數字地面多媒體廣播外輻射源雷達目標探測實驗研究

唐 慧 萬顯榮 陳 偉 柯亨玉

(武漢大學電子信息學院 武漢 430072)

1 引言

外輻射源雷達是一種利用第三方非合作輻射源作為探測信號，從接收的目標散射回波中提取距離、方位和速度等參數的設備，具有成本低、綠色環保、抗干擾能力強等諸多優勢。近年來隨著數字廣播(數字調幅廣播DRM、數字音頻廣播DAB、數字電視廣播DVB-T等)在全球的普及，基于數字廣播信號的外輻射源雷達引起國內外學者的廣泛關注[1-3]。我國的數字廣播發展較晚，于2006年提出了具有自主知識產權的數字電視國家標準地面數字多媒體廣播(Digital Television/Terrestrial Multimedia Broadcasting, DTMB)[4]，并于2011年12月成為繼歐、美、日之后的第4個數字電視國際標準。北京奧運會之后，國家廣播電影電視總局加大推廣力度，廣電規劃院負責制定了全國 337個地級市的地面DTV廣播頻率規劃，并由無線臺管理局負責承建。截至2010年底，地面廣播網已覆蓋全國300多個城市，這為我國研究新體制外輻射源雷達提供了良好的條件。國內多家研究機構在基于DTMB信號的外輻射源雷達上開展了卓有成效的工作，已有研究成果主要包括：模糊函數分析[5]、參考信號重構[6]、直達波抑制[7]、雙基地雷達幾何配置對加速運動目標探測性能影響分析[8]。

歐洲在基于DAB和DVB-T的外輻射源雷達技術研究上已走在世界前列，為我國開展該技術研究提供了有益借鑒。DTMB外輻射源雷達采用與DVB類似的系統框架和信號處理流程，如兩者均需進行直達波提純、直達波抑制、相關檢測與跟蹤等；但DTMB和DVB-T信號標準有顯著差別，對于利用不同信號的外輻射源雷達，信號結構和系統配置的區別是決定后續環節存在差異的主要原因。比如，DTMB與DVB-T信號結構不同，模糊平面上的模糊副峰也就迥異[5]；由于調制方式不同，直達波提純中若干關鍵步驟也不同[9,10]。本文重點介紹了利用武漢大學研制的多通道外輻射源雷達實驗平臺開展DTMB外輻射源雷達目標探測的情況，包括外輻射源雷達基本原理、信號處理關鍵技術、探測設備和初步實驗結果。

2 DTMB外輻射源雷達的基本理論

2.1 DTMB外輻射源雷達探測基本原理

與傳統外輻射源雷達系統類似，DTMB外輻射源雷達采用相干處理技術進行目標檢測，即在接收系統中至少設置兩個通道：監測通道和參考通道，分別用來接收目標回波信號和參考信號，如圖1所示；然后通過監測通道和參考通道的2維互相關函數得到距離多普勒譜(RD譜)，從而實現目標的檢測與跟蹤，具體信號處理流程如圖2所示。本文主要敘述波形修正、直達波抑制和直達波提純3個核心環節。

圖1 外輻射源雷達工作示意圖

圖2 信號處理流程圖

2.2 DTMB信號結構

國家標準 DTMB有單載波和多載波兩種模式，本文研究多載波模式，其創新地采用了時域正交頻分復用(Time Domain Synchronous-OFDM, TDS-OFDM)調制技術，由一系列幀結構組成的復幀結構承載，基本信號單元是信號幀。信號幀由幀頭和幀體兩部分組成，幀頭和幀體的基帶符號速率為7.56 Msps，國家標準規定3種可選幀頭模式[4]。

圖3 PN420幀結構圖

結合武漢本地電臺實際發射情況，以PN420為例，其結構示意圖如圖3所示。PN420模式中，幀頭信號采用I路和Q路相同的4QAM調制；幀體長度是500 μs，用3780個子載波調制，子載波間隔為2 kHz，占用的射頻帶寬為7.56 MHz。PN幀頭既充當DTMB的保護間隔用以抵抗多徑干擾，又作為訓練序列用于系統快速同步、信道估計和相位噪聲跟蹤。幀體采用OFDM調制，由36個系統信息符號和3744個有效數據符號組成。系統信息為每個信號幀提供解調和解碼信息；有效數據部分是經過信源、信道編碼之后得到的數據。完整信號幀時域表達如式(1)，其中，Ng和Nc分別代表幀頭與幀體的符號長度，PN(n)表示幀頭，k為調制時載頻序號，S(k)是調制之前的幀體符號。

2.3 模糊函數

模糊函數是研究外輻射源雷達波形特性的有效工具，它描述了外輻射源雷達系統采用的發射波形所具有的目標分辨率、測量精度、模糊度和雜波抑制能力等潛在性能[11]，其計算表達式如式(2)。

圖4為一組DTMB實測數據的模糊函數，圖中除了零距離和零多普勒頻率處的主峰外，還出現了多個有規律的副峰，與理論分析一致[6]。依據副峰產生機理，副峰可歸納為3類：幀頭副峰、幀體副峰和功率差副峰[5]。值得注意的是，幀體副峰由系統信息引起，系統信息為幀體OFDM調制符號，在波形修正時，應另行考慮。

3 信號處理關鍵技術

3.1 波形修正

依據上述信號結構可對上述模糊函數進行適當修正。先將參考通道中的信號與本地的PN序列進行滑動相關實現DTMB信號幀的同步；然后將參考信號中每個信號幀的幀頭去除，圖4中的幀頭副峰和功率差副峰即可消除，對于幀體副峰，由于系統信息能量很小，并不影響波形修正效果；最后可得理想的圖釘型模糊函數，如圖5所示。

圖4 DTMB實測信號模糊函數

應該指出，波形修正并非總是必要，應視具體探測需求而定。UHF頻段外輻射源雷達探測距離通常在100 km以內，常見高速目標的多普勒頻率在1 kHz左右。幀頭引起的副峰相對于主峰時延為555.6 μs，對應雙基距離達160 km；多普勒頻率模糊副峰(由幀頭與幀體功率差引起)對應多普勒頻率為 1.8 kHz，超出多普勒頻率范圍。綜上所述，只有探測目標對應大的雙基距離或雙基速度時，波形修正才顯得必要。

3.2 直達波抑制

武漢本地DTMB采用單一發射基站、根據目標幾何位置、接收系統相關參數以及假定的適宜傳播環境，由雷達方程計算得DTMB雙基地雷達系統接收回波中目標回波與直達波信號的功率強度差異一般在60～140 dB左右，經過匹配濾波后雜波仍然具有高的距離和多普勒副瓣，這些副瓣會淹沒遠距離的動目標回波，有效抑制直達波和多徑雜波是外輻射源雷達的主要難點之一。

抑制方法大致可分為時域方法和空域方法。在時域方法中，分階段分塊子空間投影方法[12]應用較廣，不僅能夠抑制雜波干擾，還能消除強目標遮蔽效應，最少只需一個監測通道和一個參考通道即可實現有效探測；在空域方法中，MVDR是較常用的有效方法。設陣列為N元陣，期望信號方向為θ0，期望信號導向矢量a(θ0)為N×1維矩陣，陣列接收數據矢量x(t)為N×M維矩陣，則 MVDR波束形成器的權矢量WMVDR可表示為式(3)，

陣列協方差矩陣Rx=E[x(t)xH(t)]為N×N維。

分載波空域處理方法[13,14]是特別針對OFDM體制信號提出的，當取OFDM有效數據體部分變換到頻域時，直達波干擾在各個載波上完全相關(即為相干干擾)，降低了直達波抑制的空域自由度要求，提高了直達波抑制能力。其具體信號處理流程如圖 6所示。

圖5 預處理后的單基地模糊函數

圖6 直達波抑制流程圖

3.3 直達波提純

純凈參考信號的獲取是外輻射源雷達相關處理的核心環節。與有源雷達不同，外輻射源雷達系統的參考信號是不可預知的，傳播過程存在多徑和噪聲干擾，某些情況下不宜直接通過波束形成獲得參考信號，因此，在各種典型的外輻射源(DVB[15],DAB[16], CMMB[17])雷達中，基于重構的信號提純技術得到廣泛應用。

直達波提純本質是發射端信號的解調與再調制過程，流程如圖7所示。不同標準的信號結構各有特色，DVB, DAB和CMMB為編碼正交頻分復用(Coded-OFDM, C-OFDM)結構，DTMB為 TDSOFDM 結構，具體信號處理算法也不盡相同。DTMB定義以PN序列為保護間隔，與C-OFDM信號有各類導頻符號不同，其同步和信道估計均在時域進行，具體方法對比[18]見表1。

外輻射源雷達利用參考信號和抑制后的監測信號進行匹配濾波提取目標信息，濾波后的相關峰值信噪比可衡量探測性能好壞。因此，研究參考信號純度對相關峰值信噪比的影響有一定指導意義。仿真在4QAM映射下，當參考信號誤碼率依次為 10-1,8×10-2, 4×10-2, 10-2, 10-3, 10-4, 10-5時 匹 配 濾 波后相關峰值信噪比的變化，仿真曲線如圖8所示，看出當參考信號誤碼率低于 10-2時，相關峰值信噪比隨參考信號誤碼率變化不大。

圖7 直達波提純流程圖

表1 TDS-OFDM信號與C-OFDM信號重構算法對比表

圖8 4QAM下匹配濾波后相關峰值信噪比

4 外場實驗

4.1 實驗方案

武漢大學利用新近研制的多通道外輻射源雷達系統于2011年底開展了非合作目標探測實驗。發射站為武漢龜山電視塔(信號中心頻率754 MHz，帶寬8 MHz)，位于接收陣列北偏東160°, 24.4 km處。實驗方案中采用了多種接收天線形式，如16元微帶振子天線陣；15元微帶振子天線陣加一幅方向性較好電視天線(下述實驗結果基于此種天線形式)；14元微帶振子天線陣，兩幅方向性較好電視天線作為監測天線。多元天線陣為直達波抑制提供豐富的自由度，選擇電視天線一方面可為參考信號獲取提供方便，同時為系統性能比較提供了參考。

4.2 實驗設備

圖9為武漢大學新近研制的多通道外輻射源雷達系統結構示意圖。 其接收天線采用多元微帶振子天線陣，模擬接收前端采用二次混頻、固定中頻方案，數據采集采用中頻帶通采樣和數字下變頻方案，數據記錄采用高速磁盤陣列，信號處理機完成信號重構、通道校正、直達波抑制、數字波束形成、互模糊函數、峰值檢測、恒虛警檢測和定位跟蹤等運算，最后輸出目標距離、速度和方位信息。

圖9 接收系統結構示意圖

4.3 實驗結果

下面介紹實測數據初步處理結果。首先，對參考通道數據進行直達波提純。圖 10為幀同步結果圖，橫軸為本地PN序列與接收數據相關運算時滑動的點數，縱軸為相關運算后幅值；圖11為信道估計均衡后數據的星座圖，星座圖顯示發射數據調制方式是4QAM，且在后續信道解碼提取系統信息時也驗證了前述結論的正確性。然后，對多通道監測數據進行直達波抑制。將通道校準后的監測數據與提純的參考信號直接匹配濾波，得到圖12(a)的距離多普勒譜，目標被直達波掩蓋；采用分載波空域抑制方法對監測數據處理后，再與提純的參考信號匹配濾波，得到圖12(b)的距離多普勒譜，目標凸顯，其位于多普勒元-36、距離元171處，為疑似飛機目標；為進一步確定疑似目標為飛機，對該目標進行跟蹤，得到圖12(c)結果，清晰看到目標連續點跡。實驗結果表明，DTMB外輻射源雷達可實現對目標的探測。

圖10 幀同步結果圖

圖11 信道均衡后星座圖

圖12 DTMB外輻射源雷達目標探測結果圖

5 結束語

本文研究了 DTMB外輻射源雷達用于目標探測的各信號處理環節，探討了其中若干關鍵技術的解決方法，為DTMB外輻射源雷達的推廣應用奠定基礎。DTMB采用創新的TDS-OFDM調制方式，在時域插入PN序列，利用PN序列良好的自相關特性，同步和信道估計性能優勢明顯，良好的實測數據星座圖證實了重構技術進行直達波提純是有效的。在直達波抑制環節，分載波空域抑制方法表現出良好性能。后續工作將針對各關鍵技術問題如重構過程中各誤差對探測性能的影響、雜波干擾抑制等展開深入研究。

[1]Griffiths H D. From a different perspective: principles,practice and potential of bistatic radar[C]. International Radar Conference, Australia, Sept. 3-5, 2003: 1-7.

[2]Kuschel H and O'Hagan D. Passive radar from history to future[C]. 11th International Radar Symposium(IRS),Vilnius, Lithuania, June 16-18, 2010: 1-4.

[3]萬顯榮. 基于低頻段數字廣播的高頻外輻射源雷達發展現狀與趨勢[J]. 雷達學報, 2012, 1(2): 109-123.

Wan Xian-rong. An overview on development of passive radar based on the low frequency band digital broadcasting and TV signals[J].Journal of Radars, 2012, 1(2): 109-123.

[4]GB 20600-2006, 數字電視地面廣播傳輸系統幀結構、信道編碼和調制[S]. 中國數字電視國家標準, 2006.

GB 20600-2006, Framing structure, channel coding and modulation for digital television terrestrial broadcasting system[S]. Chinese Digital Television National Standard,2006.

[5]高志文, 陶然, 王越. DTTB輻射源雷達信號模糊函數的分析及副峰識別[J]. 中國科學 F輯: 信息科學, 2009, 39(11):1231-1238.

Gao Zhi-wen, Tao Ran, and Wang Yue. Analysis and side peaks identification of Chinese DTTB signal ambiguity functions for passive radar[J].Science in China Series F:Information Sciences, 2009, 39(11): 1231-1238.

[6]Wan Xian-rong, Wang Jun-fang, Hong Sheng,et al..Reconstruction of reference signal for DTMB based passive radar systems[C]. IEEE CIE International Conference on Radar, Chengdu, China, Oct. 24-27, 2011: 165-168.

[7]Tao R, Wu H Z, and Shan T. Direct-path suppression by spatial filtering in digital television terrestrial broadcastingbased passive radar[J].IET Radar,Sonar&Navigation, 2010,4(6): 791-805.

[8]張南, 陶然, 王越. 雙基地雷達模糊函數及目標參數估計性能分析[J]. 中國科學E輯: 技術科學, 2009, 39(7): 1247-1255.

Zhang Nan, Tao Ran, and Wang Yue. Bistatic radar ambiguity function and target parameters estimation performance analysis[J].Science in China Series E:Technological Sciences, 2009, 39(7): 1247-1255.

[9]Wang J, Yang Z X, Pan C Y,et al..A combined code acquisition and symbol timing recovery method for TDSOFDM[J].IEEE Transactions on Broadcasting, 2003, 49(3):304-308.

[10]Song Bo-wei, Gui Lin, Guan Yun-feng,et al..On channel estimation and equalization in TDS-OFDM based terrestrial HDTV broadcasting system[J].IEEE Transactions on Consumer Electronics, 2005, 51(3): 790-797.

[11]Baker C J and Griffiths H D. Passive coherent location radar systems. Part2: waveform properties[J].IEE Proceedings-Radar Sonar and Navigation, 2005, 152(3): 160-168.

[12]Colone F, O’Hagan D W, Lombardo P,et al.. A multistage processing algorithm for disturbance removal and target detection in passive bistatic radar[J].IEEE Transactions on Aerospace and Electronic System, 2009, 45(2): 698-722.

[13]Poullin D. Passive detection using digital broadcasters(DAB,DVB)with COFDM modulation[J].IEE Proceedings-Radar Sonar and Navigation, 2005, 152(3): 143-152.

[14]趙志欣, 萬顯榮, 邵啟紅, 等. DRM無源雷達多徑雜波的分載波空域處理[J]. 華中科技大學學報(自然科學版), 2012, 40(3):13-17.

Zhao Zhi-xin, Wan Xian-rong, Shao Qi-hong,et al..Multipath clutter suppression by spatial filtering on each carrier in DRM-based passive radar[J].Huazhong University of Science&Technology(Natural Science Edition), 2012,40(3): 13-17.

[15]Marcin Kamil Baczyk and Mateusz Malanowski. Decoding and reconstruction of reference DVB-T signal in passive radar systems[C]. 11th International Radar Symposium(IRS),Vilnius, Lithuania, June 2010: 1-4.

[16]O’Hagan D W, Kuschel H, Heckenbach J,et al..Signal reconstruction as an effective means of detecting targets in a DAB-based PBR[C]. 11th International Radar Symposium(IRS), Vilnius, Lithuania, June 2010: 48-51.

[17]萬顯榮, 岑博, 易建新, 等. CMMB外輻射源雷達參考信號獲取方法研究[J]. 電子與信息學報, 2012, 34(2): 338-343.

Wan Xian-rong, Cen Bo, Yi Jian-xin,et al.. Reference signal extraction methods for CMMB-based passive bistatic radar[J].Journal of Electronics&Information Technology, 2012,34(2): 338-343.

[18]楊知行. 地面數字電視國家標準 DTMB解讀[J]. 中國數字電視, 2006,(28): 30-33.

Yang Zhi-xing. The reading of terrestrial digital television national standard DTMB[J].Chinese Digital Television, 2006,(28): 30-33.