基于數(shù)字電視廣播信號的無源雷達(dá)實(shí)驗(yàn)研究

劉茂君，鄭光勇，艾小鋒

(1．空軍大連通信士官學(xué)校，遼寧 大連116600; 2．電子信息系統(tǒng)復(fù)雜電磁環(huán)境效應(yīng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 洛陽471003)

基于數(shù)字電視廣播信號的無源雷達(dá)實(shí)驗(yàn)研究

劉茂君1，鄭光勇2，艾小鋒2

(1．空軍大連通信士官學(xué)校，遼寧 大連116600; 2．電子信息系統(tǒng)復(fù)雜電磁環(huán)境效應(yīng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 洛陽471003)

針對無源雷達(dá)雜波抑制問題，提出了采用空域?yàn)V波和雙極化通道對消的方法。設(shè)計(jì)了一套多通道寬帶接收與處理系統(tǒng)，選擇DTTB數(shù)字電視廣播信號開展了民航飛機(jī)目標(biāo)探測實(shí)驗(yàn)，采用極化和空域?yàn)V波方法解決了由于實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)布站帶來的強(qiáng)直達(dá)波抑制問題;結(jié)合DTTB數(shù)字電視廣播信號特點(diǎn)給出了分塊處理方法中塊長度合理選擇區(qū)間;通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析了不同極化通道雜波對消性能，結(jié)果表明該無源雷達(dá)實(shí)驗(yàn)方法能夠提升無源雷達(dá)探測能力。

無源雷達(dá);雜波對消;信號處理;極化

0 引言

無源雷達(dá)又稱外輻射源雷達(dá)，具有反隱身、抗干擾等天然優(yōu)勢［1］。近20年來，利用廣播電視、通訊基站、導(dǎo)航和通信衛(wèi)星、無線局域網(wǎng)絡(luò)等機(jī)會(huì)照射源的無源雷達(dá)逐漸受到人們重視并成為新型探測技術(shù)的研究重點(diǎn)［2］，國內(nèi)外已成功研制了多種試驗(yàn)系統(tǒng)，獲得了大量實(shí)測數(shù)據(jù)，無源相關(guān)定位雷達(dá)的基礎(chǔ)理論［3］與關(guān)鍵技術(shù)取得了突破性進(jìn)展［4］。近年來，以數(shù)字調(diào)幅廣播DRB、數(shù)字音頻廣播DAB、數(shù)字電視廣播DVB-T等為代表的數(shù)字廣播在全球逐步普及，數(shù)字廣播信號具有信號覆蓋范圍廣、作用距離遠(yuǎn)、信號樣式透明、易獲取和易處理等優(yōu)勢，因此基于數(shù)字廣播信號的無源雷達(dá)引起國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注［5］。北京理工大學(xué)單濤分析了 DVB-T信號的模糊函數(shù)特性［6］;武漢大學(xué)萬顯榮團(tuán)隊(duì)相繼開展了基于DRM數(shù)字調(diào)幅廣播［7］和數(shù)字地面多媒體廣播［8］的外輻射源雷達(dá)目標(biāo)探測實(shí)驗(yàn)。

數(shù)字 電 視 底 面 廣 播［9］(DigitalTelevision Terrestrial Broadcasting，DTTB)是我國具有自主知識產(chǎn)權(quán)的廣播信號，具有覆蓋面積廣、帶寬大等特點(diǎn)，采用DTTB信號作為輻射源可以獲得較遠(yuǎn)的探測距離和較高距離分辨率，因此基于DTTB信號的無源雷達(dá)是外輻射源雷達(dá)研究的一個(gè)重要方向［10］。外輻射源雷達(dá)的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)就是直達(dá)波和多徑抑制［11］，吳海洲等采用空域?yàn)V波方法抑制直達(dá)波［12］，李國君等采用最小二乘法抑制直達(dá)波［13］，方亮等采用梯度自適應(yīng)格型濾波方法抑制多徑［14］，上述方法均有一定的抑制效果，但尚有潛力可以挖掘。

現(xiàn)在可利用的輻射信號頻率覆蓋范圍很寬，每個(gè)頻點(diǎn)的信號特性、信號樣式不同，相應(yīng)的信號處理方式不同，而接收系統(tǒng)可以是通用的，在獲得寬頻段采樣數(shù)據(jù)后，通過更改后端的信號處理軟件，一個(gè)寬帶無源雷達(dá)系統(tǒng)就可以適應(yīng)于不同的場景。為此基于開放可重構(gòu)的思想，設(shè)計(jì)了一套多通道寬帶無源雷達(dá)接收與處理系統(tǒng)，每個(gè)通道可以獨(dú)立控制，通過頻率選擇獲取相應(yīng)的頻段信號，后端軟件處理采用CPU+GPU架構(gòu)［15］，分模塊實(shí)現(xiàn)通用無源雷達(dá)信號處理功能，具備軟件重構(gòu)能力，并通過DTTB信號進(jìn)行了民航飛機(jī)試驗(yàn)。提出了采用極化和空域?yàn)V波方法解決強(qiáng)直達(dá)波抑制問題，實(shí)現(xiàn)了雙極化通道目標(biāo)探測功能，可有效提升無源雷達(dá)的直達(dá)波和多徑抑制、以及目標(biāo)探測能力。

1 接收與處理系統(tǒng)

本文試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)6個(gè)接收通道，其中5個(gè)接收天線構(gòu)成接收陣列，另外一個(gè)通道作為參考通道，利用調(diào)頻廣播和電視信號對空中目標(biāo)進(jìn)行探測，以支持相關(guān)研究。為了試驗(yàn)時(shí)安裝和驗(yàn)證方便，陣列形式采用均勻線陣，并且陣元間距可靈活調(diào)整。采用均勻線陣有一系列優(yōu)點(diǎn)，如存在快速測量算法、結(jié)構(gòu)緊湊和測量精確等;但是存在柵瓣是其重大缺點(diǎn)，特別是對于無源接收而言，無法解模糊。因此天線應(yīng)該采用方向性天線，并且方位上的主瓣寬度大致等同于陣列的視場，以保證陣列主瓣覆蓋整個(gè)視場，此時(shí)柵瓣的影響可不考慮，具體參數(shù)主要取決于視場大小和輻射源信號頻率等。接收通道原理圖如圖1所示。

圖1 接收通道原理

前端包括STC和AGC控制，第1級帶通濾波器中心頻率 2．34 GHz，上下截止頻率為 2．2 GHz和2．52 GHz，帶外抑制70 dB;第2級帶通濾波器中頻頻率70 MHz，上下截止頻率為50 MHz和90 MHz，帶外抑制70 dB。工作帶寬達(dá)到1 GHz，接收機(jī)中心頻率可以任意設(shè)置，瞬時(shí)帶寬為10 MHz，覆蓋了現(xiàn)在大多可用的信號。

為了實(shí)現(xiàn)波束形成以提取有效直達(dá)波和在目標(biāo)探測時(shí)抑制直達(dá)波，首先需要進(jìn)行通道自校正，消除接收通道的不一致性、陣元位置測量誤差等產(chǎn)生的隨機(jī)相位。對于本系統(tǒng)，由于外輻射源一直存在和參考通道的使用，通道校正方式采用直達(dá)波注入式校正方法，即用功分器將參考通道接收到的直達(dá)波信號分成幾個(gè)相位相同、功率一樣的信號注入到陣列接收通道中，根據(jù)輸出信號估計(jì)通道誤差進(jìn)行補(bǔ)償。因此，在射頻接收端應(yīng)該有射頻開關(guān)以切換接收通道和校準(zhǔn)通道。

信號處理模塊采用服務(wù)器CPU+GPU的異構(gòu)協(xié)作、并行處理架，充分利用 GPU卡的高速并行計(jì)算能力，實(shí)現(xiàn)外輻射源雷達(dá)信號處理的實(shí)時(shí)性。在現(xiàn)有條件下，如果通過DSP或FPGA實(shí)現(xiàn)復(fù)雜算法，需要多片級聯(lián)并行處理，這種方式設(shè)計(jì)的信號處理器程序系統(tǒng)、能力和功能的緊耦合，不僅設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，而且不具有標(biāo)準(zhǔn)化和開放性，如果改變信號處理算法，整個(gè)系統(tǒng)需要對軟件和硬件同時(shí)重構(gòu)，因此這種系統(tǒng)的重用性和重構(gòu)性很差，大大降低了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的效率。通過CPU和GPU協(xié)同處理的機(jī)制構(gòu)建信號處理器，由于GPU自身的高性能，整個(gè)信號處理系統(tǒng)只需要單張GPU卡即可實(shí)現(xiàn)，所有信號處理算法都通過標(biāo)準(zhǔn)的C語言編程設(shè)計(jì)，系統(tǒng)功能的重構(gòu)只需要對軟件進(jìn)行重構(gòu)，使整個(gè)系統(tǒng)具有可重用性和開放性。

在應(yīng)用場景確定后，首先應(yīng)該對發(fā)射塔的廣播電視信號進(jìn)行偵察，根據(jù)可使用的輻射源信號參數(shù)確定系統(tǒng)的工作頻率;其次，根據(jù)場景的幾何結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)陣列幾何結(jié)構(gòu)和波束形成算法;系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定后才能進(jìn)行實(shí)際的數(shù)據(jù)處理過程。實(shí)際的數(shù)據(jù)處理基本過程如圖2所示。

在處理過程中，設(shè)定頻點(diǎn)后，每次處理前均應(yīng)進(jìn)行參考信號提純和通道校正后方能做目標(biāo)檢測等工作。

圖2 系統(tǒng)工作和信號處理流程

2 探測實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

相比調(diào)頻廣播和GSM等信號，DTTB信號發(fā)射功率大、帶寬大，采用DTTB信號作為輻射源的外輻射源探測系統(tǒng)，具有探測距離遠(yuǎn)、距離分辨率高的優(yōu)點(diǎn)，已被國內(nèi)幾大研究機(jī)構(gòu)廣泛研究。本文配置多種頻段的天線，首先通過頻譜儀接收周圍信號分析，找到對應(yīng)的DTTB信號頻率，測得信號頻譜如圖3所示，信號帶寬7．56 MHz，中心頻率為682 MHz，以此設(shè)為接收機(jī)的中心頻率，采用ADS－B輔助實(shí)驗(yàn)，獲取當(dāng)前經(jīng)過探測區(qū)域的民航飛機(jī)位置信息，并與接收機(jī)處理結(jié)果進(jìn)行對比，以驗(yàn)證系統(tǒng)的正確性。

圖3 實(shí)測的DTTB信號頻譜

2．1 強(qiáng)直達(dá)波抑制

試驗(yàn)時(shí)由于接收機(jī)位置距離電視塔距離約5 km，直達(dá)波很強(qiáng)，參考通道很容易就處于飽和狀態(tài)，由于DTTB信號發(fā)射天線采用水平極化發(fā)射，分別采用水平極化和垂直極化天線接收直達(dá)波信號，發(fā)現(xiàn)垂直接收時(shí)，直達(dá)波信號弱10 dB，為了提高弱信號接收能力，需要將接收機(jī)增益調(diào)到最大，而參考通道就越容易飽和，因此針對參考通道采用加衰減器和垂直極化天線接收的方式獲得合理的參考信號。直達(dá)波抑制算法采用快速LMS方法，參數(shù)設(shè)置為:迭代因子0．2，對消長度為512。

2．2 分塊長度選擇

文獻(xiàn)［15］借鑒脈沖多普勒處理的思路提出了在外輻射源雷達(dá)信號處理中采用分塊批處理的算法結(jié)構(gòu)，即將一段長時(shí)間的連續(xù)波信號分成若干段短時(shí)間觀測信號，把每一段信號看作一個(gè)脈沖(即將一維信號進(jìn)行分時(shí)處理，劃分為快時(shí)間和慢時(shí)間)，然后進(jìn)行脈沖多普勒處理。分塊批處理算法的結(jié)構(gòu)流程如圖4所示，需要將參考信號和監(jiān)視信號同時(shí)分塊，分塊之后是 2步常規(guī)處理操作:互相關(guān)和FFT。

圖4 分塊批處理算法結(jié)構(gòu)

分塊長度是分塊批處理算法的核心參數(shù)，它受到系統(tǒng)最大不模糊速度、雷達(dá)最大探測距離以及輻射源信號結(jié)構(gòu)等因素的約束，分塊長度取值不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致目標(biāo)丟失或者帶來虛假目標(biāo)。經(jīng)分析推導(dǎo)可以最終在確定基線長度、最大探測距離和最大不模糊速度的情況下，DTTB輻射源雷達(dá)采用分塊批處理算法時(shí)，分塊長度需滿足以下條件:

式中，T為DTTB信號幀周期;fs為采樣頻率;lseg為參考信號分塊長度;Lseg為監(jiān)視信號分塊長度;λ為波長;vmax為最大關(guān)心速度和;Rmax為最大關(guān)心距離和;c為光速。

不同分塊長度對應(yīng)的距離－多普勒圖如圖5所示，實(shí)測DTTB信號幀工作在PN420模式，基帶信號的復(fù)采樣率為10 Mbps/s，相干積累時(shí)間為 0．5 s，圖5(a)和圖 5(b)的分塊長度分別為 4 000和6 000，圖5(a)中除了能量最強(qiáng)的真實(shí)目標(biāo)外，在出現(xiàn)了周期性多普勒模糊帶(多普勒模糊在同一距離門上)，會(huì)形成虛假目標(biāo)，而圖5(b)中僅能觀測到真實(shí)目標(biāo)，因此選擇合適的塊長度可以有效抑制虛假目標(biāo)的產(chǎn)生，對目標(biāo)檢測更有利。

圖5 不同分塊長度對應(yīng)的距離－多普勒圖

2．3 雙極化接收通道對消性能分析

2個(gè)接收通道分別接水平和垂直極化天線，對準(zhǔn)同一個(gè)方向接收信號，即對應(yīng)HV和HH通道，然后分別與參考通道進(jìn)行直達(dá)波對消處理，對消方法同上，對消增益分別為26．7 dB和26．3 dB，對消后的監(jiān)視通道剩余信號分別如圖6(a)和圖6(b)所示。

圖6 不同極化通道對消結(jié)果

由對消結(jié)果可以看出，雖然2個(gè)通道的對消增益相近，但是HV通道剩余信號起伏更大，勢必影響后續(xù)的目標(biāo)檢測，原因在于接收天線方向的環(huán)境特性受極化影響較大，因此差異較大。

3 結(jié)束語

利用研制的寬帶多通道無源雷達(dá)接收與處理系統(tǒng)開展了基于數(shù)字電視廣播信號的無源雷達(dá)民航飛機(jī)探測試驗(yàn)，驗(yàn)證了系統(tǒng)基本能力。結(jié)合實(shí)際布站位置，采用極化和空域?yàn)V波方法解決了由于實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)布站帶來的強(qiáng)直達(dá)波抑制問題。初步開展了雙極化接收通道雜波抑制試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)2個(gè)通道的對消性能差異較大，原因在于環(huán)境的極化特性差異較大。后續(xù)將開展雜波雙基地極化統(tǒng)計(jì)特性測量與建模研究，以及雙極化通道聯(lián)合目標(biāo)探測研究。

［1］ 宋 杰，何 友，蔡復(fù)青，等．基于非合作雷達(dá)輻射源的無源雷達(dá)技術(shù)綜述［J］．系統(tǒng)工程與電子技術(shù)，2009，31 (9):2 151－2 156．

［2］ 萬顯榮．基于低頻段數(shù)字廣播電視信號的外輻射源雷達(dá)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢［J］．雷達(dá)學(xué)報(bào)，2012，1(2): 109－123．

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Experimental Results of Dual-polarization Passive Radar Based on Digital Television Broadcasting Signal

LIU Mao-jun1，ZHENG Guang-yong2，AI Xiao-feng2

(1．Dalian Sergeant School of Air Force Communication，Dalian Liaoning 116600，China; 2．State Key Laboratory of Complex Electromagnetic Environment Effects on Electronics and Information System，Luoyang He’nan 471003，China)

The spatial filtering and dual-polarized channel cancellation method are proposed for the clutter suppression in the passive radar．A multichannel wideband receiving and processing system is designed，and the digital television terrestrial broadcasting (DTTB)signal is chosen to carry out civil aircraft target detection experiment．The polarization and spatial filtering methods are used to solve the strong direct path interference suppression problems incurred by the receiving system location;combined with the characteristics of the DTTB signal，the block length selection interval in the block batch processing method for range-Doppler image calculation is given．The clutter cancellation performance of different polarization channels are analysed through the experimental data，and the results show that the proposed method in the passive radar experiment can improve detection performance of the passive radar．

passive radar;clutter cancellation;signal processing;polarization

TN929.5

A

1003－3106(2017)02－0065－04

10．3969/j．issn．1003－3106．2017．02．16

劉茂君，鄭光勇，艾小鋒．基于數(shù)字電視廣播信號的無源雷達(dá)實(shí)驗(yàn)研究［J］．無線電工程，2017，47(2):65－68，73．

2016-11-08

國家自然基金資助項(xiàng)目(61401491)。

劉茂君女，(1982—)，碩士，助教。主要研究方向:信號與信息處理。

鄭光勇男，(1979—)，碩士，副研究員。主要研究方向:信號與信息處理。