胡　程　劉長江　曾　濤

（北京理工大學(xué)信息與電子學(xué)院 北京 100081）

（北京市嵌入式實(shí)時(shí)信息處理技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100081）

雙基地前向散射雷達(dá)探測(cè)與成像

胡程劉長江曾濤*

（北京理工大學(xué)信息與電子學(xué)院 北京 100081）

（北京市嵌入式實(shí)時(shí)信息處理技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100081）

前向散射雷達(dá)（Forward Scatter Radar，F(xiàn)SR）作為一種特殊的雙基地雷達(dá)，可以利用目標(biāo)在穿越收發(fā)機(jī)之間基線的運(yùn)動(dòng)而形成的前向散射信號(hào)進(jìn)行探測(cè)、成像與識(shí)別。由于前向散射效應(yīng)對(duì)提高目標(biāo)雷達(dá)截面積具有重要意義，因此，前向散射雷達(dá)在反隱身探測(cè)方面具有顯著的優(yōu)勢(shì)。文章首先綜述了前向散射雷達(dá)截面積、前向散射雷達(dá)目標(biāo)探測(cè)及陰影逆合成孔徑雷達(dá)（Shadow Inverse Synthetic Aperture Radar，SISAR）成像的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，重點(diǎn)分析了前向散射雜波的統(tǒng)計(jì)特性、高精度參數(shù)估計(jì)與多目標(biāo)分辨等關(guān)鍵難題；在此基礎(chǔ)上詳細(xì)介紹了前向散射雷達(dá)探測(cè)和SISAR成像研究的最新理論和實(shí)驗(yàn)進(jìn)展，首次給出了基于北斗導(dǎo)航衛(wèi)星的民航客機(jī)前向散射探測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果；最后，對(duì)前向散射雷達(dá)探測(cè)和成像的研究前景和發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望，為隱身目標(biāo)的探測(cè)與識(shí)別研究提供一種新的技術(shù)手段。

雙基地；前向散射雷達(dá)；雷達(dá)截面積；目標(biāo)探測(cè)；SISAR成像

引用格式：胡程，劉長江，曾濤.雙基地前向散射雷達(dá)探測(cè)與成像［J］.雷達(dá)學(xué)報(bào)，2016，5（3）：229-243.DOI：10.12000/JR16058.

Reference format：Hu Cheng，Liu Changjiang，and Zeng Tao.Bistatic forward scattering radar detection and imaging［J］.Journal of Radars，2016，5（3）：229-243.DOI：10.12000/JR16058.

1　引言

作為人類探測(cè)環(huán)境的重要工具，雷達(dá)已經(jīng)經(jīng)歷了上百年的發(fā)展史，并形成了完善的雷達(dá)信號(hào)處理學(xué)科體系，對(duì)目標(biāo)的信息獲取能力越來越強(qiáng)大，極大地提高了戰(zhàn)爭(zhēng)中搜索、跟蹤目標(biāo)的能力［1］。然而隨著隱身技術(shù)、反輻射導(dǎo)彈（ARM）、綜合電子干擾（ECM）和低空突防技術(shù)的發(fā)展，特別是隱身技術(shù)的迅速發(fā)展，對(duì)雷達(dá)提出了新的要求和新的挑戰(zhàn)［2］。傳統(tǒng)雷達(dá)已經(jīng)難以應(yīng)付這種挑戰(zhàn)，雷達(dá)的生存構(gòu)成受到嚴(yán)重威脅，必須尋找新的技術(shù)發(fā)展途徑。人們提出并研制了多種新體制雷達(dá)，例如超寬帶雷達(dá)、長波段雷達(dá)、組網(wǎng)雷達(dá)和雙基地雷達(dá)等。其中雙基地雷達(dá)因其收發(fā)分置的幾何配置特點(diǎn)帶來了許多傳統(tǒng)單基地雷達(dá)所無法擁有的優(yōu)勢(shì)。

雙基地雷達(dá)可以定義為發(fā)射機(jī)和接收機(jī)互相分離的雷達(dá)系統(tǒng)，而其雙基地角定義為發(fā)射機(jī)到目標(biāo)連線和接收機(jī)到目標(biāo)連線的夾角。如果雙基地角大于135°，則接收機(jī)位于目標(biāo)的前向散射區(qū)，在這個(gè)區(qū)域內(nèi)，目標(biāo)的雷達(dá)散射截面積（Radar Cross Section，RCS）隨雙基地角的增大而迅速增大，通常比單基地RCS大十幾到幾十dB，當(dāng)雙基地角等于180°時(shí)，目標(biāo)RCS達(dá)到最大值。我們將接收機(jī)工作于目標(biāo)前向散射區(qū)的雷達(dá)稱為前向散射雷達(dá)（Forward Scatter Radar，F(xiàn)SR）［3，4］，其典型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。FSR利用了目標(biāo)RCS在前向散射區(qū)所體現(xiàn)出的諸多特性，對(duì)反隱身和小型目標(biāo)探測(cè)具有重要意義。

圖1　前向散射雷達(dá)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Configuration of FSR system

FSR通常利用目標(biāo)穿越基線時(shí)的前向散射信號(hào)來進(jìn)行動(dòng)目標(biāo)的檢測(cè)、跟蹤、成像和識(shí)別。與傳統(tǒng)的單基地雷達(dá)和雙基地雷達(dá)不同，F(xiàn)SR的工作是基于目標(biāo)對(duì)電磁波的衍射效應(yīng)，而非散射效應(yīng)。由電磁場(chǎng)理論知，當(dāng)目標(biāo)被電磁波照射時(shí)，其自身表面電流會(huì)感應(yīng)產(chǎn)生自散射場(chǎng)，同時(shí)如果目標(biāo)尺寸大于或等于波長，由于目標(biāo)邊緣對(duì)電磁波的衍射效應(yīng)，在目標(biāo)的后面會(huì)產(chǎn)生陰影場(chǎng)［5，6］。陰影場(chǎng)主要存在于雙基地角為180°附近的區(qū)域內(nèi)，也叫做前向散射場(chǎng)。在這個(gè)區(qū)域陰影場(chǎng)通常遠(yuǎn)大于目標(biāo)的自散射場(chǎng)，可以近似忽略自散射場(chǎng)的影響。很重要的一點(diǎn)是陰影區(qū)域的目標(biāo)散射截面積（Radar Cross Section，RCS）僅由目標(biāo)的輪廓決定，而與它的3維形狀或材料無關(guān)。

當(dāng)前的雷達(dá)隱身技術(shù)主要通過減弱、抑制、吸收和偏轉(zhuǎn)目標(biāo)的雷達(dá)回波來降低目標(biāo)RCS，使其在一定范圍內(nèi)難以被敵方雷達(dá)發(fā)現(xiàn)和識(shí)別。但考慮到目標(biāo)前向散射RCS不受目標(biāo)形狀和材料影響的特點(diǎn)，傳統(tǒng)的隱身技術(shù)在前向散射區(qū)將完全失效。同時(shí)目標(biāo)RCS在前向散射區(qū)迅速增強(qiáng)，通常比單基地雷達(dá)大十幾到幾十dB，也有效地提高了系統(tǒng)的敏感性［7］，因此隱身目標(biāo)探測(cè)是FSR的重要應(yīng)用方向之一。此外，基于目標(biāo)在前向散射區(qū)較強(qiáng)的RCS，也可利用FSR組網(wǎng)探測(cè)低空飛行的小型飛行器及行人、車輛等地面運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，在要地防空和戰(zhàn)場(chǎng)勢(shì)態(tài)感知方面發(fā)揮重要作用。由此可以看出前向散射雷達(dá)在目標(biāo)探測(cè)方面的重大優(yōu)勢(shì)所在。本文首先簡(jiǎn)要回顧了雙基地前向散射雷達(dá)國內(nèi)外發(fā)展歷程和研究現(xiàn)狀。在此基礎(chǔ)上，對(duì)雙基地前向散射運(yùn)動(dòng)目標(biāo)探測(cè)和雙基地前向散射陰影逆合成孔徑成像這兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了著重的展開描述，詳細(xì)介紹了一些關(guān)鍵問題的解決方法以及最新的研究成果。進(jìn)一步地，對(duì)基于衛(wèi)星信號(hào)的雙基地前向散射探測(cè)技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行了展望。最后一節(jié)給出結(jié)束語。

2　研究歷史與現(xiàn)狀

2.1國外研究歷史與現(xiàn)狀

雖然前向散射區(qū)RCS的增強(qiáng)效應(yīng)很早就被發(fā)現(xiàn)，并且一些早期的雙基地雷達(dá)也具備在前向散射區(qū)工作的能力，如著名的AN/FPS-23 Flutter雷達(dá)等，但是由于FSR的信號(hào)處理技術(shù)在此期間并沒有得到相應(yīng)的發(fā)展，造成前向散射效應(yīng)對(duì)目標(biāo)探測(cè)帶來的優(yōu)點(diǎn)一直沒有被充分利用起來。直到20世紀(jì)80年代末期，隨著雙基地雷達(dá)目標(biāo)檢測(cè)與跟蹤技術(shù)的迅速發(fā)展，才極大地推動(dòng)了前向散射雷達(dá)的研究步伐，使得前向散射雷達(dá)的研究進(jìn)入了一個(gè)新的階段。

最初設(shè)計(jì)研制FSR的目的主要是為利用前向散射區(qū)較強(qiáng)的RCS和其反隱身的潛力，探測(cè)隱身目標(biāo)和低空飛行的飛機(jī)、導(dǎo)彈等目標(biāo)。上世紀(jì)八九十年代，俄國人對(duì)FSR進(jìn)行長時(shí)間的研究，并開發(fā)了大型的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。其FSR系統(tǒng)工作于UHF波段（波長0.77 m），發(fā)射天線和接收天線立于30 m高的桿上，兩者相距40 km。實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)包括Jak-52教練機(jī)、L-29噴氣飛機(jī)和米-2直升機(jī)等，其飛行高度都在100～200 m。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)目標(biāo)穿越基線上方且雙基地角大于135°時(shí)都可以獲得20 dB以上回波信噪比，而回波信噪比最大可達(dá)到60 dB以上［8］。鑒于系統(tǒng)采用了陣列接收天線以獲得多通道回波，俄國人同時(shí)研究了基于匹配濾波的檢測(cè)算法［9］、基于空時(shí)處理的量測(cè)參數(shù)估計(jì)算法［10］和基于高斯牛頓迭代的跟蹤算法［11］。

考慮到前向散射效應(yīng)帶來的強(qiáng)RCS可以彌補(bǔ)無源探測(cè)較弱的發(fā)射信號(hào)功率，利用導(dǎo)航衛(wèi)星作為發(fā)射源，地面布置接收機(jī)構(gòu)成前向散射配置來探測(cè)空中目標(biāo)也是FSR的發(fā)展方向之一。最早的，德國的GmbH 公司的V.Koch和R.Westphal于1995年在IEEE上發(fā)表文章［12］，提出使用全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）進(jìn)行無源多基地探測(cè)。對(duì)所采集的4組實(shí)驗(yàn)信號(hào)數(shù)據(jù)的信噪比做了對(duì)比，實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)為小型螺旋槳飛機(jī)和輕型噴氣式飛機(jī)，分析結(jié)果表明所獲得的散射信號(hào)與目標(biāo)之間是相關(guān)的。2012年，德國弗勞恩霍夫集成電路研究所的研究人員發(fā)表了利用GPS信號(hào)探測(cè)空中目標(biāo)的最新成果［13］，實(shí)驗(yàn)利用GPS衛(wèi)星作為發(fā)射機(jī)，利用右旋極化的半球天線作為接收機(jī)，在紐倫堡機(jī)場(chǎng)跑道附近的不同位置觀測(cè)飛機(jī)穿越時(shí)的GPS前向散射信號(hào)。由于積累時(shí)間較短（處理間隔變短），其數(shù)據(jù)率較Koch的結(jié)果有所改善。分析結(jié)果表明，依據(jù)飛機(jī)穿越位置、衛(wèi)星信號(hào)和接收位置的不同，接收信號(hào)會(huì)出現(xiàn)不同程度的衰減、提升或震蕩。圖2是飛機(jī)穿越基線時(shí)同一位置接收到的不同衛(wèi)星的前向散射信號(hào)，可以看出由于飛機(jī)的遮擋效應(yīng)，可以明顯觀測(cè)到最大約30 dB的衰減，但同時(shí)也有一定提升產(chǎn)生，但最大不超過2 dB，這是由于飛機(jī)位置不同引起弗朗禾費(fèi)衍射所導(dǎo)致。

圖2　利用不同衛(wèi)星觀測(cè)到的前向散射信號(hào)（20 ms非相參積累）［13］Fig.2 Forward scatter signal observed by different satellites（20 ms non-coherent accumulation）［13］

近些年來隱身技術(shù)也開始廣泛應(yīng)用于地面/海面運(yùn)動(dòng)目標(biāo)（如戰(zhàn)車、坦克、艦船等）?？紤]到FSR對(duì)弱RCS目標(biāo)探測(cè)的優(yōu)勢(shì)，通過設(shè)計(jì)體積小、功耗低、易于布置且難以被發(fā)現(xiàn)的小型FSR并組網(wǎng)布置，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)特定區(qū)域的勢(shì)態(tài)感知，如圖3所示，在對(duì)地面車輛、海面艦艇探測(cè)方面具有一定優(yōu)勢(shì)［14］。進(jìn)入21世紀(jì)以來，在英國伯明翰大學(xué)，由M.Cheniakov帶領(lǐng)的MISL（Microwave Integrated Systems Laboratory）實(shí)驗(yàn)室開展了一系列有關(guān)前向散射雷達(dá)地面/海面運(yùn)動(dòng)目標(biāo)探測(cè)的研究工作，并通過國際合作交流的方式發(fā)展了馬來西亞、保加利亞、意大利及中國的科研人員參與到FSR的研究中來。伯明翰大學(xué)開發(fā)的小型多頻FSR系統(tǒng)可以工作于VHF和UHF波段，使用包絡(luò)檢波從直達(dá)波中提取目標(biāo)的散射信號(hào)［15］。

圖3　小型FSR組網(wǎng)探測(cè)示意［14］Fig.3 Illustration of forward scatter micro-radar network［14］

在地面目標(biāo)探測(cè)方面，伯明翰大學(xué)的研究主要是針對(duì)車輛分類識(shí)別開展。其中，R.Abdullah等在2006年給出了基于回波功率譜的車輛目標(biāo)識(shí)別方法［16］，其采用估計(jì)過零點(diǎn)數(shù)的方法求解目標(biāo)速度，并利用主成分分析和最近鄰法進(jìn)行分類，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理結(jié)果表明正確分類率可達(dá)60％以上。此外，R.Abdullah還給出了一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的車輛分類方法［17］。在海面目標(biāo)探測(cè)方面，主要由L.Daniel領(lǐng)導(dǎo)的小組進(jìn)行研究，其采用的系統(tǒng)頻段較高（7.5 GHz），架設(shè)于海峽兩側(cè)，基線長度約數(shù)百米。對(duì)不同大小的艦船目標(biāo)，其觀測(cè)到了形式差別較大的回波［18］。

FSR不僅可以對(duì)隱身目標(biāo)進(jìn)行有效的檢測(cè)與跟蹤，而且在應(yīng)用陰影逆合成孔徑雷達(dá)（Shadow Inverse Synthetic Aperture Radar，SISAR）理論后，可以增加對(duì)目標(biāo)成像和目標(biāo)識(shí)別的能力，為目標(biāo)分類識(shí)別提供了一種非常有效的新途徑，也使得FSR的研究進(jìn)入了一個(gè)新的階段。上世紀(jì)80年代俄國人V.V.Chapursky發(fā)現(xiàn)前向散射陰影場(chǎng)與目標(biāo)側(cè)影輪廓之間存在一定數(shù)學(xué)對(duì)應(yīng)關(guān)系，進(jìn)而提出了SISAR成像技術(shù)。

早期關(guān)于前向散射SISAR成像研究主要是以空中運(yùn)動(dòng)目標(biāo)為研究對(duì)象。文獻(xiàn)［19］基于小衍射角假設(shè)、夫瑯禾費(fèi)近似，首次提出了SISAR信號(hào)處理方法，使前向散射雷達(dá)具備了運(yùn)動(dòng)目標(biāo)成像與識(shí)別能力。文獻(xiàn)［20］在文獻(xiàn)［19］基礎(chǔ)上，基于小衍射角假設(shè)、菲涅耳近似，對(duì)信號(hào)模型和成像算法進(jìn)行了改進(jìn)，克服了夫瑯禾費(fèi)近似條件不滿足的情況。雖然這一時(shí)期的理論研究成果對(duì)前向散射雷達(dá)意義重大，但并未引起較多關(guān)注。直至2000年，V.V.Chapurskiy在國際雷達(dá)會(huì)議上公布了SISAR研究成果，并給出了實(shí)驗(yàn)結(jié)果，SISAR信號(hào)處理方法才得到了廣泛的關(guān)注［21］。V.V.Chapurskiy在文章中指出利用目標(biāo)前向散射信號(hào)功率譜函數(shù)差異，可對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別；并給出了小觀測(cè)角度下MiG-21、MiG-31及An-26三種不同形狀飛機(jī)的前向散射雷達(dá)實(shí)驗(yàn)回波信號(hào)的功率譜函數(shù)，其形狀各異且與飛機(jī)的輪廓函數(shù)一一對(duì)應(yīng)，首次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了SISAR理論用于空中運(yùn)動(dòng)目標(biāo)成像的正確性及目標(biāo)識(shí)別的潛力。2015年，伯明翰大學(xué)發(fā)表了基于收發(fā)相參同步的FSR對(duì)地面車輛的SISAR成像結(jié)果［22］（如圖4所示），驗(yàn)證了收發(fā)同步條件下的SISAR成像能力。

圖4　實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)SISAR成像結(jié)果［22］Fig.4 Experimental SISAR imaging result［22］

2.2國內(nèi)研究歷史與現(xiàn)狀

國內(nèi)方面，早期有關(guān)FSR的研究主要由西安電子科技大學(xué)開展，其研究工作主要是在俄羅斯人研究基礎(chǔ)上，對(duì)空中運(yùn)動(dòng)目標(biāo)成像技術(shù)進(jìn)行理論分析與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證［23-29］。文獻(xiàn)［23］提出利用小波分析的方法，抑制雜波對(duì)SISAR成像的影響；文獻(xiàn)［24］分析了空中目標(biāo)高度及位置對(duì)側(cè)影像的影響，提出了利用目標(biāo)側(cè)影像歸一化極點(diǎn)相對(duì)位置作為特征量的目標(biāo)識(shí)別方法。文獻(xiàn)［25］對(duì)文獻(xiàn)［23］和文獻(xiàn)［24］中信號(hào)模型進(jìn)行改進(jìn)，考慮了時(shí)間二次項(xiàng)對(duì)信號(hào)相位的影響。文獻(xiàn)［26］對(duì)空中目標(biāo)輪廓中線提取方法進(jìn)行了研究，用側(cè)影像相鄰分辨單元幅度及相位關(guān)聯(lián)特征判斷相位的卷繞，應(yīng)用條件約束重構(gòu)目標(biāo)中線。文獻(xiàn)［27］利用地面車輛進(jìn)行了L波段前向散射實(shí)驗(yàn)，獲得了目標(biāo)高度差像。文獻(xiàn)［28］和文獻(xiàn)［29］分別給出了兩種成像參數(shù)估計(jì)方法，適用于小衍射角SISAR成像運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償。

北京理工大學(xué)自2006年起與英國伯明翰大學(xué)MISL實(shí)驗(yàn)室的FSR小組開展聯(lián)合研究，在前向散射雷達(dá)雜波特性分析、運(yùn)動(dòng)目標(biāo)參數(shù)估計(jì)與多目標(biāo)分辨特性方面取得了豐富的研究成果。主要對(duì)地表雜波的幅度和頻譜統(tǒng)計(jì)特性進(jìn)行了詳細(xì)研究，給出了地面運(yùn)動(dòng)目標(biāo)速度的最優(yōu)估計(jì)方法，并開展了多角度聯(lián)合參數(shù)估計(jì)的實(shí)驗(yàn)研究。在此基礎(chǔ)上，基于我國新一代導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)（北斗二代），開展了基于導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行空中目標(biāo)探測(cè)的可行性驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，成功獲取了民航客機(jī)的前向散射信號(hào)［30］。此外，北京理工大學(xué)從2010年起陸續(xù)發(fā)表了一系列有關(guān)SISAR成像技術(shù)的文章，其主要側(cè)重于大衍射角SISAR成像和SISAR成像實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，對(duì)SISAR成像技術(shù)的進(jìn)展起到了重要的推動(dòng)作用。

3　雙基地前向散射運(yùn)動(dòng)目標(biāo)探測(cè)

與傳統(tǒng)單基地雷達(dá)相比，F(xiàn)SR的突出特點(diǎn)主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：獨(dú)特的散射機(jī)理及無距離向分辨能力?？紤]到FSR系統(tǒng)是基于電磁波的衍射特性，而不是傳統(tǒng)的后向散射特性，因此無論是信號(hào)模型還是雜波模型都與傳統(tǒng)形式存在較大差異。同時(shí)，F(xiàn)SR距離分辨能力的缺失也給信號(hào)處理帶來很多困難：首先雷達(dá)覆蓋的大范圍區(qū)域的雜波都會(huì)進(jìn)入接收機(jī)，雜波強(qiáng)度非常大；其次無距離分辨能力導(dǎo)致系統(tǒng)無法直接定位，只能依靠回波多普勒等信息非線性求解目標(biāo)運(yùn)動(dòng)參數(shù)。因此，前向散射雜波統(tǒng)計(jì)特性分析與高精度目標(biāo)運(yùn)動(dòng)參數(shù)估計(jì)是前向散射雷達(dá)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)與跟蹤的技術(shù)基礎(chǔ)。這一節(jié)將從目標(biāo)前向散射特性、雜波統(tǒng)計(jì)特性、運(yùn)動(dòng)目標(biāo)參數(shù)估計(jì)方法及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證4個(gè)方面進(jìn)行論述。

3.1雙基地前向散射RCS計(jì)算

雙基地前向散射RCS大于后向散射 RCS很早即被觀察到，并應(yīng)用到了雙基地雷達(dá)的設(shè)想中。最早的R.E.Hiatt等在1960年給出了雙基地角為180°時(shí)前向散射RCS的計(jì)算公式（1），并通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證［31］：

其中，A為目標(biāo)在入射波方向的投影面積，λ為波長。式（1）表明，目標(biāo)前向散射RCS僅與投影面積和波長有關(guān)，與目標(biāo)3維形狀和涂覆材料無關(guān)。進(jìn)一步基于巴比涅原理，J.I.Glaser指出目標(biāo)散射場(chǎng)與入射場(chǎng)照射一個(gè)其上開口形狀與目標(biāo)投影輪廓相同的無限大不透明屏是相同的［32］。因此，在雙基地角接近180°時(shí)，前向散射RCS可以寫為：

其中，k為波數(shù)矢量，ρ為目標(biāo)側(cè)影平面的坐標(biāo)矢量，ds為微分表面積。當(dāng)雙基地角等于180°時(shí)，式（2）就退化為式（1）。式（2）表明，前向散射RCS隨角度的變化與相同形狀且均勻照射的天線方向圖相同。隨后，J.I.Glaser在1989年也給出了一些雙基地在180°時(shí)的實(shí)測(cè)前向散射RCS結(jié)果［33］。1999年，A.B.Blyakhman等首次公開發(fā)表了真實(shí)飛機(jī)的前向散射回波功率的實(shí)測(cè)結(jié)果［8］，如圖5所示，其中點(diǎn)線表示根據(jù)實(shí)測(cè)回波信噪比換算得到的RCS，實(shí)線表示利用式（2）得到的仿真值。

圖5　米-2直升飛機(jī)的前向散射RCS［8］Fig.5 Forward scatter RCS of Mi-2 helicopter［8］

3.2前向散射雜波特性分析與物理建模

雜波背景中的信號(hào)檢測(cè)通常要獲知雜波的統(tǒng)計(jì)特性，以此確定最優(yōu)檢測(cè)策略及雜波抑制方法。針對(duì)前向散射雜波特性分析與物理建模這一問題，北京理工大學(xué)與伯明翰大學(xué)合作開展了一系列研究［34-38］。

研究首先針對(duì)雜波的統(tǒng)計(jì)特性進(jìn)行分析，其主要包括幅度特性和譜特性。對(duì)幅度統(tǒng)計(jì)特性，3個(gè)載波頻率的雜波數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)顯示：?jiǎn)瓮ǖ离s波信號(hào)的統(tǒng)計(jì)特性曲線在小幅度時(shí)非常接近高斯概率密度函數(shù)，這也說明了在弱風(fēng)時(shí)，雜波強(qiáng)度較弱且為各均勻散射體的回波數(shù)據(jù)，因此其統(tǒng)計(jì)特性接近高斯分布；而在強(qiáng)風(fēng)時(shí)，由于強(qiáng)散射體（如樹干等）的擺動(dòng)，出現(xiàn)了強(qiáng)散射體雜波，因此雜波的均勻性被破壞，在特性曲線的尾部與高斯曲線有一定的差距，反而更接近于指數(shù)分布。

對(duì)譜特性，通過對(duì)不同風(fēng)速、頻率雜波功率譜的分析發(fā)現(xiàn)了前向散射情況下雜波的譜擴(kuò)展對(duì)風(fēng)速極不敏感這一特殊現(xiàn)象，風(fēng)速的增加主要是對(duì)雜波強(qiáng)度的影響較大；并且同樣的風(fēng)速情況下，雜波的譜擴(kuò)展與載波頻率也不再是載波頻率之比的比例關(guān)系，雜波的譜擴(kuò)展也幾乎相同，只有在強(qiáng)風(fēng)的時(shí)候略有差異不同強(qiáng)度的雜波譜信號(hào)幾乎相同，也即雜波譜特性并沒有隨著風(fēng)速的增加而成比例的增加。例如圖6中的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)處理完全看不到433 MHz載波頻率下的雜波譜寬是151 MHz載波頻率下的雜波譜寬3倍的結(jié)果。

圖6　弱風(fēng)和強(qiáng)風(fēng)情況下不同載波頻率的雜波譜特征［34］Fig.6 Clutter spectrum characters under different carrier frequencies and wind intensity［34］

為解釋雜波統(tǒng)計(jì)分析中一些獨(dú)特的現(xiàn)象，結(jié)合前向散射雷達(dá)回波多普勒信號(hào)的形成條件，提出了利用鐘擺模型對(duì)植被雜波的強(qiáng)度和譜擴(kuò)展特性進(jìn)行定性的解釋。如圖7所示，前向散射雷達(dá)的植被雜波可以采用單擺振子模型來建模分析解釋，等效為大量的單擺振子進(jìn)行無規(guī)則的單擺振動(dòng)，擺動(dòng)幅度隨風(fēng)速變化；每個(gè)單擺振子具有自己固定的擺動(dòng)周期，也即具有自己固定的振蕩頻率，在接收端形成具有接近各自振蕩頻率的整個(gè)雜波信號(hào)。鐘擺模型下定性解釋和理論分析得到的結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)處理結(jié)果的一致性充分表明了模型的有效性［34］。

圖7　等效鐘擺模型示意圖［34］Fig.7 Illustration of the equivalent pendulum model［34］

此外，基于功率譜模型擬合的方法對(duì)雜波信號(hào)的功率譜進(jìn)行了估計(jì)，對(duì)比了各種經(jīng)典的功率譜模型與真實(shí)雜波數(shù)據(jù)功率譜形狀的差異，選定AR模型擬合實(shí)際功率譜密度函數(shù)；利用擬合的功率譜數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了雜波抑制的處理，而實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的處理結(jié)果充分地驗(yàn)證了雜波抑制方法的有效性。圖8給出了一組經(jīng)過雜波抑制處理的目標(biāo)運(yùn)動(dòng)速度估計(jì)結(jié)果，實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)為人，載波頻率869 MHz。可以看出，在較高的載波頻率下，雜波信號(hào)太強(qiáng)，目標(biāo)信號(hào)完全被淹沒。雜波抑制前和雜波抑制后的速度估計(jì)處理結(jié)果差異非常明顯：在雜波抑制前，無法進(jìn)行有效的目標(biāo)速度估計(jì)，而在雜波抑制后，其速度估計(jì)曲線較為平滑，存在明顯的峰值，并得到了精確的速度估計(jì)結(jié)果，充分表明了在高載波頻率雜波抑制的必要性，也證明了估計(jì)的雜波功率譜模型的有效性。

圖8　強(qiáng)風(fēng)情況下的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)速度估計(jì)結(jié)果［34］Fig.8 Speed estimation result for moving target under strong wind［34］

3.3目標(biāo)運(yùn)動(dòng)參數(shù)估計(jì)

與雜波分析相類似，F(xiàn)SR中的目標(biāo)運(yùn)動(dòng)參數(shù)估計(jì)也是研究的難點(diǎn)與重點(diǎn)之一。按照目標(biāo)的不同劃分，F(xiàn)SR中的運(yùn)動(dòng)參數(shù)估計(jì)主要分為地面/海面目標(biāo)運(yùn)動(dòng)參數(shù)估計(jì)和空中目標(biāo)運(yùn)動(dòng)參數(shù)估計(jì)。前者目標(biāo)較小且速度較低，受雷達(dá)限制，一般只能獲取單通道回波數(shù)據(jù)；后者目標(biāo)較大且速度較快，一般通過陣列天線獲取多通道回波數(shù)據(jù)，可以進(jìn)行多普勒和波達(dá)角的估計(jì)。這些諸多的差異也決定了兩者信號(hào)處理方法的不同。

北京理工大學(xué)自2008年起與MISL實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合發(fā)表了一系列有關(guān)FSR地面目標(biāo)運(yùn)動(dòng)參數(shù)估計(jì)的文章［39-43］。研究首先在考慮多徑影響、發(fā)射極化類型、球面波效應(yīng)、觀測(cè)角度非線性變化及面目標(biāo)模型的基礎(chǔ)上建立了地面運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的精確信號(hào)模型，并對(duì)接收回波功率進(jìn)行了分析計(jì)算［40］。在信號(hào)建模和功率分析的基礎(chǔ)上，基于最優(yōu)信號(hào)處理理論，提出了一種速度參數(shù)估計(jì)方法，并詳細(xì)地分析了各種非理想因素（非正交軌跡、非中點(diǎn)位置穿越基線及非零加速度情況）對(duì)速度估計(jì)性能的影響，并通過仿真數(shù)據(jù)和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的處理對(duì)估計(jì)方法和非理想因素的影響進(jìn)行了驗(yàn)證［42］?？紤]到實(shí)際情況中目標(biāo)穿越基線中點(diǎn)的情況較少，并且穿越的位置點(diǎn)嚴(yán)重影響目標(biāo)的多普勒信號(hào)，從而造成目標(biāo)速度估計(jì)的偏差較大。因此在最大似然估計(jì)理論框架下，提出了任意情況下的多參數(shù)聯(lián)合非線性估計(jì)方法，該方法可以同時(shí)得到目標(biāo)運(yùn)動(dòng)速度和穿越點(diǎn)位置的估計(jì)，并推導(dǎo)獲得了解析的克拉美羅界，進(jìn)一步擴(kuò)充了系統(tǒng)的工作區(qū)域和提高了系統(tǒng)的參數(shù)估計(jì)精度［43］。

圖9給出了一組多參數(shù)聯(lián)合非線性估計(jì)的結(jié)果。在實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)中，目標(biāo)（人）垂直穿越基線，穿越點(diǎn)離發(fā)射機(jī)距離10 m，基線長度50 m，載波頻率為151 MHz。從圖9中的處理結(jié)果可以看出，目標(biāo)的估計(jì)速度為1.62 m/s，目標(biāo)的穿越位置估計(jì)值為10 m和40 m，與真實(shí)值基本一致。多參數(shù)聯(lián)合的估計(jì)方法能夠精確地估計(jì)出目標(biāo)的基線穿越位置，為沿基線方向提供一定的分辨能力奠定了基礎(chǔ)。

除此之外，也基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)FSR對(duì)地面編隊(duì)目標(biāo)的分辨能力進(jìn)行了驗(yàn)證。圖10是一大一小兩目標(biāo)編隊(duì)情況，大目標(biāo)為車輛，小目標(biāo)為人。在實(shí)驗(yàn)中，兩目標(biāo)的距離設(shè)置為5 m，目標(biāo)之間通過細(xì)繩相連保持固定的間距和相同的速度。通過對(duì)實(shí)測(cè)信號(hào)的估計(jì)處理，速度估計(jì)值為1.92 m/s，峰值之間的時(shí)間間隔為2.65 s，因此估計(jì)的目標(biāo)隔離度約為5.08 m，非常接近設(shè)置值，同時(shí)兩個(gè)目標(biāo)峰值清晰可見，表明兩目標(biāo)得到了較好的分辨。

圖9　聯(lián)合非線性估計(jì)器實(shí)驗(yàn)結(jié)果［43］Fig.9 Experimental result of joint non-linear estimator［43］

在FSR空中目標(biāo)運(yùn)動(dòng)參數(shù)估計(jì)方面，北京理工大學(xué)在俄國人研究的基礎(chǔ)上進(jìn)行了諸多改進(jìn)，進(jìn)一步提高了目標(biāo)的初值估計(jì)和跟蹤精度［44-47］。其中針對(duì)傳統(tǒng)FSR目標(biāo)跟蹤中存在的初始狀態(tài)估計(jì)誤差太大、跟蹤保持階段數(shù)據(jù)率低、計(jì)算量大、穩(wěn)定性差的問題，在2013年提出了一種修正的FSR 3維跟蹤算法，算法基于解析推導(dǎo)和Levenberg-Marquardt算法提出了一種新的初始狀態(tài)估計(jì)方法，在相同參數(shù)估計(jì)精度下，初值估計(jì)誤差比經(jīng)典方法降低了一個(gè)數(shù)量級(jí)，并使用修正的擴(kuò)展卡爾曼濾波算法進(jìn)行跟蹤保持［44］。最近在2015年IEEE雷達(dá)會(huì)議上發(fā)表的文章給出了一種基于最小二乘的FSR跟蹤初值估計(jì)算法［46］，該方法在對(duì)觀測(cè)噪聲和不同航跡的適應(yīng)能力上都遠(yuǎn)優(yōu)于現(xiàn)有算法。

3.4基于北斗導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)的前向散射目標(biāo)探測(cè)

北京理工大學(xué)在2015年自主開展了一系列基于北斗導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)探測(cè)空中運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)利用北斗導(dǎo)航衛(wèi)星作為發(fā)射源，地面布置接收機(jī)，構(gòu)成前向散射配置探測(cè)首都機(jī)場(chǎng)附近起降的民航客機(jī)目標(biāo)。實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地上方有數(shù)條民航客機(jī)飛行通道。采用全向天線接收導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)，如圖11所示。

對(duì)接收回波，采用導(dǎo)航星信號(hào)處理中的碼相關(guān)技術(shù)提取前向散射信號(hào)。理論分析表明，相參積累后的信號(hào)包絡(luò)可以看作直達(dá)波信號(hào)與前向散射信號(hào)的一路正交分量相參疊加的結(jié)果，這樣可以去除直達(dá)波的影響，利用抽取的前向散射信號(hào)進(jìn)行目標(biāo)檢測(cè)及參數(shù)估計(jì)等后續(xù)信號(hào)處理操作。具體信號(hào)處理流程如圖12所示。

基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理結(jié)果，首次觀察到了北斗導(dǎo)航衛(wèi)星對(duì)飛機(jī)目標(biāo)的前向散射信號(hào)。如圖13所示，可以明顯觀察到前向散射場(chǎng)對(duì)回波信號(hào)的相位和幅度調(diào)制，主要表現(xiàn)為近似線性調(diào)頻多普勒及陰影遮擋現(xiàn)象。

圖11　民航客機(jī)探測(cè)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景與實(shí)驗(yàn)設(shè)備Fig.11 Experiment scene and equipment for civil airbus detection

圖12　導(dǎo)航衛(wèi)星前向散射信號(hào)處理流程Fig.12 Processing flow of GNSS forward scatter signal

當(dāng)目標(biāo)位于近似遠(yuǎn)場(chǎng)時(shí)，如圖13（a）所示，此時(shí)回波多普勒近似為線性調(diào)頻信號(hào)，可以利用回波信號(hào)進(jìn)行相關(guān)參數(shù)估計(jì)。根據(jù)理論推導(dǎo)可以給出目標(biāo)平飛假設(shè)下前向散射回波多普勒Kr的表達(dá)式［30］：

圖13　北斗導(dǎo)航衛(wèi)星前向散射信號(hào)提取結(jié)果Fig.13 Forward scatter signal extraction of BeiDou navigation satellites

其中，v表示目標(biāo)絕對(duì)運(yùn)動(dòng)速度，θSV表示衛(wèi)星仰角，表示目標(biāo)運(yùn)動(dòng)方向與基線在地面投影之間的夾角，λ表示信號(hào)波長，H表示目標(biāo)距地面垂直高度。上述參數(shù)可以通過星歷軟件和網(wǎng)絡(luò)查詢獲得，實(shí)際中我們使用了星歷軟件Obitron來獲取衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)軌跡，輸入接收機(jī)經(jīng)緯度116.637552E，39.899809N和模擬時(shí)間，即可以獲得此時(shí)北斗衛(wèi)星相對(duì)于接收機(jī)的位置（俯仰角和方位角），如圖14（a）所示。同時(shí)利用航班查詢網(wǎng)站Flightradar24獲取飛機(jī)的運(yùn)動(dòng)信息，包括速度、高度、航向及位置等，如圖14（b）所示。

對(duì)圖13（a）中的信號(hào)，根據(jù)Obitron獲得其對(duì)應(yīng)的衛(wèi)星方位角為356.8°，俯仰角為73.8°；根據(jù)Flighradar24獲得飛機(jī)型號(hào)為波音747，飛行高度1044 m，飛行速度103 m/s，航向角354°。將上述參數(shù)代入式（3）可以計(jì)算得到其調(diào)頻率約為36 Hz/s。同時(shí)基于信號(hào)匹配的方法可以獲得對(duì)該信號(hào)調(diào)頻率的估計(jì)［42］，其調(diào)頻率估計(jì)結(jié)果約為31 Hz/s，誤差約為14％?？紤]到估計(jì)誤差及航班信息的延遲性，作為理論驗(yàn)證該參數(shù)估計(jì)結(jié)果的精度可以接受。

圖14　目標(biāo)及衛(wèi)星信息獲取Fig.14 Information acquisition for targets and satellites

4　雙基地前向散射SISAR成像原理與方法

在SISAR成像理論提出后相當(dāng)長一段時(shí)間內(nèi)對(duì)此項(xiàng)技術(shù)的研究都處于停滯狀態(tài)，其原因主要有兩點(diǎn)，其一是SISAR成像技術(shù)利用了類似于光學(xué)中的衍射理論而不是傳統(tǒng)雷達(dá)成像的后向散射理論，這一點(diǎn)不太容易被接受；其二是一直缺乏適于成像的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作為理論研究的支撐。實(shí)際上作為FSR特殊的目標(biāo)識(shí)別技術(shù)，SISAR成像在FSR信號(hào)處理理論中占有重要地位。北京理工大學(xué)自2010年起，一直致力于SISAR成像技術(shù)的研究，在成像方法及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證方面開展了較多的研究工作［48-60］。這一節(jié)將從SISAR成像原理、成像方法及成像驗(yàn)證3個(gè)方面進(jìn)行論述。

4.1SISAR成像原理［21］

SISAR信號(hào)建模及成像方式與傳統(tǒng)雷達(dá)信號(hào)建模及成像方式有很大差異。其中，SISAR成像的目標(biāo)前向散射信號(hào)模型可以通過黑體近似、巴比涅原理以及菲涅爾-基爾霍夫衍射理論得到［4］。

在雙基地情況下，當(dāng)目標(biāo)被電磁波照射時(shí)，散射場(chǎng)由兩部分組成：一部分是由入射波在目標(biāo)表面形成的感應(yīng)電流產(chǎn)生，被稱為目標(biāo)的自散射場(chǎng)；另一部分是由目標(biāo)對(duì)入射波前的部分遮擋產(chǎn)生，被稱為目標(biāo)的陰影場(chǎng)。在前向散射雷達(dá)工作區(qū)域內(nèi)，自散射場(chǎng)比陰影場(chǎng)弱很多，通?？梢院雎云溆绊?，這相當(dāng)于把真實(shí)的目標(biāo)看作一個(gè)絕對(duì)的黑體，在黑體的前向散射區(qū)域僅有陰影場(chǎng)存在。由于陰影場(chǎng)與目標(biāo)3維形狀無關(guān)，僅由目標(biāo)的陰影輪廓形狀決定，因此分析目標(biāo)陰影場(chǎng)時(shí)，3維形狀目標(biāo)可近似為一個(gè)具有目標(biāo)陰影輪廓形狀的2維面目標(biāo)，該面目標(biāo)同時(shí)也是一個(gè)不透光屏。

4.2SISAR成像方法

由菲涅耳-基爾霍夫衍射公式給出的理想前向散射信號(hào)模型形式較為復(fù)雜，無法直接根據(jù)其求解目標(biāo)側(cè)影輪廓。而SISAR成像方法則是在一定假設(shè)或近似的條件下將菲涅耳-基爾霍夫衍射公式進(jìn)行化簡(jiǎn)，使其中包含的目標(biāo)側(cè)影輪廓信息易于數(shù)值求解。

俄國人最早提出的SISAR成像算法是在小衍射角條件下將目標(biāo)斜距作關(guān)于基線斜距的泰勒展開［21］，這樣前向散射信號(hào)與目標(biāo)復(fù)輪廓函數(shù)（包含高度差像和中線像信息）是一個(gè)菲涅爾變換對(duì)的關(guān)系。如果考慮用FFT進(jìn)行快速成像，前向散射信號(hào)在補(bǔ)償?shù)舳嗥绽障辔缓笈c目標(biāo)復(fù)輪廓函數(shù)是一個(gè)傅里葉變換對(duì)的關(guān)系［28］，但這樣中線像會(huì)出現(xiàn)誤差。

考慮到傳統(tǒng)小衍射角SISAR成像算法受衍射角和斜距近似的限制，相參角度和成像精度都有限，因此，文獻(xiàn)［54］提出了一種高精度的大衍射角SISAR成像方法，該方法基于真實(shí)斜距歷程的2階近似方法獲得了精確的前向散射信號(hào)模型。

前向散射雷達(dá)成像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖15所示，在大衍射角信號(hào)模型中，對(duì)目標(biāo)側(cè)影輪廓上任一點(diǎn)的收發(fā)斜距rR，T作如下近似表示：

圖15　前向散射雷達(dá)成像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.15 Illustration of FSR imaging system structure

在此基礎(chǔ)上，大衍射角運(yùn)動(dòng)目標(biāo)前向散射信號(hào)模型可簡(jiǎn)寫為：

對(duì)大衍射角前向散射信號(hào)模型進(jìn)行逆變換可得到大衍射角成像算法：

其中Ts為相參積累時(shí)間。在大衍射角成像算法中，由于精確補(bǔ)償了目標(biāo)中心點(diǎn)多普勒相位、目標(biāo)輪廓長度二次相位以及目標(biāo)沿基線方向運(yùn)動(dòng)速度引入的相位，得到的復(fù)輪廓函數(shù)的相位可以精確地反映目標(biāo)中線高度信息，這使得FSR可以精確提取地面運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的中線高度像。在大衍射角SISAR成像算法的基礎(chǔ)上，針對(duì)非垂直穿越目標(biāo)輪廓投影面不與基線垂直的問題，文獻(xiàn)［53］提出了一種改進(jìn)的大衍射角SISAR成像方法，可以對(duì)非垂直穿越目標(biāo)更精確地恢復(fù)輪廓像；針對(duì)地面運(yùn)動(dòng)目標(biāo)成像中存在的多徑干擾問題，文獻(xiàn)［54］研究了多徑干涉對(duì)目標(biāo)前向散射RCS的影響以及對(duì)應(yīng)的地面運(yùn)動(dòng)目標(biāo)SISAR成像方法，并給出了車輛等地面目標(biāo)的成像結(jié)果。

4.3SISAR成像驗(yàn)證

圖16　車輛目標(biāo)SISAR成像結(jié)果對(duì)比［52］Fig.16 Comparison of SISAR imaging results of vehicle target［52］

考慮到收發(fā)不同步的情況下利用包絡(luò)檢波方法一般只能提取單通道回波信號(hào)［4］，并不適用于SISAR成像，因此早期關(guān)于SISAR成像的驗(yàn)證都是基于仿真開展的。為保證仿真結(jié)果的精確性和有效性，一般情況下都采用未經(jīng)近似處理的菲涅爾-基爾霍夫衍射模型構(gòu)造回波信號(hào)，并進(jìn)一步利用回波信號(hào)進(jìn)行SISAR成像。圖16給出了一組車輛目標(biāo)的小衍射角SISAR成像與大衍射角SISAR成像的對(duì)比結(jié)果［52］，用于成像的信號(hào)對(duì)應(yīng)接收方位角為-28°～28°。對(duì)比可以看出，在衍射角較大時(shí)，大衍射角SISAR成像算法可以精確恢復(fù)目標(biāo)的高度差像和中線像，而小衍射角SISAR成像算法分辨率較低，中線像也出現(xiàn)了較大誤差。

為驗(yàn)證SISAR技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中的能力，進(jìn)一步開展了地面運(yùn)動(dòng)目標(biāo)SISAR成像的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)主要參數(shù)如表1所示。

表1　SISAR成像驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)參數(shù)Tab.1 Parameters of SISAR imaging experiment

實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)主要包括金屬質(zhì)凸形板、木質(zhì)凸形板及面包車等，如圖17所示?？紤]到包括檢波只能提取單路實(shí)信號(hào)，因此在數(shù)據(jù)處理中采用了一種基于分段希爾伯特變換的復(fù)信號(hào)恢復(fù)方法［60］，并利用恢復(fù)的正交復(fù)信號(hào)進(jìn)行SISAR成像，其結(jié)果如圖18所示。由于目標(biāo)中心相對(duì)天線的高度近似為0，因此只提取了高度差像結(jié)果?？梢钥闯觯崛〉母叨炔钕窈湍繕?biāo)真實(shí)高度差像間有較強(qiáng)的一致性，驗(yàn)證了SISAR技術(shù)對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)成像和識(shí)別的作用。

圖17　SISAR成像實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)Fig.17 Targets in SISAR imaging experiment

圖18　SISAR成像實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)處理結(jié)果［60］Fig.18 Processing results of SISAR imaging experiment data［60］

5　基于衛(wèi)星信號(hào)的雙基地前向散射探測(cè)技術(shù)展望

近年來，隨著新一代隱身技術(shù)的發(fā)展（如“X-37B”的空天戰(zhàn)機(jī)），常規(guī)軍用雷達(dá)無法對(duì)其有效探測(cè)，受到越來越嚴(yán)重的威脅。雙基地及前向散射探測(cè)技術(shù)作為一種有效的對(duì)抗手段受到越來越多的重視。特別是隨著新一代衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展，如新一代通信衛(wèi)星（世廣衛(wèi)星）、導(dǎo)航衛(wèi)星（北斗二代）及遙感衛(wèi)星（地球同步軌道合成孔徑雷達(dá)），其系統(tǒng)覆蓋能力、平臺(tái)和載荷能力都有大幅度的提升（采用大天線和大發(fā)射功率）。若在地面和空中布置接收平臺(tái)，極易構(gòu)成雙基地配置或前向散射配置，使得目標(biāo)的雷達(dá)散射截面積顯著增大，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)隱身目標(biāo)的探測(cè)。

目前可以考慮的發(fā)射源有導(dǎo)航衛(wèi)星和地球同步軌道合成孔徑雷達(dá)（GEO SAR）衛(wèi)星等，如圖19所示。其中導(dǎo)航衛(wèi)星數(shù)目眾多，覆蓋區(qū)域廣，任意時(shí)刻任意地點(diǎn)可見多顆衛(wèi)星（4顆及以上），但導(dǎo)航星的等效全向輻射功率（EIRP）相對(duì)較弱，即使在前向散射配置下目標(biāo)的RCS可以增大50～60 dB，但仍然亟需突破如下關(guān)鍵問題：高增益接收機(jī)及長時(shí)間信號(hào)積累技術(shù)、時(shí)頻同步技術(shù)、高精度參數(shù)估計(jì)技術(shù)。

圖19　基于導(dǎo)航衛(wèi)星的前向散射雷達(dá)組網(wǎng)Fig.19 Netted FSR based on GNSS satellites

地球同步軌道合成孔徑雷達(dá)（GEO SAR）衛(wèi)星是運(yùn)行在36000 km高度地球同步軌道上的SAR衛(wèi)星，通過軌道參數(shù)的合理設(shè)計(jì)，一顆GEO SAR衛(wèi)星就可以保證對(duì)我國及部分周邊國家的感興趣區(qū)域每天觀測(cè)一次到兩次，對(duì)重點(diǎn)區(qū)域甚至可以實(shí)現(xiàn)不間斷監(jiān)視（圖20）。

圖20　GEO SAR對(duì)中國及鄰近區(qū)域的重訪時(shí)間Fig.20 Revisit time of GEO SAR to China and neighboring regions

目前，GEO SAR已被列入我國“高分辨率對(duì)地觀測(cè)”國家科技重大專項(xiàng)的重點(diǎn)攻關(guān)項(xiàng)目之一，并且已經(jīng)完成背景立項(xiàng)。基于GEO SAR衛(wèi)星照射（EIRP值可達(dá)73～81 dBW），在地面/空中布置多個(gè)接收天線以形成天-地雙基地前向散射雷達(dá)網(wǎng)絡(luò)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)特定區(qū)域內(nèi)隱身目標(biāo)或低可見目標(biāo)的全天時(shí)、全天候遠(yuǎn)距離監(jiān)測(cè)，具有極大的應(yīng)用潛力。但GEO SAR衛(wèi)星數(shù)量受限且功率資源分配受限，因此亟需突破如下問題：最優(yōu)衛(wèi)星編隊(duì)設(shè)計(jì)技術(shù)、波束掃描與波束管理技術(shù)、時(shí)頻同步技術(shù)及高精度參數(shù)估計(jì)技術(shù)。

此外，如何利用FSR回波信息進(jìn)行目標(biāo)識(shí)別也是亟待研究的核心問題之一。當(dāng)采用FSR組網(wǎng)探測(cè)時(shí)，基于多節(jié)點(diǎn)探測(cè)可以獲得目標(biāo)的多角度回波信號(hào)，從而獲取多角度的目標(biāo)參數(shù)信息?？紤]如何利用多角度回波信號(hào)提高參數(shù)估計(jì)性能，如何借助多角度參數(shù)估計(jì)信息和多角度側(cè)影輪廓像獲得目標(biāo)的3維輪廓信息，則可以大大提高對(duì)隱身目標(biāo)的識(shí)別能力，可為隱身目標(biāo)的識(shí)別提供一種有效的技術(shù)手段。

6　結(jié)束語

FSR因其特殊的目標(biāo)衍射效應(yīng)而受到重視，其探測(cè)與成像技術(shù)也已由純理論的研究階段逐步開始轉(zhuǎn)向?qū)嶒?yàn)驗(yàn)證階段，應(yīng)用方向也由早期的空中目標(biāo)探測(cè)擴(kuò)展到了地面及海面目標(biāo)探測(cè)。本文首先介紹了近30年來FSR技術(shù)在地面、海面及空中目標(biāo)的應(yīng)用現(xiàn)狀與趨勢(shì)，并著重討論了FSR的雜波特性與參數(shù)估計(jì)問題，通過建立新穎的鐘擺物理模型，合理地解釋了前向散射雜波譜寬對(duì)風(fēng)速和波長不敏感這一特殊現(xiàn)象；同時(shí)，首次給出了基于北斗導(dǎo)航衛(wèi)星的前向散射信號(hào)提取流程及民航飛機(jī)前向散射探測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果；最后，重點(diǎn)討論了前向散射SISAR成像這一新技術(shù)，提出了基于非線性時(shí)變參數(shù)補(bǔ)償?shù)拇笱苌浣荢ISAR成像新方法，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證獲取了多種目標(biāo)的陰影輪廓像，為隱身目標(biāo)的識(shí)別提供了一種重要技術(shù)手段。

同時(shí)，隨著隱身技術(shù)的快速發(fā)展，新一代雷達(dá)與隱身目標(biāo)的對(duì)抗會(huì)愈加劇烈，F(xiàn)SR技術(shù)因其優(yōu)越的反隱身性能而將越來越受到重視。因此，F(xiàn)SR技術(shù)與雙多基地雷達(dá)體制或組網(wǎng)雷達(dá)體制的結(jié)合，將彌補(bǔ)前向散射覆蓋區(qū)域受限的缺點(diǎn)，充分發(fā)揮FSR技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，進(jìn)一步完善隱身目標(biāo)的探測(cè)與識(shí)別體系，為隱身目標(biāo)的探測(cè)與識(shí)別提供新的研究方向和更為廣闊的發(fā)展前景。

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胡 程（1981-），湖南岳陽人，男，教授，博士生導(dǎo)師。任北京理工大學(xué)雷達(dá)技術(shù)研究所副所長，IET Fellow、IEEE Senior Member。主要研究方向包括地球同步軌道SAR、雙基地/前向散射雷達(dá)信號(hào)處理及昆蟲雷達(dá)等。

E-mail：hucheng.bit@gmail.com

劉長江（1990-），山東日照人，男，博士研究生。主要研究方向?yàn)榍跋蛏⑸淅走_(dá)信號(hào)處理和昆蟲雷達(dá)信號(hào)處理。

E-mail：liuchangjiang@bit.edu.cn

曾 濤（1971-），天津人，男，教授，博士生導(dǎo)師。任北京理工大學(xué)雷達(dá)技術(shù)研究所實(shí)驗(yàn)室主任、航空學(xué)會(huì)電子專業(yè)委員會(huì)委員。主要研究方向包括SAR成像技術(shù)和實(shí)時(shí)雷達(dá)信號(hào)處理。

E-mail：zengtao@bit.edu.cn

Bistatic Forward Scattering Radar Detection and Imaging

Hu ChengLiu ChangjiangZeng Tao
（School of Information and Electronics，Beijing Institute of Technology，Beijing 100081，China）
（Beijing Key Laboratory of Embedded Real-time Information Processing Technology，Beijing 100081，China）

Forward Scattering Radar（FSR）is a special type of bistatic radar that can implement image detection，imaging，and identification using the forward scattering signals provided by the moving targets that cross the baseline between the transmitter and receiver.Because the forward scattering effect has a vital significance in increasing the targets' Radar Cross Section（RCS），F(xiàn)SR is quite advantageous for use in counter stealth detection.This paper first introduces the front line technology used in forward scattering RCS，F(xiàn)SR detection，and Shadow Inverse Synthetic Aperture Radar（SISAR）imaging and key problems such as the statistical characteristics of forward scattering clutter，accurate parameter estimation，and multitarget discrimination are then analyzed.Subsequently，the current research progress in FSR detection and SISAR imaging are described in detail，including the theories and experiments.In addition，with reference to the BeiDou navigation satellite，the results of forward scattering experiments in civil aircraft detection are shown.Finally，this paper considers future developments in FSR target detection and imaging and presents a new，promising technique for stealth target detection.

Bistatic radar； Forward Scattering Radar（FSR）； Radar Cross Section（RCS）； Target detection；Shadow Inverse Synthetic Aperture Radar（SISAR）imaging

TN959

A

2095-283X（2016）03-0229-15

10.12000/JR16058

2016-03-17；改回日期：2016-05-16；網(wǎng)絡(luò)出版：2016-06-13

曾濤 zengtao@bit.edu.cn

國家自然科學(xué)基金（61120106004，61225005），高等學(xué)校學(xué)科創(chuàng)新引智計(jì)劃（B14010）

Foundation Items：The National Natural Science Foundation of China（61120106004，61225005），The 111 Project of China（B14010）