1.2　双/多基地雷达系统的发展

1.2.1　双/多基地雷达系统的发展现状

雷达技术经过多年的发展，已经取得了长足进步，但是在组网雷达方面还存在较大的进步空间。双/多基地雷达作为一种重要的组网雷达实现方式，逐渐受到广泛关注和研究。

双/多基地雷达最早可追溯到1922年美国海军实验室（NRL）设计的一种收发分置的连续波雷达，当时NRL实验室的Albert Hoyt Taylor博士和其助手Leo Clifford Young在进行60MHz的无线电传播实验时，用分置在Potomac河两岸的发射机和接收机发现了正在河中航行的木船。1930—1936年，美国、英国、法国、苏联、日本、德国、意大利开始利用双基地雷达进行飞机目标的探测，采用25～80MHz的连续波发射，检测直达信号和运动目标回波的差频。由于当时科技发展水平有限，采用双基地体制主要是为了保证收、发之间的隔离，未能充分发挥双基地雷达的诸多潜在优势。

到20世纪五六十年代，双基地RCS（Radar Cross Section）理论（包括前向散射理论）、目标测量和杂波测量理论得到进一步发展，伴随着检测人造卫星、洲际导弹、超远程轰炸机等各种武器的现实需求，双基地雷达开始了第一次复苏。50年代，在北极圈防空预警线上部署的31部AN/FPS-19和AN/FPS-30单基地雷达基础上，美国部署了早期防空预警的AN/FPS-23（Fluttar）双基地雷达；60年代美国建成海军空间监视系统SPASUR，由一发两收的三个雷达站组成，主要用于探测和监视空间在轨卫星。

进入20世纪70年代后，目标隐身、综合电子干扰、低空/超低空突防以及反辐射导弹等“四大威胁”成为雷达面临的最大挑战。双/多基地雷达能够有效利用电磁波的前向散射特性，探测低空、陆地、海面上的低可探测目标和后向散射RCS很小的隐身目标，因而具有良好的反隐身、抗电子干扰、抗低空入侵和抗反辐射导弹的优势。除了反隐身、接收机的安全性、抗干扰等传统优势，以下的几点也促使对双/多基地雷达的研究延续和发展下去：（1）将现有的单基地雷达配置成双基地或多基地雷达的工作模式并不复杂，这有利于以较小成本和在较短时间内对大量常规低分辨单基地雷达进行改造；（2）基于无人飞行器平台的系统的广泛应用，使双/多基地雷达的使用具有更大的吸引力；（3）双/多基地雷达在距离、角度、频率等信息上额外的自由度，使得其信息来源更为丰富，具有精度高、信息量大、多功能、容错性高等特点，在目标检测、跟踪、识别和遥感上的应用依然具有很大的潜力；（4）GPS等通信和地理定位技术方面的发展进步，使多站同步和地理定位问题变得容易实现。

美国国防部（DOD）与美国国防高级研究计划局（DAPRA）相继开展了对双/多基地雷达多方面的研究与实验工作，且对双/多基地雷达执行不同防御任务时的可行性及实际功效进行了评估。如今，美国已部署多个双/多基地雷达系统，将其用于近、远、中程等各种战略防御任务。由美国技术服务公司（TSC）研制的“圣殿”雷达系统采用机载发射探测信号与地面雷达站相干接收的协同双基地雷达工作机制，担负对近程空域防御任务。该系统的工作频段为L波段，有效探测距离约为150km，具有较高的距离及速度测量精度。美国洛克希德·马丁公司研制的“沉默的哨兵”系统（Silent Sentry TMSystem）基于前向散射，采用商业无线电广播为辐射源，作用距离约为550km。其最新的第三代（SS-3）系统可同时跟踪200个目标，并对间隔15m的目标进行鉴别，“沉默的哨兵Ⅲ”系统如图1.1所示。此外，美国还建成了MMS高测量精度多基地系统、Sanctuary防空双基地雷达系统、Kwajalein靶场的多基地测量系统、MARS相控阵双基地炮位侦察校射雷达等，用于对天空的监视、警戒、跟踪和测量。在双基地雷达防空反导方面，从2004年到2012年，美国小型商用创新项目小组（Small Business Innovation Research，SBIR）立项了多个关于双/多基地雷达的创新项目，积极探索双/多基地雷达弹道目标成像和识别技术。

由于双/多基地雷达系统的优良特性，世界各国相继研究和部署了多个双/多基地雷达系统。俄罗斯已服役的卡尔丘塔多基地雷达系统由三个接收站组成，可对弹载、机载、陆基、舰载雷达等电子设备所辐射的电磁信号进行接收、识别和跟踪定位。同时，俄罗斯还研制了多基地雷达系统“屏障雷达”，能够做到发射机与接收机无人值守，从而对隐身飞机、低空轻型飞行器进行有效探测和识别，其垂直屏障轴上的定位精度可达到150m。日本双基地移动式超视距雷达（OTH-T）的探测距离约为3500km，与美国部署在关岛的超视距雷达系统协作，构成了战略预警网。法国THALES公司研发了“Homeland Alerter 100”系统，该系统与“沉默的哨兵Ⅲ”系统有相似的发展思路，已经在芬兰、挪威等国进行了演习实验，其探测范围为100km，如图1.2所示。此外，乌克兰还构建了移动式超视距表面波雷达、“天波”移动式超视距表面波雷达；澳大利亚则组建了Jindalee双基地雷达网。

随着电子技术的发展，双/多基地雷达系统逐渐向发射站多样化（由陆基向星载、机载扩展）、电磁频段多样化（如陆基中利用广播电视视频和音频信号、移动电话网络等构成的电磁传输场）的趋势发展，并可成功应用于低空目标探测、区域性防御、远程警戒、空中交通管制等军用和民用场合。

1.2.2　双/多基地雷达系统的基础技术

双/多基地雷达与单基地雷达相比结构较为复杂，除了具有单基地雷达的接收、发送和信号处理能力，还必须解决接收和发送之间的空间、时间、频率和相位的“三大同步”问题。

1.三大同步

1）时间同步

为双/多基地雷达提供统一高精度的时间基准是完成测距和波束扫描所必需的。目前采用的时间同步方法有：（1）微波链路双向传递同步法；（2）光纤链路双向传递同步法；（3）卫星链路双向传递同步法；（4）激光同步法。从性能方面考虑，这四种同步方法都能满足精度要求。但考虑光纤受机动性的限制及激光易受遮挡的限制，因此综合精度、成本和机动性等各方面的因素，在双/多基地雷达中用卫星定位系统或GPS+微波同步系统是优选方案。

2）空间同步

双/多基地雷达的收、发天线分置于相距很远的平台上，在对空域扫描过程中必须保证收、发波束同时照射到同一目标，即实现收、发波束的空间同步扫描。目前通过数字波束形成技术和脉冲追赶式扫描方法已圆满解决这一问题，不仅能够充分利用能量实现单基地雷达的数据率，还实现了时间滤波和空域滤波，从而可以滤出副瓣杂波。脉冲追赶式扫描方法原理简单，但由于追赶过程中要求改变波束宽度和扫描速度，对数字波束形成的实时性和准确性提出了很高要求；在实际的实现过程中，根据不同准则也可有不同的实现方式，以满足不同的需求。

3）频率和相位同步

双/多基地雷达的发射机和接收机为了协调工作，还必须在频率上保持同步，这样接收机才能很好地接收和放大回波信号。另外，对于脉冲压缩和动目标显示等的相参工作方式，双/多基地雷达还必须像单基地雷达那样，保持相位同步。实现频率和相位的同步方法与实现时间同步的方法相似，有直接同步法和间接同步法。直接同步法是将发射机的频率基准信号（即同步信号）经数字传输通道直接送至接收机。接收机收到频率同步信号后再进行解调、放大和整形处理，或者直接用频率基准信号去解调接收机要处理的信号。间接同步法是通过在收、发站各设置相同的高稳定度本振频率源，以此为基准，确立发射机和接收机的频率标准。目前，最常用的间接同步法是由发、收两站的原子钟分别为发射机和接收机提供高稳定度的频率和相位相参的基准信号。

2.信号处理

双/多基地雷达在信号处理方面与单基地雷达的最大差别是“杂波调谐”，即可以将合成孔径与动目标显示结合到一个系统中。此外，双/多基地雷达在其他的信号处理方面也有其独特性，如波形选择、匹配滤波、脉冲压缩、动目标处理、脉冲积累和恒虚警处理等，虽然这些技术的原理是一致的，但在具体设计时，应考虑双/多基地雷达系统结构的复杂性和工作方式的多样性，根据具体情况选择最佳方案。

3.目标特性测量

双/多基地雷达系统中的目标特性测量与单基地雷达有相似之处，但还须考虑发射和接收的极化方式以及目标到收、发基地的视角。Nicholas J.Willis较系统地介绍了双基地雷达系统中伪单基RCS区、双基RCS区和前向散射区的RCS特性。Shaun R.Doughty等人分析了在多基地雷达中，低杂波条件下简单目标的散射特性，为目标特性测量的进一步研究奠定了基础。此外，很多研究机构都具备了微波暗室双基地RCS测量能力，法国Jeam Michel Geffrin等人给出了丰富的结果，如图1.3和图1.4所示。

1.2.3　双/多基地雷达系统的应用

双/多基地雷达系统在军用和民用上都有很好的应用前景，主要包括目标检测、目标定位与跟踪、干扰/抗干扰等。

1.目标检测

双/多基地雷达的检测结构主要有集中式和分布式两种。在集中式检测结构中，接收站直接将所有观测数据传送到融合中心进行处理，其检测性能良好，但接收站与融合中心的通信开销和融合中心的计算量较大；在分布式检测结构中，接收站对各自观测信息进行预处理，而后将其判别结果送到融合中心，由融合中心作最后的判别，其缺点在于丢失了部分观测信息，检测性能有所下降，但因其通信量小、可靠性高、成本相对低廉而被广泛采用。以分布式雷达检测理论为依据，王晓峰等人建立了简单的双/多基地雷达检测仿真模型。由于分布式检测的关键是各个接收站门限、融合中心门限以及融合中心的融合检测准则的优化，张欣、沈阳等人分别讨论了一种全局优化方法和遗传算法，优化局部节点和融合中心检测门限，以获得最佳的检测性能，有效提高了双/多基地雷达的检测能力。

2.目标定位与跟踪

双/多基地雷达的目标定位算法本质是通过测量距离和、距离差以及方位角，根据雷达收/发机的位置和连线基线解算三角形，来获得目标位置信息，但由此推导出的定位算法却层出不穷。加权最小二乘算法和线性最小二乘算法是常用的目标定位算法，针对线性最小二乘算法在使用过程中的两种估计失效情况，即估计式系数矩阵亏秩和坏条件数情况，可采用降维和迭代求解方法。此外，相关数据压缩算法和独立数据压缩算法也用于定位，且前者比后者更能提高对目标的定位精度，在此基础上，还可推导多基地雷达三维空间的最佳定位算法。魏崇毓等利用FMCW雷达信号的高距离分辨率特点，分析了用于目标定位并估算速度的最大似然算法，推导出了与发射机位置无关的目标定位和速度估计公式。由于双/多基地雷达系统中的定位精度与目标位置有密切关系，须根据目标与发射站和接收站之间的相对位置关系，采用相应的目标定位算法，以获得最佳定位效果。

双/多基地雷达目标跟踪算法的研究也有很多，卡尔曼滤波跟踪算法被广泛采用，主要侧重两个方面：一是针对跟踪系统的非线性，二是针对虚假目标。陈卫东、王东进等人长期从事多基地雷达系统多目标跟踪算法的研究，不断挖掘可利用的目标跟踪信息，提出了一系列目标跟踪算法，包括引入目标速度矢量、信号幅度信息等，并提出一种具有航迹质量管理的多目标跟踪算法，以解决多目标跟踪过程中航迹起始、航迹确认以及航迹删除等问题。

3.干扰/抗干扰

双/多基地雷达的优良抗干扰性能已经得到了一致认可。针对自卫式干扰和远距离支援式干扰，通过建立双基地的干扰雷达方程，得到雷达探测区和暴露区的计算模型，可以研究此条件下的双基地雷达抗有源压制性干扰的性能，并得出双基地雷达抗干扰性能优于单基地雷达的结论。虽然假设双基地雷达截面积为常数，没有考虑多路径效应和雷达直视距离及地球曲率的影响，但足以说明双/多基地雷达的抗干扰优势。

目前，分布式干扰是一种较新型的干扰方式，其典型代表就是“狼群”干扰。针对分布式干扰条件下的双基地雷达的探测能力，王勇刚等人建立了对双基地雷达进行分布式压制性干扰的数学模型，分析了分布式干扰下多种可能情况对双基地雷达探测能力的影响，并与自卫式干扰和远距离支援式干扰进行了比较。仿真结果表明，对双基地雷达实施分布式压制性干扰可以达到较好效果。不足之处是分布式干扰需要在地方纵深上空分布数量多、范围广的干扰机，因此可实施性并不高。针对分布式干扰也提出了相应的抗干扰策略，即采用多基地雷达T/RRn-模式，理论上n越大，被干扰的概率越小；也可采用分布式雷达组网对抗分布式干扰。

从现有干扰方法可以看出，传统干扰如压制性干扰对双/多基地雷达的应用条件有限，而通过角欺骗干扰或虚假目标相干干扰，影响或破坏双/多基地雷达融合定位与跟踪环节以实现干扰目的，将成为新的研究思路。

4.其他应用

除上述应用以外，双/多基地雷达在其他方面的应用也有很多研究。比如测量柱状目标几何中心、风场反演、植被监测等。其中双SAR具有前视成像等优势，因而受到高度重视，利用双SAR成像进行目标分类和识别的研究成果层出不穷。此外，基于双/多基地雷达理论的分集MIMO雷达也是当前的研究热点。