无源雷达的发展历史和趋势

　　2.无源雷达的诞生

　　在这些工作的基础上，1933年6月，他们申报了题为“通过无线电波探测运动物体的系统”的专利。该专利的要点是：利用一部无线电发射台，发射连续波信号，另外配置两部接收装置，分别置于两地，来测量运动物体的回波信号的多普勒频移，从而确定该物体位置。

　　应当指出的是，学术界认为雷达的创始人是1917年，罗伯特·沃特森·瓦特(Robert Watson-Watt)成功设计雷暴定位装置,宣告雷达的诞生。

　　而1922年，英国马可尼(M.G.Marconi)在无线电工程师学会(IRE)领奖时，提出船用防撞雷达测角的建议。发表演说的题目是可防止船只相撞的平面测角雷达。他提岀的船用雷达的时间也是1922年，与美国海军研究实验室的工作，有一定的相关性，但他们都是独立工作的。

　　1935 年,英国的 Arnold Wilkins 首次借助外部辐射源进行了雷达探测研究，这就是著名的 Daventry 试验。这是无源雷达的真正意义上的试验。这次试验在英格兰中部的北安普敦郡 Daventry 镇，采用的辐射源是 Daventry和BBC(1.8-30MHz)发射台，频段为短波，接收装置分别设置在两部运输车上，探测距离12公里外，目标是英国皇家空军(RAF)Heyford重型轰炸机。收、发间距10公里。

　　在此试验完成后，于次年成立新型雷达研究所，命名为Bawdsey，所长由罗伯特.沃森担任。此后，英国在东南海岸部署一系列雷达，其中沿Channe1海岸部署的就是无源雷达。

　　3.无源雷达的实用化

　　在二战期间，雷达得到快速发展，无源雷达走向实用化。1943年，首次用于战争环境的双基地外辐射源雷达是德国研制的“Klein Keidelberg”雷达，以英国海岸警戒雷达 Chain Home 的发射机为辐射源，通过安装在丹麦的接收机来搜寻目标的反射信号，这种接收机抗干扰性能较好。对从英国起飞的战机进行探测和定位，能探测到450 公里外的战机，精度较差大约为 10km，但在当时很好的完成了对盟军轰炸机的预警任务。

　　三.无源雷达的“休眠”期

　　二战后，全球大规模战争已经全面结束，后来美苏处于冷战。我国自建国至改革开放以前，经历了抗美援朝战争，到六十年代，经历文革，在这一段时间，全国主要围绕“两弹一星”的研制，就是文革期间也没有停止。

　　改革开放以后，国内各行业协会相继恢复工作，国内外学术交流全面展开。从这方面看，我国雷达学界对无源雷达关注很少。但从国际环境看，战争推动武器发展力量减弱，各主要国家转向空间开发。

　　20世纪50年代中期，研制出实用型舰载相控阵雷达。20世纪50年代末期，美国研制了有源相控阵雷达。1964年，美国安装了第一部空间轨道监视雷达，用于监视人造地球卫星或空间飞行器。70年代，英、法、日、意、德、瑞典等也都装备了相控阵雷达。

　　卫星上天，导弹射程不断更新，花样愈来愈多，而雷达的发展也伴随着这些研制工作开展和创新。有源雷达是发展的总趋势。另外，雷达夲身没有感受到威胁。自身安全问题不突出。但到八十年代以后，有伊拉克战争、科索沃战争、阿富汗战争等，隐身飞机、电子干扰、反辐射导弹的出现，雷达倍受威胁，雷达隐身问题愈加突出，雷达机动、多站布防、雷达开机受限等推出，加上数字技术、成像技术、网络技术、计算机技术、电子器件小型化和集成化及模块化飞速发展，给无源雷达的发展奠定了基础，提供了重要条件。

　　四.为什么无源雷达倍受关注

　　自二战以来，德国、美国、前苏联、英国、法国、日本、瑞典、加拿大等国都在研制和发展自己的隐身技术。就美国而言已有的隐身飞机和隐身无人机就超过20种，典型的隐身飞机有F-117A、B-2A、F-22、F-35等。还有隐身导弹、隐身舰艇等。

　　在以往的巴拿马战争、海湾战争、科索沃战争中，F-117A和B-2A显示出很强的隐身能力，像幽灵一般，神出鬼没，创下了辉煌战绩。它显示岀隐身战机具有以往没有的突防能力、攻击能力，效费比大大提高，也标示着高科技大大增强了战斗力，给未来的空防系统提出了新的更高要求。

　　2014年2月，英国国防部和BEA系统集团联合对外宣布首架隐形无人战机“雷神”。该机可与美X-47B和法国研制的“神经元”无人机相提並论。这一研制动向表明：无人机以隐身技术武装，再加上飞行速度的提升，使其突防能力大增，将成为未来战场的主力军。无人机系统有可能成为全球打击的有效工具。另外，高超音速飞行器的加速研制，这些变化给空防系统提出了新的巨大挑战。

　　现代有源雷达面临如下威胁：隐身飞行器、电子干扰、超低空突防、反辐射导弹、临近空间的高超音速飞行器。实际上是隐身技术、高超音速技术、电子干扰组合使用于各种飞行器身上，再在战略和战术上灵活机动，例如导弹变轨，子母弹，高超音速飞行器的自主飞行，无人机的“感知化”，无人机低空突防等，这给地面防空系统，特别是雷达，带来的冲击和挑战是巨大的，其应对策略必须有大的变革。

　　过去的局部战争的警示和现代的导弹、无人战机、高超音速飞行器等突防能力的巨大威胁，迫使雷达变革，适应未来战争的需要。应对这些威胁无源雷达应运而生，势在必然。虽然它不是现在才有的雷达，但它却富含了现代科技的新元素、新成果，也是多学科融合的产物。

　　五.无源雷达的发展

　　1974 年，美国的 Marko 等人利用调频广播台作为外部辐射源，双基地接收设置的无源雷达来测定目标的位置。该系统利用互相关技术测量目标反射信号相对于外辐射源直达波信号的延迟时间，得到目标所在的等距离椭圆，再结合反射信号的到达角测量，即可对目标进行定位。

　　七十年代，捷克台斯拉公司进行了无源被动探测系统的研究，于 1987 年推出了“塔玛拉(TAMARA)”系统，据称在 1995 年的波黑战争中，塞族利用该系统发现美国的 F-16 战机，并将其击落;另据报道，1999 年参加科索沃战争的一架 F-117 隐形战机，被南联军用萨姆-3 导弹击落，而发现该隐形战机的正是“塔玛拉”雷达。该系统的外辐射源是探测目标自身的辐射。它更新后的移动型，就是 1998 年推出的“维拉(VERA)”系统，可同时跟踪200 批空中目标。

　　1986 年，英国伦敦学院大学(UCL)的 Griffiths 等人，首次利用电视台信号作为外辐射源，接收为双基地设置的无源雷达进

　　行了研究，对信号检测中的若干问题进行了分析，并指出外辐射源波形的模糊函数是研究的关键，它决定着距离分辨率、距离模糊间隔、距离旁瓣水平及多普勒的分辨率。

　　1989年，IEEE国际雷达会议文献透露，E.Gaig.Thompson的文章指出：利用预警机E-3A的AWACS系统和联合监视目标攻击雷达系统作非合作式辐射源，並利用无源探测方式，探测飞行目标。

　　1992 年，Griffiths 等人提出将卫星转播的电视信号作为无源雷达的辐射源，接收端由接收卫星电视信号的直达波信道和接收目标反射波的回波信道组成，对两路信号做相关处理，之后利用非相干积累来提高处理增益。研究表明对于 100km 外 RCS=20的目标，要达到虚警率和90%检测概率，需要 80dB 的处理增益，然而由于相干积累和非相干积累的时间间隔分别受目标多普勒频移和运动目标距离偏移的限制，对于速度为 200m/s 的民航飞机却只能达到 45dB 的处理增益。该项试验未能实现在可能的距离上检测到真实目标。

　　1994 年，在法国召开的国际雷达学术会议上，三篇基于电视信号作为外部辐射源的无源雷达论文的发表，标志着无源雷达的研究进入了一个全新的阶段。之后，随着信号处理方法和器件的更新，以及成熟信号处理技术的引入，世界上出现了几套典型的外辐射源雷达系统。

　　1994 年，法国国家航空研究局 研制了以电视台作为外部辐射源的多基地雷达试验系统。辐射源是位于巴黎附近的电视台，接收站位于帕莱素，采用两副八木定向天线。该系统采用 5 个发射台，仅利用多普勒信息进行定位和跟踪，由于系统跟踪算法需要较高的信噪比，只探测到距离接收站 5 km 的目标。

　　1994 年，英国防御研究局的 Howland 研制了一套以电视台作为外部辐射源的无源雷达系统。该系统把法国雷恩的电视音频调幅载波作为辐射源，接收设备包括一对八木天线和一套数字接收机，通过测量多普勒频移和到达角(DOA)信息对目标进行定位。试验结果表明运用现代信号处理技术和跟踪算法，该系统可实现对 260km内空中目标的探测和跟踪。

　　德国研制的无源雷达系统，则把美国的全球定位卫星和俄罗斯的全球导航卫星作为外辐射源。由于导航系统由多个卫星组成，可提供多个外辐射源，因此该系统可使用灵活的相控阵接收天线。研究结果表明，要探测到距离接收站 1 公里远 RCS=10的目标，接收机需要70dB 的信号处理增益。

　　美国华盛顿大学研制的 Manastash Ridge 雷达是一部用于对大气层和电离层进行气象探测和成像的无源探测雷达。该雷达以西雅图的调频广播电台为辐射源，采用两个接收站：位于华盛顿大学内的参考接收站,用来接收电台的直达信号，此接收站采用指向增益为 5dB 的对数周期天线;位于 115km 外 Manastash 山的接收站则捕获目标散射信号，此接收站采用简单的重叠偶极子天线。该系统用 GPS 来完成两接收站间的时间和频率同步，曾成功的探测到 240km 处的目标。

　　1998 年美国洛克希德·马丁(Lockheed Martin)公司 研制成功的“沉默哨兵”(Silent Sentry),是一种达到实用化的无源探测雷达。以商业调频电台和电视信号作为外辐射源。该系统的接收站由相控阵天线、大动态范围的数字接收机、每秒千兆次浮点运算的高性能并行处理器和三维战术显示器组成，通过测量目标的到达角、多普勒频移和目标信号与直达波信号到达接收站的时间差，利用无源相干定位(PCL)技术来对目标进行定位与跟踪。“沉默哨兵”系统的信号源数据库存贮了全球 5.5 万个商用电台、电视台的位置与频率信息，因此该系统可在世界大多数区域使用。该系统对 RCS 为 10的目标的探测距离可达 220km，定位精度达到警戒雷达的要求，但还不能满足跟踪雷达的要求。

　　近年来，美国又研制出了第三代“沉默哨兵”系统，新系统的相控阵天线采用仿生学原理，仿照苍蝇360°“复眼”结构，将四面尺寸为 2.5m×2.5m 左右的天线安装在固定雷达站基座上，可实现对目标全方位全天候的监视。“沉默哨兵”分为固定站系统和快速部署系统，另外，该雷达还可安装在飞机和舰船上，能够实时实现对飞机、导弹等空中目标的高精度探测，能对 200 多个目标实现同时跟踪，并能区分出间隔 15m 的两个目标。该系统还曾捕获 250km 外美国空军的 B-2 隐身轰炸机。

　　此外，1999 年美国伊力诺依大学通过传感器阵列测量调频广播和电视信号经目标反射的回波，利用贝叶斯方法实现对目标的联合跟踪和识别。另外，该大学还研究了无源双(多)基地雷达的成像算法，采用直接傅立叶重构(DFT)和基于 wigner-ville 分布(WVD)算法对运动目标成像，选用 22 个电视台和调频电台作为辐射源，利用仿真数据研究了成像算法以及发射台的位置和系统配置的选择对成像质量的影响。

　　进入二十一世纪，外辐射源雷达发展迅速，许多国家的科研机构纷纷把外辐射源雷达作为研究的重点，所利用的外辐射源信号形式也日益广泛。

　　2001 年Poullin提出将 COFDM 调制的 DAB 和 DVB 电视信号作为外辐射信号，随后他证实该无源雷达对目标具有可检测性;

　　Saini 等对数字电视信号的模糊函数进行了研究，提出一种失配滤波方法来消除模糊函数中的干扰旁瓣。

　　Capria 等利用基于 DVB 电视信号的无源雷达对靠近海岸的移动船只进行了探测试验，进一步证实基于DVB-T 的无源雷达的可行性。

　　Conti 等提出一种改善 DVB-T 无源雷达距离分辨率的方法，使 DVB-T 无源雷达对目标的成像和识别变的可行。2001 年德国西门子公司研制了利用 GSM 蜂窝基站发射信号的无源雷达系统，该系统能对飞机和汽车进行成功探测，还可安装在预警机上，对大型空中目标探测距离超过100km。

　　另外新加坡、意大利等国也正在研究基于 GSM 的无源雷达。由于 GSM信号带宽的限制，该无源雷达的距离分辨率较差约为 1.8km，而第三代(3G)蜂窝移动通信标准 CDMA 的带宽约为 1.2MHz，相应的距离分辨率可达 122m，因此，基于CDMA信号的无源雷达的研究也相继出现。

　　2007年Guo 等提出基于 WiFi信标信号的无源雷达，利用 WiFi 信号探测到室外低噪环境下的目标，随后他们又对室内强噪声环境下的目标探测进行了研究。

　　Mojarrabi 等研究了以 GPS 为照射源的无源雷达，并在理论上计算出该雷达的最大探测距离约为 214km。

　　另外NAVSYS 公司利用含 109 个单元的相控阵接收天线和数字波束控制，通过提高信号增益来检测微弱的 GPS 信号，该天线相对于单个天线的增益提高了 20dB，可检测到单个天线检测不到的信号。

　　除了对多种外辐射信号进行研究之外，有学者还在外辐射源雷达的基础上提出了新概念，譬如南非的 Inggs 提出无源相干认知雷达的概念，该雷达由多个接收站多种辐射源(包括 FM, 手机蜂窝基站，WiFi，其他雷达等)组成，可在干扰、复杂地形环境下达到提高雷达性能的目的。各种利用不同外辐射信号的无源雷达可利用感知的方法，检查频谱的占用情况及感知外辐射源所处的位置信息，以改善系统的覆盖性能;

　　波兰的 Kulpa 提出 MIMO 无源相干定位雷达的概念，把 MIMO的概念及信号处理技术引入无源雷达，可增大雷达的监视范围和减少无源雷达的探测盲区。

　　国内在上世纪七十年代末，曾进行过利用调幅广播能量探测目标的研究，受限于当时软硬件的发展水平，仅做了一些相关试验，未能形成实用的系统。

　　从 2000年起，西安电子科技大学、北京理工大学、国防科技大学、电子科技大学、南京理工大学以及中电科技集团38研究所等单位陆续对基于调频广播、电视和 GSM手机信号的外辐射源雷达进行了研究,并取得了阶段性进展，其中西安电子科技大学利用调频广播信号首次在国内实现 240km 以上目标实时航迹观测和跟踪。

　　六. 无源雷达的发展趋势

　　综上所述，无源雷达的技术发展可以归纳为以下几方面，以探讨其发展趋势：

　　(1)无源雷达的外辐射源

　　无源雷达外辐射源信号有两类和三种，即探测目标如飞机和导弹自身携带的雷达、通信、导航、应答机等辐射源;另一类是自由空间己有的、长期使用的电波辐射源，如电视、调频广播等，后者又包含已方的辐射源，也包含敌方非合作式的辐射源。

　　无源雷达常用外辐射源信号主要有：

　　调频广播信号(FM)和电视信号(TV);早年广播是模拟信号，如今是数字广播信号。

　　同样电视信号也是如此,如今是数字电视地面广播信号。目前，基于地面电视、数字调频广播作为外辐射源的无源雷达已引起世界一些国家的广泛重视。

　　在外辐射源类型上的更新主要是移动通信、导航定位卫星、卫星通信的信号。例如，手机蜂窝基站，WiFi， GSM 蜂窝基站。

　　新加坡、意大利等国正在研究基于 GSM 的无源雷达。基于CDMA信号的无源雷达的研究也相继出现。

　　2001 年，Poullin提出将 COFDM 调制的 DAB 和 DVB 电视信号作为外辐射源信号，随后他证实该无源雷达对目标具有可检测性。Saini 等对数字电视信号的模糊函数进行了研究，提出一种失配滤波方法来消除模糊函数中的干扰旁瓣。

　　模糊函数是信号研究的关键，它决定着距离分辨率、距离模糊间隔、距离旁瓣水平及多普勒的分辨率。

　　2007年，Guo 等提出基于 WiFi信标信号的无源雷达，利用 WiFi 信号探测到室外低噪环境下的目标，随后他们又对室内强噪声环境下的目标探测进行了研究。

　　导航卫星信号;Mojarrabi 等研究了以 GPS 信号为外辐射源的无源雷达，无线通信信号(包括低轨卫星信号和高轨卫星信号)等。

　　应当指出的是，外辐射源类型己扩展为多种型式，这些源能照射的空间，己由低空向中空和高空发展，或许不久的将来朝临近空间发展。另外，无源雷达使用地点己由固定式扩展为移动式，而移动式已包括车载、舰船载和机载。这就意味着无源雷达系统要考虑建立外辐射源的数据库，将己有的外在辐射源的主要参数、波形特征存入数据库，以备急需。例如美国洛克希德·马丁(Lockheed Martin)公司 研制的无源雷达“沉默哨兵”系统,外辐射源数据库存贮了全球 5.5 万个商用电台、电视台的位置与频率信息，因此该系统可在世界大多数区域使用。

　　(2)无源雷达的工作频段;

　　主要有以下几种：

　　1.无源雷达的工作频段在30MHz到3GHz，这类辐射源包括

　　2.数字音频广播(DAB，174～240MHZ);

　　3.调频广播(FM，88～108MHz);美国华盛顿大学研制的无源探测雷达,调频电台为外辐射源;

　　4.数字视频地面广播(DVB一T，30～300MHz和300～3GHz);

　　5.卫星通信;

　　6.卫星电视DBS;

　　7.全球定位导航GPS,GPS信号具有较高的安全性和全天候工作等优势，GPS信号的无源雷达尚处于探索阶段。

　　(3)无源雷达的接收天线型式;

　　无源雷达的接收天线型式与外辐射源类别、工作频段、探测距离、目标特性紧密相关。

　　1994 年，法国国家航空研究局;英国防御研究局釆用八木定向接收天线。

　　1994 年，英国防御研究局釆用八木定向接收天线,这对于电视信号作为外辐射源的接收天线是较好的选择。

　　德国研制的无源雷达系统采用相控阵接收天线。

　　美国华盛顿大学研制无源雷达的对数周期接收天线和重叠偶极子天线。

　　美国洛克希德·马丁(Lockheed Martin)公司 研制的无源雷达采用相控阵接收天线。

　　美国洛克希德·马丁(Lockheed Martin)公司 研制的无源雷达第三代“沉默哨兵”系统，所用的相控阵接收天线，采用仿生学原理，仿照苍蝇360°“复眼”结构，将四面尺寸为 2.5m×2.5m 左右的天线安装在固定雷达站基座上，可实现对目标全方位全天候的监视。

　　(4)无源雷达的信息处理及其算法

　　美国洛克希德·马丁(Lockheed Martin)公司 研制的无源雷达采用每秒千兆次浮点运算的高性能并行处理器。

　　美国伊力诺依大学利用贝叶斯方法,实现对目标的联合跟踪和识别。另外，该大学还研究了无源双(多)基地雷达的成像算法，采用直接傅立叶重构(DFT)和基于 wigner-ville 分布(WVD)算法对运动目标成像。

　　应当指出的是，采用现代信号处理技术和跟踪算法,关系到对空中目标的探测和跟踪距离。还关系到对目标的显示和成像。

　　(5)无源雷达的显示与成像;

　　美国洛克希德·马丁(Lockheed Martin)公司 研制的无源雷达采用大动态范围的数字接收机和三维战术显示器.

　　美国伊力诺依大学利用仿真数据研究了成像算法以及发射台的位置和系统配置的选择对成像质量的影响。

　　(6)无源雷达的主要探测对象(包括飞机、导弹)

　　应当指出的是，无源雷达探测目标要包含无人机，而无人机的发展和应用，使其具有大、中、小型;高速和超高速，甚至要考虑探测高超音速飞行器;低空、高空和临近空间，还有舰船等。

　　(7)无源雷达的主要性能

　　1994 年，英国防御研究局对 260km内空中目标的探测和跟踪。

　　1994 年，法国国家航空研究局探测到距离接收站 5 km 的目标。

　　1998 年, 捷克台斯拉公司推出的“维拉(VERA)”系统，可同时跟踪200 批空中目标。是二战期间德国研制的“Klein Keidelberg”雷达, 能探测到450 公里外的战机，精度较差大约为 10km.

　　1994 年，法国国家航空研究局研制的系统跟踪算法需要较高的信噪比，只探测到距离接收站 5 km 的目标。

　　美国华盛顿大学研制无源雷达,探测到 240km 处的目标。用 GPS 来完成两接收站间的时间和频率同步.

　　美国洛克希德·马丁(Lockheed Martin)公司 研制的无源雷达,通过测量目标的到达角、多普勒频移和目标信号与直达波信号到达接收站的时间差，利用无源相干定位(PCL)技术来对目标进行定位与跟踪。对 RCS 为 10的目标的探测距离可达 220km，

　　近年来，美国洛克希德·马丁(Lockheed Martin)公司 研制的无源雷达第三代“沉默哨兵”系统，所用的相控阵接收天线，采用仿生学原理，仿照苍蝇360°“复眼”结构，将四面尺寸为 2.5m×2.5m 左右的天线安装在固定雷达站基座上，可实现对目标全方位全天候的监视。

　　“沉默哨兵”分为固定站系统和快速部署系统，另外，该雷达还可安装在飞机和舰船上，能够实时实现对飞机、导弹等空中目标的高精度探测，能对 200 多个目标实现同时跟踪，并能区分出间隔 15m 的两个目标。该系统还曾捕获 250km 外美国空军的 B-2 隐身轰炸机。

　　总之，无源雷达的主要技术指标体现在：探测距离远、高精度、实时探测多目标(包括飞机、导弹)、全方位、全天候的监视、可以固定式和快速移动式並存、可安装在地面、飞机和舰船上。

　　(8)无源雷达的研究热点

　　无源雷达无法准确控制外辐射信号的波形和发射方向，目标回波信号受到较强的地杂波和多路径干扰，无源雷达系统进行微弱目标检测时存在一定的困难。有效的干扰抑制技术成为无源雷达微弱目标检测过程中急待解决的关键课题.目前抑制这些干扰的方法是合理配置系统、优化天线设计、接收站的地形选择和信号处理方法等。

　　电磁干扰的抑制是电磁兼容学科的研究范畴，可采用接地、滤波、屏蔽等多种方法综合处理。

　　多平台和单平台情况下，利用到达方向、到达时间差、多普勒频率差、相位变化率 等多个参数对目标进行无源定位的方法、定位算法、定位精度和性能的研究，也已成为当今研究热点。

　　多站数据融合、多传感器检测的多参数数据融合、多频段同时辐照目标，实现探测优化和数据融合、超宽带接收数据融合等技术更新，以提高无源雷达的探测和跟踪精度和分辡率。

　　雷达系统的电子扫描速度和数据采集速率己成为诸多领域应用的瓶颈，尚难攻克这一难题。

　　(9)无源雷达的应用

　　无源雷达的应用既可用于军事，也可作民用。它主要包括：

　　监视港口、机场、发电厂、水厂和其它要害部门;

　　空中交通管制;

　　军事上可以反隐身飞机;

　　反隐身巡航导弹;

　　抗反辐射导弹;

　　抗敌方侦察;

　　反干扰;

　　反低空突防;

　　总之，无源雷达具有隐蔽性好、机动性强、造价低廉、抗敌方侦察和反隐身等特点。无源雷达具有反侦察、反干扰、反隐形飞机和巡航导弹、抗反辐射导弹、反低空突防方面等诸多优势，是现代雷达研究的一个重要领域。因而受到了各国的重视。能够在极为恶劣的战争环境中生存,因而引起了业内专家和军事专家的广泛关注。

　　对辐射源目标的无源定位在航海、航空、航天、电子战等领域都具有十分重要的地位和作用。

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