前向散射雷达各类应用综述

左晓芸 杨帆

摘 要：前向散射雷达技术应用于探测和识别在基线附近移动的目标。近年来，前向散射雷达的优势在各种应用中引起了人们的兴趣，如车辆识别、空中监视、慢运动的微多普勒分析等，相比于传统雷达，前向散射雷达是一种双基地角接近于180°的特殊双基地雷达，可以提供反隐身能力，使目标单站的雷达横截面积最小化。文章梳理了前向散射雷达的应用发展现状，对其中每一部分常用的技术以及研究现状进行了总结，并为以后的研究指明了发展方向。

关键词：前向散射雷达;双基地;微多普勒效应

中图分类号：TN95 文献标识码：A 文章编号：1674-1064（2020）11-063-02

DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2020.11.029

前向散射雷达是一种双基地角接近于180°的特殊双基地雷达，主要探测区域是发射天线与接收天线之间的基线，当目标存在于基线附近时，信号因为目标的阴影效应变得非常明显，特别是双基地角接近180°时。近几十年，随着科学技术的发展和武器级别的不断升级，隐形材料的出现对传统雷达造成了很大的威胁，如使用无人机技术走私毒品、输送违禁材料、隐形飞机对空中交通系统的监测问题等。而前向散射雷达是一种特殊的双基地雷达，具有很强的反隐身能力和目标识别及探测能力，尤其是在阴影逆合成孔径理论（SISAR）提出后，使前向散射雷达具有了目标成像、识别能力的功能，推动着前向散射雷达研究进入新的阶段。

前向散射雷达的研究领域十分广泛。文章先介绍前向散射雷达的各类应用以及各应用的技术和研究现状，再分析前向散射雷达研究当前存在的主要问题，展望前向散射雷达在日常生活中的广泛应用及未来研究方向。

1 前向散射雷达各类应用

1.1 分析幅度变化的应用

前向散射雷达幅度方面的各类应用，按照原理和研究方向关系如图1所示。

1.1.1 近场分析

在近场分析中模拟前向散射雷达的场景，当目标或者接收机逐渐从远场过渡到近场时，随着其尺度的逐渐增大，会引入另一个自由度。研究得出，如果预测任何通用的前向散射雷达的目标检测、分类和估计方法，都应该考虑近场效应[1]。比如用于空中监视的前向散射雷达，就是利用电磁场模型和衍射理论表征目标接收器从远场区域到近场区域的过渡，通过分析其幅度变化，得出可以由移动点状散射体产生的多普勒信号，调制远距离区域中的目标，再辐射信号获得远距离区域中前向散射雷达的模型[2]。对于近距离目标的探测问题，互质阵列雷达技术在穿墙成像的仿真实验中，验证了互质阵列雷达技术对近距离目标探测的有效性[3]。

1.1.2 典型应用分析

当移动目标的不同部分相对于其全局反射中心表现出微运动时，如振动或旋转运动，其会产生反射波的附加频率调制，其所产生的频率边带称为微多普勒效应。当目标精确地越过基线时，多普勒信号的频率和幅度等于零，此时双基地角等于180°。前向散射雷达（FSR）可以根据接收信号的幅度变化来区分目标的移动方向，可以预测穿越基线的时间以及从主多普勒轻松提取微多普勒分量。

在不受人体动作的影响下，前向散射雷达可以检测人体的呼吸。人在呼吸时会引起横截面积的变化，此时双基地角小于180°，检测其发射信号的幅度变化图，最后对信号进行包络检测，可以得出在不同角度下人体的呼吸频率以及接收信号的解析表达式[2]。无人机检测还可利用前向散射雷达的拓扑特性检测，被动FSR使用从卫星发射的信号来检测越过卫星与地面站之间前向散射基线处飞行无人机的可行性[3]。如还想进一步提取有助于识别无人机的其他功能，可以使用EMD并将检测到的信号分解为IMF，以进行进一步的特征提取[4]。

1.1.3 无源系统和无线电信号

无源雷达系统由不带并置发射器的接收器组成，不需要来自基站的直接信号，并且基于信号包络的目标检测方案非常简单，无需复杂的信号预处理步骤。其本身不发射电磁波这一优势，使其很难被敌方电子侦察部队发现并消灭。基于wifi传输的无源前向散射雷达可以根据不同目标所产生的不同车辆特征对车辆进行分类[5]。

1.2 分析相位变化的应用

前向散射雷达几何关系图是分析相位变化的基础，根据前向散射雷达的几何关系图可以构建出许多应用的几何模型，比较典型的是多径干扰下FSR系统结构和前向散射雷达系统拓扑结构。多径干扰模型是分析不同风速下海浪与多径干扰对海面目标回波特性的影响，以及分析在无浪、中浪、大浪、无风状态下的回波相位图，但是多径干扰会使信号幅度衰减，进一步还会降低信噪比，增加估计误差[6]。在前向散射雷达系统拓扑结构分析中，由该模型可以得出，成像所需的信号采样率可以远小于奈奎斯特采样率的结论，其低采样率的快速成像方法可以大幅度降低运算量。

前向散射雷达与双静态相比，其主要利用的是电磁波的作用，电磁散射角度的大小对测量精度有一定的影响，比较好的是在自动测量系统中指出可以直接测量双基地的电磁散射角。虽然多路误差通过战略放置的吸收器被减少，但其并没有被消除，在自动测量系统的测量和分析中提到，可以通过远离前向散射的地区和合并时间门控雷达和低旁瓣天线来提高测量精度和灵敏度[7]。

1.3 分析頻率变化的应用

前向散射雷达除了在幅度和相位方面的研究之外，还有在频率方面的研究，其主要原理是多元线性回归方法和逆合成孔径原理。

多元线性回归是指，用两个或两个以上的自变量的最优组合共同预测或估计因变量，比较典型的例子是基于前向散射雷达的车辆识别，即使不知道目标速度也可以很好的识别车辆，大大提高车辆识别的效果[8]。

逆合成孔径原理是指，依靠信号在两维方向的信号相干积累，实现两维分辨率成像的系统。

2 前向散射雷达应用展望

前向散射雷达的各种优势决定了其有着广阔的应用前景，尤其在以下几个方面有很大的发展潜力。

2.1 多天线MIMO雷达

多输入多输出（MIMO）雷达，即多个发射天线同时发射信号，多个接收天线接收信号的雷达。其有很多其他雷达没有的优势，如MIMO雷达有较强的目标检测能力，对目标参数估计的精度很高，对多个目标有很好的分辨能力等。多个发射天线同时发射信号或者接收信号，能够在同一频域或者时域中传输更多的信息，该雷达具有并行多通道空间采样能力，可以在天线发射功率不变的情况下，翻倍提高系统信道容量。这些功能可以有效提高目标的识别能力，多天线MIMO雷达如图2所示。

2.2 多基地前向散射雷达

多基地雷达的接收机不发射电磁波，前向散射雷达主要利用电磁波，如果可以将二者结合，即多基地前向散射雷达的接收机不发射电磁波，通过合理安排发射机的位置，就可以避免一些反辐射目标攻击多基地雷达。多基地前向散射雷达还可以增大雷达横截面积，这样当隐形飞机飞过多基地前向散射雷达时，可以被立即检测出来，相对于前向散射雷达而言，既缩短了检测时间也提高了目标的距离分辨率。或者还可以建立多基地前向散射雷达组网，将检测空中和陆地的目标与雷达连接在一起，可以增加对目标的反应时间，如果用在军事飞机上，就可以增加飞机在战斗中的存活时间。

2.3 地表杂波影响

虽然目前已有很多前辈通过实验进行了杂波建模研究，比如植被杂波建模或者回波中目标信号的杂波建模等，无论是时域的分析还是频域的分析，都只是明确了杂波的类型，分析了杂波的原理，是在一定程度上减小杂波，而不能彻底剔除杂波对目标识别和探测的影响。而且前向散射雷达杂波的统计特性和传统的单基地雷达的杂波的区别，还没有明确的规定或者检验，这些问题还有待研究。

参考文献

[1] Falconi.M.T，Comite D，Galli A，et al.Forward Scatter Radar Modeling：Effects of Near Field for Canonical Targets[C].Antennas and Propagation & USNC/URSI National Radio Science Meeting，2015.IEEE International Symposium on.IEEE，2015.

[2] Yang Fan，He Z，Fu Y，et al.Noncontact Detection of Respiration Rate Based on Forward Scatter Radar[J].Sensors，2019，19（21）：4778.

[3] Remote Sensing.Studies from University Putra Malaysia Reveal New Findings on Remote Sensing （Passive Forward-Scattering Radar Using Digital Video Broadcasting Satellite Signal for Drone Detection）[J].Journal of Technology，2020.

[4] 王振榮，薛明华.飞机螺旋桨对机载雷达发射波前向散射的实验研究[J].现代雷达，1993（01）：8-12.

[5] Raja.R.A，Noor.A.A，Nur.A.R，et al.Analysis on Target Detection and Classification in LTE Based Passive Forward Scattering Radar[J].Sensors，2016，16（10）：1607.

[6] 李文海，董锡超，胡程.前向散射雷达海面目标探测信号建模与分析[J].信号处理，2019，35（06）：994-1001.

[7] Cote M.G.Automated swept-angle bistatic scattering measurements using continuous wave radar[J].IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement，1992，41（2）：185-192.

[8] 陈新亮，胡程，曾涛.一种基于前向散射雷达的车辆目标自动识别方法[J].中国科学：信息科学，2012（11）：149-158.