0 引言

    我國北斗導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)已經(jīng)被用于各行各業(yè)。隨著科技的不斷發(fā)展和武器級別的不斷提高，隱形戰(zhàn)斗機(jī)的出現(xiàn)對傳統(tǒng)雷達(dá)造成了巨大的威脅。而前向散射雷達(dá)對物體的表面形狀和表面上的吸收涂層不敏感，只受物體的物理橫截面積的影響，故前向散射雷達(dá)對隱形目標(biāo)的探測起到很關(guān)鍵的作用；并且當(dāng)接收機(jī)位于目標(biāo)的前向散射區(qū)時，目標(biāo)的雷達(dá)散射截面積(Radar Cross Section，RCS)隨雙基角(衛(wèi)星-目標(biāo)-接收機(jī)之間形成的夾角，如圖1所示的角β)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，目標(biāo)RCS達(dá)到最大值，這一特點使得前向散射雷達(dá)對小型目標(biāo)的探測起到很關(guān)鍵的作用。由于北斗衛(wèi)星的豐富度和其易設(shè)置的接收機(jī)，使其對大面積的目標(biāo)探測很有利，因此把BD衛(wèi)星作為前向散射雷達(dá)的輻射源。本文重點介紹了利用BD衛(wèi)星信號的前向散射原理來進(jìn)行目標(biāo)探測范圍的研究。

    作為雷達(dá)系統(tǒng)的替代品，使用全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System，GNSS)信號作為被動雷達(dá)系統(tǒng)越來越受歡迎。很多文獻(xiàn)已經(jīng)對基于GNSS的前向散射雷達(dá)進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[1]中重點介紹了使用全球?qū)Ш叫l(wèi)星作為輻射源的被動前向散射雷達(dá)系統(tǒng)中飛機(jī)的檢測和陰影逆合成孔徑雷達(dá)(Shadow Inverse Synthetic Aperture Radar，SISAR)成像。文獻(xiàn)[2]描述了前向散射雷達(dá)探測和SISAR成像研究的最新理論和實驗進(jìn)展，首次給出了基于北斗導(dǎo)航衛(wèi)星的民航客機(jī)前向散射探測的實驗結(jié)果。文獻(xiàn)[3]中重點介紹了使用GNSS衛(wèi)星作為機(jī)會照明的無源雷達(dá)系統(tǒng)的信號建模和特征分析。文獻(xiàn)[4]描述了通過使用GPS（Global Positioning System）信號陰影來對空中目標(biāo)進(jìn)行檢測，給出了信號處理的過程，驗證了前向散射GPS系統(tǒng)檢測空中目標(biāo)的可能性。文獻(xiàn)[5]中介紹了通過使用GPS前向散射系統(tǒng)，利用GPS無線電陰影來識別城市環(huán)境道路中車輛的可行性。文獻(xiàn)[6]中討論了前向散射效應(yīng)形成的物體的無線電陰影的種類不僅和物體的形狀大小有關(guān)還和物體的速度有關(guān)。文獻(xiàn)[7]描述了紐倫堡機(jī)場附近不同接收機(jī)同一目標(biāo)情況下GPS-FSR的實驗結(jié)果，討論和評估了由于衍射效應(yīng)引起的信號干擾。

    本文重點研究了將BD衛(wèi)星用作非合作發(fā)射機(jī)的被動FSR系統(tǒng)時空中目標(biāo)的檢測范圍和不同種類空中目標(biāo)的檢測范圍。

1 Babinet原理

    前向散射雷達(dá)原理基于Babinet原理，該原理是關(guān)于波衍射的定理，說明除了整個正向光束強(qiáng)度之外，來自不透明體的衍射圖案與來自相同尺寸和形狀的孔的衍射圖案相同。波的衍射可以分為兩類：菲涅爾衍射（當(dāng)目標(biāo)靠近發(fā)射機(jī)或接收機(jī)時）和弗勞恩霍夫衍射（當(dāng)目標(biāo)遠(yuǎn)離發(fā)射機(jī)和接收機(jī)時）^[4]。

    用于區(qū)分目標(biāo)在菲涅爾或弗勞恩霍夫區(qū)域的參數(shù)被定義為：

式中，a是目標(biāo)的最大尺寸，D_r是目標(biāo)與接收機(jī)或發(fā)射機(jī)的距離(如圖1所示)。如果F<1，則為弗勞恩霍夫衍射; 相反，當(dāng)F≥1時，則以菲涅爾衍射為主。

    在弗勞恩霍夫衍射中，前向散射RCS定義為：

2 雙基地雷達(dá)原理

    雙基地雷達(dá)是指接收機(jī)和發(fā)射機(jī)位于相聚很遠(yuǎn)的地方。在雙基地雷達(dá)中，接收機(jī)射頻輸入端的信噪比可以表示為^[8]：

式中，P_t表示地球表面的衛(wèi)星信號的功率，G_r表示接收機(jī)天線的增益，δ表示雷達(dá)截面積，N_r表示帶內(nèi)噪聲功率。把式(5)用在基于BD的前向散射雷達(dá)中時，地球表面的BD衛(wèi)星信號的功率為-163 dBW，內(nèi)噪聲功率為-137.86 dBw，δ可以用弗勞恩霍夫衍射中的前向散射RCS來代替，式(5)結(jié)合式(2)可以得到前向散射的探測距離方程為：

3 北斗衛(wèi)星的檢測區(qū)域

    文獻(xiàn)[9]實驗結(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。基于此，用角度限制了前向散射雷達(dá)的探測范圍。以下對北斗衛(wèi)星探測范圍的計算都是基于角度、衛(wèi)星位置和時間而定，并且接收機(jī)位置固定。北斗衛(wèi)星分為GEO（Geosynchronous Earth Orbit）和MEO（Medium Earth Orbit）/IGSO（Inclined Geosynchronous Satellite Orbit）兩大類，對其探測范圍分別進(jìn)行分析。

    實驗中實際采集了BD衛(wèi)星2017年4月18日下午5點15分時的數(shù)據(jù)進(jìn)行實驗分析。

3.1 GEO衛(wèi)星的檢測范圍

    利用MATLAB計算BDS的1號衛(wèi)星相對接收機(jī)的距離、仰角、方位角，并對其隨時間變化的檢測范圍進(jìn)行分析，如圖2所示。

    圖2（a）為北斗1號星下午5點15分的散射探測范圍圖，該時刻衛(wèi)星仰角為39.43°，方位角為-41.84°；圖2（b）為北斗1號星1小時后的散射探測范圍圖，該時刻衛(wèi)星仰角為39.24°，方位角為-42.02°。

3.2 MEO/IGSO衛(wèi)星的檢測范圍

    利用MATLAB計算BDS的11號衛(wèi)星相對接收機(jī)的距離、仰角、方位角，并對其隨時間變化的檢測范圍進(jìn)行分析，如圖3所示。

    圖3（a）為北斗11號星下午5點15分的散射探測范圍圖，該時刻衛(wèi)星仰角為50.18°，方位角為-139.44°；圖3（b）為北斗11號星10分鐘后的散射探測范圍圖，該時刻衛(wèi)星仰角為53.81°，方位角為-144.22°；圖3（c）為北斗11號星20分鐘后的散射探測范圍圖，該時刻衛(wèi)星仰角為57.29°，方位角為-149.80°；圖3（d）為北斗11號星1小時后的散射探測范圍圖，該時刻衛(wèi)星仰角為66.13°，方位角為-173.06°。

4 特定物體的檢測區(qū)域

    以下對不同物體檢測區(qū)域的分析是在接收機(jī)和衛(wèi)星都固定的情況下進(jìn)行的，且定衛(wèi)星距接收機(jī)的距離為3.781 3×10⁷ m(接近北斗GEO衛(wèi)星距接收機(jī)的距離)，仰角為90°，方位角為0°。

4.1 半徑為1 m的圓球

    當(dāng)目標(biāo)為半徑1 m的圓球時，目標(biāo)的最大尺寸用2 m來計算，目標(biāo)的物理區(qū)域：A=1²×π=3.14 m²。

4.1.1 用Babinet原理來計算小球的散射范圍

    當(dāng)F=1時，小球距接收機(jī)的距離為20.83 m。即當(dāng)小球距接收機(jī)的距離小于20.83 m時為菲涅爾衍射，當(dāng)圓球距接收機(jī)的距離大于等于20.83 m時為弗勞恩霍夫衍射。

    當(dāng)為弗勞恩霍夫衍射時，σ_FS=3 363 m²，θ_FS=5.5°，此時β≥177.25°。

4.1.2 用雷達(dá)原理來計算小球的散射范圍

    根據(jù)雷達(dá)方程，當(dāng)目標(biāo)為半徑為1 m的小球、基角為180°時的探測距離范圍如圖4所示。當(dāng)天線的增益為15 dB、跟蹤靈敏度為-159 dBm時，基于BD前向散射雷達(dá)的距離范圍為1.875 km。當(dāng)天線的增益為25 dB、跟蹤靈敏度為-159 dBm時，基于BD前向散射雷達(dá)的距離范圍為5.808 km。當(dāng)天線的增益為35 dB、跟蹤靈敏度為-159 dBm時，基于BD前向散射雷達(dá)的距離范圍為18.34 km。

    根據(jù)Babinet原理得到的半徑為1 m的小球的前向散射的范圍是雙基角β≥177.25°；再根據(jù)雷達(dá)方程得到，當(dāng)天線的增益為35 dB、跟蹤靈敏度為-159 dBm時，半徑為1 m的小球的基于BD前向散射雷達(dá)的距離范圍為18.34 km。根據(jù)這兩個條件得到的小球的探測范圍圖如圖5所示。

4.2 民航飛機(jī)(9airbusA320機(jī)型)

    民航飛機(jī)airbusA320-100的一般形狀為：長度37.57 m，翼展34.10 m，機(jī)身寬度3.95 m，高11.76 m。目標(biāo)的最大尺寸用37.57 m來計算，目標(biāo)的物理區(qū)域：A=37.57×3.95+2×34.1-2×3.95=208 m²。

4.2.1 用Babinet原理來計算民航飛機(jī)的散射范圍

    當(dāng)F=1時，民航飛機(jī)距接收機(jī)的距離為7 351.6 m。即當(dāng)民航飛機(jī)距接收機(jī)的距離小于7 351.6 m時為菲涅爾衍射，當(dāng)民航飛機(jī)距接收機(jī)的距離大于等于7 351.6 m時為弗勞恩霍夫衍射。

    當(dāng)為弗勞恩霍夫衍射時，σ_FS=1.474 0×10⁷ m²，θ_FS=0.291 6°，此時β≥179.71°。

4.2.2 用雷達(dá)原理來計算民航飛機(jī)的散射范圍

    當(dāng)目標(biāo)為airbusA320-100機(jī)型的飛機(jī)、基角為180°時的探測距離范圍如圖6所示。當(dāng)天線的增益為15 dB、跟蹤靈敏度為-159 dBm時，基于BD前向散射雷達(dá)的距離范圍為121.7 km。當(dāng)天線的增益為25 dB、跟蹤靈敏度為-159 dBm時，基于BD前向散射雷達(dá)的距離范圍為384.2 km。當(dāng)天線的增益為35 dB、跟蹤靈敏度為-159 dBm時，基于BD前向散射雷達(dá)的距離范圍為1 214 km。

    用半徑為8 m的圓來近似A320的截面積，根據(jù)Babinet原理得到的半徑為8 m的小球的前向散射的范圍是雙基角β≥177.25°；再根據(jù)雷達(dá)方程得到，當(dāng)天線的增益為35 dB、跟蹤靈敏度為-159 dBm時，A320-100的基于BD前向散射雷達(dá)的距離范圍為1 214 km。根據(jù)這兩個條件得到的民航客機(jī)A320-100的探測范圍圖如圖7所示。

5 結(jié)論

    本文對基于BD前向散射雷達(dá)的空中目標(biāo)的檢測范圍進(jìn)行了研究。當(dāng)接收機(jī)固定，僅考慮不同BD衛(wèi)星的位置時，由于空中目標(biāo)相對接收機(jī)的距離和衛(wèi)星相對接收機(jī)的距離來說很小，故不同位置的衛(wèi)星其檢測范圍是差不多一樣的，近似于一個倒圓錐形，只是隨著時間的變化，檢測區(qū)間隨著基線變化。當(dāng)考慮不同的檢測目標(biāo)時，且當(dāng)天線的增益為35 dB、跟蹤靈敏度為-159 dBm時，半徑為1 m的小球的檢測的最大高度為18.34 km時，相對的散射范圍的半徑為1 830 m；民航客機(jī)airbusA320-100的檢測的最大高度為1 214 km時，散射范圍的半徑為6 180 m。即當(dāng)檢測目標(biāo)的雷達(dá)橫截面積越大，其散射檢測范圍越大。

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作者信息：

魏  婷1，黃海生1，李  鑫1，曹新亮2

（1.西安郵電大學(xué) 電子工程學(xué)院，陜西 西安710121；2.延安大學(xué) 物理學(xué)與電子信息學(xué)院，陜西 延安716000）