检测雷达信号发射器之存在的方法、电子支援措施单元和用于确定所述发射器的位置和身份的系统

摘要

一种被动检测出存在雷达信号发射器的方法，其中，ESM单元使用多个天线接收雷达信号，各个天线覆盖周围区域的一个扇区。为了节约带宽，使用了这样一种技术：将接收信道分成多个子带。将各个子带变换成IF信道。在加法器中将独立的IF信道合成为公共IF信道。再一次重复进行这一处理，以便将信号降到基带上，此时对它们进行数字化并且加以处理，以得出发射器源的方向和身份。多个ESM单元与控制中心相连。在控制中心内，通过三角测量确定雷达发射器的位置。此外，发射器的身份是通过与存储子数据库内的已知发射器特征标进行比较来确定的。

权利要求

1.一种检测出存在雷达信号发射器的方法，

通过多个天线接收信号，所述天线指向不同的方向并且各个天线覆盖周围区域的一个扇区，将从这些天线接收到的信号分成多个第一子带，

将各个第一子带变换成第一中频信道，

对所有所述第一中频信道求和，从而形成一个公共中频信道，将所述公共中频信道分成多个第二子带，

将所述第二子带变换成基带信道，

其特征在于，

对所有基带信道求和，形成公共基带信道，

对所述公共基带信道中的信号进行数字化，

对数字化信号进行处理，以检测和识别发射器源。

2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于

在求和之前，对各个第一中频信道进行宽带脉冲检测，以便确定输入信号的方向和频率。

3.按照权利要求1或2所述的方法，其特征在于，处理包括下述步骤：将所接收到的脉冲信号串转换到频域中，

测算脉冲峰值幅度和平均幅度，

根据基带信道中的幅度差和相位差测算来向，

测算脉冲宽度，

测算载频，

测算到达时间，

将所接收到的脉冲登记在载频/来向直方图中。

4.按照权利要求3所述的方法，其特征在于以下补充步骤：识别哪些脉冲来自于同一发射器，

进行发射器分析，

对发射器分类，

通过对所登记的发射器参数和采样的脉冲波形与发射器库中的登记内容相比较，进行发射器辨别。

5.按照权利要求4所述的方法，其特征在于，所述发射器分析包括：通过求平均来改善来向测算，

通过识别出不同方向上的相同发射器进行回波辨别，根据脉冲幅度，进行发射器天线分析，以便识别旋转速度和束宽。

6.按照权利要求5所述的方法，其特征在于

从数个相邻位置获得来向信息，和

通过三角测量得出发射器位置。

7.一种用于检测和识别一个区域中存在的雷达的电子支援措施单元，该单元包括多个天线组(10a、b-16a、b)，各个天线组包括至少一个天线并且各个天线组覆盖周围区域的一个扇区；

多个接收机前端，各个接收机前端与覆盖特定扇区的天线组(10a、b-16a、b)连接；

多个第一带通滤波器(20a-20d)，与第一天线组(10a、b)连接，所述带通滤波器将从第一天线组接收到的信号分成多个第一子带；

多个第一低噪声前置放大器(21a-21a)，各自通过其输入端与第一带通滤波器(20a-20d)相连接，并且输出端与相应的多个第一混频器(22a-22d)之一相连接，所述混频器适合于将第一子带变换为中频，将来自每个第一混频器的输出馈送给调谐到所述中频的频率上的第二带通滤波器(23a-23d)，所述第二带通滤波器的输出端与第一加法器(25)相连，所述加法器(25)适合于将来自第二带通滤波器(23a-23d)的信号合成为公用中频信道；

多个接收机第二级，各自与接收机前端相连并且接收所述公共中频信道，将所述公共中频信道馈送给多个第三带通滤波器(27a-27d)，以便将所述公共中频信道分为多个第二子带，将各个第三带通滤波器(27a-27d)的输出馈送给第二放大器(28a-28d)，将第二放大器(28a-28d)的输出馈送给第二混频器(29a-29d)，所述第二混频器(29a-29d)适合于将所述中频信道变换为基带，将第二混频器(29a-29d)的输出馈送给第四带通滤波器(30a-30d)，其特征在于，将所有第四带通滤波器(30a-30d)的输出馈送给第二加法器(32)，所述第二加法器(32)适合于将从第四带通滤波器(30a-30d)接收到的信号合成为公共基带信道；

模数转换器(35)，与所述加法器(32)相连，并且适合于对从所述加法器(32)接收到的信号进行数字化；

信号处理单元(9)，接收来自模数转换器(35)的信号。

8.按照权利要求7所述的单元，其特征在于，多个第一检测器，各自具有与所述第二带通滤波器(23a-23d)的输出端相连的输入端，各个第一检测器的输出端与比较器的输入端相连，控制逻辑电路与所述第一比较器相连，所述逻辑电路适合于识别在哪个天线上接收到了给定信号。

9.按照权利要求7或8所述的单元，其特征在于，各个第一低噪声前置放大器和各个第二放大器都配备有使能/禁止输入端，所述使能/禁止输入端与所述控制逻辑电路相连，所述控制逻辑电路适合于允许选定放大器的操作而禁止其它放大器的操作，以便节约电力。

10.按照权利要求7或8所述的单元，其特征在于，该单元包括总共12个天线，在各个方向上有两个天线，所述两个天线之一覆盖2-6GHz的范围，而另一个覆盖6-18GHz的范围。

11.一种用于确定一个区域内的雷达信号发射器的位置和身份的系统，其特征在于，该系统包括多个权利要求7-10中的任何一项所述的电子支援措施单元；

将电子支援措施单元与控制中心(6)连接起来的网络，所述控制中心(6)包括已知雷达发射器信号特征标的数据库，将所述控制中心设置成用来从所述电子支援措施单元接收所接收到的雷达信号的方向和特征标信息，并且适合于通过三角测量确定雷达发射器的位置和通过与存储在所述数据库内的发射器特征标进行比较来确定所述雷达发射器的身份。

说明书

技术领域

雷达ESM系统用于通过确定雷达脉冲的来向和发射器特征来检测和识别一个区域中存在的雷达。

背景技术

这样的系统包括覆盖相关雷达频率的接收机。该接收机需要以360°的覆盖角覆盖很宽的雷达频带(典型的是2-18GHz)。同时，系统必须对各个所接收到的脉冲进行完全分析，以识别出雷达发射器。该系统应当是野外单人便携的，并且应当能够使用电池电源进行工作。复合系统应当能够找出发射器位置(方位和射程)。
已知三种主要的解决方案：
宽带晶体接收机
晶体接收机可以用来覆盖整个带宽。这种接收机检测信号包络，并且可以测算出概略脉冲参数。至少需要四个这样的接收机来实现360°的角度覆盖。
宽带晶体接收机仅仅具有进行概略脉冲分析的能力。诸如载频和调频或调相这样的重要脉冲参数全都会丢掉。因此发射器特征测定最多也是粗略的。在有多个发射器的情况下，使用处于不同位置的两个或多个ESM接收机来定位目标发射器可能会失败，因为可能会将一个接收机中接收到的发射器与其它接收机中接收到不同发射器关联起来。
并行接收机
使用多个接收机来覆盖整个带宽。按照当前的技术，可以使用接近20个并行接收机将整个带宽分为子-GHz(sub-GHz)频道，这些频道接着可以用目前的数字处理器进行处理。为了覆盖360°，需要至少四个天线指向不同方向的这样的接收机组来进行定向。
并行接收机解决方案实现了高质量的脉冲测算，并且因此可以用于发射器特征测定。当使用处于不同位置上的两个或多个接收机时，可以进行发射器位置的确定，因为各个脉冲和各个发射器都可以得到识别。另一方面，这种解决方案在无线电硬件和处理硬件中都需要高度并行性。结果造成重量大并且功耗高，致使这一思想不能应用于单人便携操作。
扫描接收机
为了进行细致的脉冲分析，可以针对各个天线方向使用单独一个窄带接收机。使用该接收机按顺序对整个频率带宽进行扫描。细致的脉冲分析可以在窄的瞬时带宽内进行。
可以将扫描接收机构建成低功耗的小型单元，并且也可以提供细致的脉冲测算。这种接收机结构的问题是，由于瞬时带宽很低，造成截获的可能性不高。很可能检测不到使用单次扫描策略进行工作的雷达。

发明内容

本发明的目的是提供一种ESM系统，用来检测出在一个区域内存在雷达，该ESM系统覆盖足够用的瞬时带宽，并且能够进行细致的脉冲分析，以便识别发射器源。
本发明的另一个目的是提供一种具有上述特征而又重量轻功耗低的系统。
这些目的通过由所附权利要求所涵盖的本发明的方法、电子支援措施单元和系统得到了满足。

附图说明

现在将参照附图详细介绍本发明，其中
附图1表示使用多个按照本发明的ESM单元的情况；多个ESM传感器通过网络连接起来，用来确定雷达发射器的位置，使用公共发射器数据库来进行辨别，
附图2表示原型接收机的结构设计，
附图3是按照本发明的系统的总览图，
附图4表示本发明的系统中使用的频带分割和下变换方案，
附图5是接收机前端的框图，
附图6是接收机第二级的框图，
附图7是表示接收到的脉冲的傅立叶变换的曲线图；用于计算雷达发射器的载频，
附图8是表示来自雷达发射器的脉冲的曲线图，用于计算脉冲宽度
附图9是表示三个不同天线的增益的曲线图；用于根据预先计算的天线波瓣校正函数计算来向，
附图10表示在DOA/频率曲线图中标出的接收脉冲，
附图11表示从雷达发射器接收到的脉冲；用于测算发射器天线束宽和旋转时间。

具体实施方式

附图1表示ESM接收机系统的典型设置方案。将多个ESM单元1-4布置在沿着海岸线的地带中。各个ESM单元适合于接收和分析由存在于周围区域内的雷达发射的信号。在这种情况下，油轮5正沿着海岸航行，同时它的雷达正在不断地扫描地平线。各个ESM单元1-4接收到这些雷达信号、分辨来向并且识别特征标。这些ESM单元连接在一个网络内。所述网络包括控制中心6。在控制中心内，对从ESM单元1-4接收到的数据进行比较和分析，以得出雷达源(油轮5)的位置及其身份(基于雷达脉冲的特征标和已知特征标的数据库)。
各个ES单元1-4包括多个指向不同方向的天线、接收机和信号处理电路。各个天线覆盖周围区域的一个扇区，并且整个组件覆盖整个地平线。
接收机单元
附图2中给出了按照本发明的样机ESM单元的结构设计。使用了12个天线单元来在6个方向上覆盖2到18GHz。在各个方向上，使用了两个天线；下面较大的天线覆盖2-6GHz的频带，而较小的上面的天线覆盖6-18GHz。
该ESM单元或接收机系统由两个单元构成，即：接收机单元7(天线、接收机和导航子单元)和处理单元8，如附图3所示。
天线10a、b-16a、b将它们的信号传递给接收机单元7。在接收机单元7中，将来自各个上天线10a-16a的信号分成三个4GHz宽的子带，即，6-10GHz子带、10-14GHz子带和14-18GHz子带。将这三个子带与从下天线得到2-6GHz子带一起变换成单独一个中频(IF)。对于各个天线组有一个IF信道，即，总共六个IF信道。如果将方向相反的天线的信道合成为一个信道(图中未示出)；则给出总共三个IF信道。
在接收机的第二级，附图6，再次将4GHz IF分成四个1GHz宽的子带，对其进一步进行下变换并且合成为1GHz带宽的基带信道。此后，将这些信号发送给处理单元8，以进行数字化和处理。附图4中详细给出了变换方案。
除了天线/接收机链路之外，该单元还包括姿态确定单元(罗盘)18和GPS天线17。所有这些都包含在单独一个单元内，该单元可以安装在三角架上或者固定在天线杆上。
无线电设计
附图5中给出了接收机前端。Ant Lo输入端从下天线10b-16b之一接收信号，而Ant Hi输入端从上天线10a-16a接收信号。在带通滤波器20a-20d中对这些信号进行滤波，借此将来自上天线的信号分成三个子带。在低噪声前置放大器21a-21d中对来自带通滤波器的信号进行放大并且馈送给混频器22a-22d。在混频器22a-22d中，将信号下变换为相同频率范围的IF信道并且在另一组带通滤波器23a-23d中对它们进行滤波。在加法器25中对来自IF滤波器23a-23d的输出信号进行合成。
这样使来自各个子带的信号彼此重叠在一起。由于信号是脉冲调制的，因此同时信号来自不同信道的可能性相当低。
为了确定输入脉冲的方向和频率，在进行合成之前，在各个原始信道内进行宽带脉冲检测。为此，包含了四个检测器24a-24d，每个IF信道中有一个。将这些检测器的输出信号馈送给比较器26，以识别出哪个信道出现了给定信号。
附图6中给出了接收机的第二级。在带通滤波器27a-27d中再次将从附图5中的前端接收到的第一IF信号分成四个子带，在放大器28a-28d中对它们进行放大、在混频器29a-29d中进行下变频、在带通滤波器30a-30d中进行滤波并且在加法器32中进行合成。结果得到的0-1GHz范围内基带信道具有与后续处理系统中的A/D转换器相匹配的带宽(典型地是1GHz利用2.5GS/s A/D转换器)。
此外，还需要振荡器和控制块(未示出)来产生所有的振荡器频率、对放大器的控制信号并且处理来自各个信道的触发信号。
结果得到的信道对于A/D转换来说足够窄，并且可以用一个单一的处理器来处理脉冲。所需的并行AD转换器的数量等于天线方向数量的一半(典型地，在六个天线方向的情况下，是三个)。
处理单元
使用了四通道1GS/s A/D转换器来进行接收机信道的数字化。使用GPS接收机进行定位，并且对天线单元中的罗盘进行读取，以进行天线姿态确定。处理单元对接收到的脉冲进行数字化，在进行发射器处理之前进行脉冲处理、去交错和多路径分析。对所检测到的脉冲进行下述处理：
对于各个脉冲：
○将脉冲串转换成复数形式
○测算脉冲峰值幅度和平均幅度
○根据三个信道中的幅度差和相位差测算来向(DOA)
○测算脉冲宽度(脉冲的持续时间)
○测算载频(按照子带检测器校正的)
○测算到达时间(TOA)
○将脉冲插入到频率/DOA直方图中
在检测到预定数量的脉冲之后或者在达到预定的时间限度时，进行：
○去交错(识别出哪些脉冲来自于相同的发射器)：
·根据频率/DOA直方图
○进行发射器分析：
·通过求平均改善DOA测算
·通过识别出不同方向上的“相同”发射器进行回波辨别
·根据脉冲幅度进行发射器天线分析(旋转速度和束宽)
○根据所有的发射器参数(除了DOA)进行发射器分类
○根据所有的发射器参数(除了DOA)和采样脉冲波形与发射器库进行比较，进行发射器辨别。
如果多个ESM传感器观测同一个区域，则使用来自相邻ESM传感器的DOA信息进行三角测量，以得出发射器位置。
在这个阶段，可以在本地显示数据，或者发送给网络，以进行与其它传感器的传感器融合。如果有多个传感器连接在网络中，可以进行本地传感器融合，以提供目标定位。此外，也可以使用基于本地或网络的发射器数据库进行发射器辨别分析。附图4表示使用多个ESM接收机进行发射器定位。使用了公用的发射器数据库(表示为海岸上绿色椭圆)来从一个ESM接收机向另一个传递发射器信息。
可以想象，发射器数据库的维护是与ESM系统结合在一起的。不管什么时候遇到新的发射器，都必须通过其它的手段识别出该发射器，但是为了进行辨别，要将该数据存储起来。
处理单元针对频率覆盖范围对天线、接收机和导航单元进行控制。在电池工作期间，可以规定几种非连续工作模式，以便延长电池寿命。
在单人便携模式下，处理单元与电池结合在一起包含在单独一个单元中，或者在平台安装模式下，将其架装起来。
脉冲处理算法
处理系统接收来自无线电探头的脉冲信号。在采样系统中将这些脉冲数字化，以致将每个脉冲存储为3个对于各个脉冲的采样串，每串对应于一个信道。为了确定脉冲参数，按照下述算法对各个脉冲数据串进行分析：
○对有所3个串进行实数到复数FFT(快速傅立叶变换)
○确定载频
·确定串中的峰值功率的位置(nmax)，见附图7
·计算载频：其中N是串中的采样数量，fs是采样频率，fchan是无线电信道(从无线电探头接收到的)的频率偏移量。
○进行复数反FFT(采样现在是复数，并且串长度减半)
○对串进行扫描并且对各个信道确定峰值功率(Pmax)和计算-3dB电平：P3dB＝Pmax/2
○对串进行扫描并且确定-3dB交点的位置，计算3dB脉冲宽度(见附图8)
○按照数据串开始时间+到第一个3dB交点的偏移量来计算到达时间
○通过峰值幅度从脉冲串中估计来向：
○中心信道(ch0)具有最大功率(来自无线电探头)
○通过预定的天线波瓣校正函数计算DOA：DOA＝g(P-1，P0，P1)，见附图9。
○将脉冲和参数一起插入到2维直方图中，用载频和来向进行标引。
总地来说，对雷达发射器进行的定向处理包括下述步骤：
1.使用IF信道中的检测器判定是否由前或后天线接收到了给定信号。
2.连同天线特征一起，使用IF信道中的信号幅度之间的比较结果来得到发射器方向的粗略估计。
3.使用信道之间的相位比较结果来得到最高精度的方向。需要上面的步骤2作为预备步骤，因为相位比较结果是不定的。
发射器处理算法
在检测和处理了预定数量的脉冲之后(或者在达到预定的时限时)，已经对来自所观测的发射器的多个脉冲进行了分析并且将结果输入到了直方图中。附图10中给出了具有两个发射器i的例子。
为了对脉冲进行去交错(按照发射器分拣脉冲)，从具有最大脉冲数的直方图单元开始，从DOA/频率直方图中提取脉冲。在上述的例子中，将会提取出3个“发射器”，即，来自发射器#1的脉冲、来自发射器#3的脉冲和从反射物(山坡、建筑物等)反射回来的来自发射器#1的同族脉冲。各个“发射器”是按照下述过程加以分析的：
○计算除了脉冲幅度之外的所有脉冲参数的平均和标准偏差
○进行发射器天线分析(见附图11)：
·测算天线主瓣之间经过的时间(从局部最大值到局部最大值的时间)
·测算天线束宽(与测算脉冲宽度原理相同)
○进行发射器PRI分析
·测算从脉冲到脉冲的时间并且计算平均值
·根据需要任选：进行PRI变化的分析(图形辨别)
在发射参数估算完成之后，就了解了所有发射器的方向和其它参数。该列表还包括实际上是由于不同表面的反射而得到的其它发射器的副本的“发射器”。除了来向以外，这些伪像具有与发信的发射器相同的参数。为了确定哪个发射器是真正的，进行下述分析：
○比较峰值幅度。伪像大多数时候具有比真正的发射器更低的幅度
○比较脉冲参数的标准偏差。伪像会具有较大的标准偏差
现在已经对发射器进行了分析，并且已经确定了来向、脉冲参数和发射器特征。
使用多个POS传感器进行发射器定位
每个传感器都对来自所观测的发射器的脉冲进行分析。当发射器分析完成时，通过数据网络将发射器参数发送给任何相邻的POS传感器。
在接收到来自相邻POS传感器的发射器参数时，将这个发射器与所有本地检测到的发射器进行比较(使用所有参数，除了DOA)。当发现匹配时，通过三角测量确定位置(各个POS传感器的位置已知，从各个POS传感器到发射器的DOA已经确定，因此可以通过简单的几何算法确定发射器的位置)。
发射器辨别/发射器数据库
为了通过以前的观测结果辨别发射器，将发射器参数存储在发射器数据库中。在接收到新的发射器时，将该发射器的参数与存储在数据库中的参数进行比较。如果找到匹配对象，则假设该发射器与从数据库中找到的相同。如果没有，则将新的发射器存储在数据库中。
该数据库可以存储在本地，也可以通过数据网络进行访问。使用网络数据库，提供了这样的能力：一检测到新的发射器，就可以在多个POS传感器之前共享关于新发射器的信息。
直接转换的实施方式
虽然所介绍的本发明的接收机采用的是利用中频的二级转换方案，并且在目前的技术水平下，这是本发明的优选实施方式，但是本发明的思想具有较宽的应用。
在某些情况下，直接转换的接收机可能是优选的。按照这种形式(未示出)，将来自(多个)天线的信号分成若干子带并且在将它们在加法器单元中进行合成之前直接向下混频到基带。对加法器的输出进行数字化并且象前面介绍的例子中那样对其加以处理。
专业缩写词
A/D  模拟/数字
DOA  来向
ESM  电子支援措施
GPS  全球定位系统
GS/s  千兆采样每秒
IF  中频
PRI  脉冲重复间隔
TOA  到达时间