作必须对双基地工作最优化，因此，专用式发射机常常只能用于共基地区。

例外情况是利用高频率地波传播和偶发大气波导。

表1.1 双基地雷达的应用5.1目标定位原理双基地雷达通常需要测量目标相对于接收基地的位置。

（θR ,R R ）。

接收机视角θR 可以被直接测量，也可由目标方位角和仰角直接转化。

波束分裂技术可用来提高测量精度。

接收机到目标的距离R R 不能直接测量，但可通过求解双基地三角形来获得（如图1.1所示）。

椭圆坐标系中的典型解为)sin (2)(R R T 22R T R θL R R L R R R ++-+= （1.7） 通过专用式发射机提供的坐标或由发射定位系统测量出的坐标可计算出基线长L 。

距离和（R T +R R ）有两种估算方法。

直接法是由接收机测量接收到发射脉冲和目标回波的时间间隔∆T rt 后，再由R T +R R =c ∆T r t +L 来计算距离和。

这种方法可用于任意发射机配置，只要发射机和接收机之间有合适的视线。

间接法在接收机和（专用）发射机间安装稳定的同步时钟。

接收机测量发射脉冲与接收到回波的时间间隔∆T tt ，再用公式R T +R R =c ∆T tt 来计算距离和。

如果收发的时间同步不是由直接路径来实现的，则间接法对视线就没有要求。

当在特殊情况下双基地雷达采用直接法计算距离和时，且有L ≥c ∆T rt 时，式（25.7）可近似地被写为Rrt R sin 1θ+∆≈T c R （1.8） 这种近似不需要估算L ，当0︒<θR <180︒和L >4.6c ∆T rt 时，式（1.8）的误差小于10%。

其他目标定位方法也是可行的。

发射波束指向角θT 可用来代换θR 。

由于牺牲了波束分裂，因此除非发射机也是一部跟踪目标的单基地雷达，否则目标定位精度将降低。

也可采用双曲线测量系统，它用接收机测量两个分立发射机的传播时间差。

目标位置的轨迹是一双曲线，与接收机到达角（AOA ）的交点可确定目标的位置。

使用第3个发射机可对目标提供完整的双曲线的定位。

而角度-角度定位技术可使用θT 、θR 和L 的估值。

其中，θT 常由扮演合作式双基发射机的单基地雷达提供。

对于椭圆定位系统，如果忽略信噪比的变化，则目标定位误差通常随其临近基线而增大。

误差主要来源于式（1.7）的固有几何关系。

当直接采用距离和估计方法时，还会产生其他误差，包括直接路径信号干扰（类似日月蚀）、脉冲不稳定度和多径效应。

当发射机采用脉冲压缩技术时，日月蚀问题是来自距离副瓣的干扰。

如果采用线性调频脉冲压缩技术，则采用汉明或余弦平方时域加权和采用同类型的频域加权相比，接收机的近距离副瓣抑制大约能改善5dB 。

在双曲线定位系统中，目标定位误差随目标接近两发射的机连线而下降。

在角度-角度定位系统中，当目标位于基线的垂直平分线上且β = 45︒时，误差最小。

在其他位置上，误差则相应增大[18]。

当测量数据（或冗余数据）持续提供给双基地或多基地雷达时，可以用卡尔曼滤波器或其他类型的滤波器来估计目标的状态。

5.2覆盖范围和单基地雷达类似，双基地雷达的覆盖范围也是由灵敏度和电磁波传播情况决定的。

双基地雷达传播要求目标和两个基地间有适当的路径，而且必须包括多径效应、绕射、折射、遮蔽、吸收及几何关系。

前5个方面的影响通常包含在式（1.1）的方向图传播因子和损耗因子中，几何关系另外讨论。

如果目标、发射机和接收机高度给定，则目标必须同时处在发射基地和接收基地的视线内。

对于平坦地面而言，这些视线要求可以由以各基地为圆心的覆盖范围圆来确定。

落在两圆的公共区内的目标满足上述要求，如图1.3所示。

这些覆盖范围圆的半径（以km 计）近似为)(130R t R h h r += （1.9）和 )(130T t T h h r += （1.10） 式中，h t 为目标高度，km ；h R 为接收天线高度，km ；h T 为发射天线高度，km ；若接收机通过直接链路建立同步关系，那么发射机和接收机间也必须有适当的视线。