寬帶外輻射源雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與原理實(shí)驗(yàn)

(1.武漢大學(xué)電子信息學(xué)院， 湖北武漢 430072； 2.同方電子科技有限公司， 江西九江 332007)

0 引言

外輻射源雷達(dá)是利用第三方發(fā)射的電磁信號(hào)探測(cè)跟蹤目標(biāo)的雙/多基地雷達(dá)系統(tǒng)[1-2]，具有綠色環(huán)保、隱蔽性強(qiáng)、易于部署和組網(wǎng)等優(yōu)點(diǎn)。現(xiàn)階段外輻射源雷達(dá)可利用的第三方照射源主要包括FM廣播、數(shù)字音頻廣播DAB、數(shù)字視頻廣播(DVB-T，CMMB，DTMB)、全球定位系統(tǒng)信號(hào)GPS、WiFi信號(hào)、第四代移動(dòng)通信LTE等，涵蓋HF、VHF和UHF等多個(gè)頻段。目前比較成熟的外輻射源雷達(dá)系統(tǒng)多是針對(duì)單個(gè)頻段定制的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，利用單一頻率照射源進(jìn)行目標(biāo)探測(cè)，系統(tǒng)探測(cè)范圍受收發(fā)站幾何位置約束，可用信號(hào)功率有限，存在探測(cè)盲區(qū)。如何優(yōu)化雷達(dá)覆蓋范圍，提高目標(biāo)檢測(cè)性能，是當(dāng)今外輻射源雷達(dá)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

利用多個(gè)不同頻率的信號(hào)進(jìn)行外輻射源雷達(dá)目標(biāo)探測(cè)，可以提高探測(cè)性能，國(guó)內(nèi)外就此方向已有諸多研究。文獻(xiàn)[3]利用多個(gè)GSM發(fā)射站信號(hào)以提高外輻射源雷達(dá)目標(biāo)定位精度。文獻(xiàn)[4]討論了一種多頻WiFi外輻射源雷達(dá)信號(hào)帶寬合成方法，仿真證實(shí)該方法可以改善輸出信噪比和提高距離分辨率。文獻(xiàn)[5-7]研究多調(diào)頻廣播外輻射源雷達(dá)相位補(bǔ)償方法，通過(guò)理論分析和外場(chǎng)實(shí)驗(yàn)論證多調(diào)頻廣播可以提高目標(biāo)檢測(cè)概率。文獻(xiàn)[8-10]通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證多個(gè)頻率的DVB-T信號(hào)相比單個(gè)頻率能顯著增強(qiáng)目標(biāo)檢測(cè)性能。文獻(xiàn)[11-12]指出可以利用同一個(gè)發(fā)射站的不同頻率信號(hào)提高外輻射源雷達(dá)SAR/ISAR成像分辨率。文獻(xiàn)[13-14]介紹了一種多基地多頻段遠(yuǎn)程外輻射源雷達(dá)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可同時(shí)利用FM廣播、數(shù)字音頻廣播DAB(VHF)和數(shù)字視頻廣播DVB-T(UHF)三個(gè)頻段多個(gè)不同頻率信號(hào)進(jìn)行目標(biāo)探測(cè)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)能夠較好地捕獲和跟蹤機(jī)動(dòng)地面目標(biāo)、戰(zhàn)斗機(jī)以及慢速小型飛機(jī)。

本文基于外輻射源雷達(dá)多頻探測(cè)需求，研究和設(shè)計(jì)了一款小型化寬帶外輻射源雷達(dá)系統(tǒng)，介紹了該系統(tǒng)的總體架構(gòu)以及關(guān)鍵模塊的設(shè)計(jì)，給出了系統(tǒng)的主要性能參數(shù)。最后重點(diǎn)介紹了利用本系統(tǒng)開(kāi)展雙頻DTMB信號(hào)目標(biāo)探測(cè)實(shí)驗(yàn)的情況，主要包括實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景、信號(hào)處理流程以及初步實(shí)驗(yàn)結(jié)果等。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

外輻射源雷達(dá)系統(tǒng)至少要包含2個(gè)通道：監(jiān)測(cè)通道和參考通道，分別用來(lái)接收目標(biāo)回波信號(hào)和直達(dá)波信號(hào)。本文設(shè)計(jì)的雙通道外輻射源雷達(dá)系統(tǒng)由天線、接收機(jī)和上位機(jī)組成。其中接收機(jī)主要包括高集成度AD9371射頻芯片、可編程邏輯器件FPGA和萬(wàn)兆以太網(wǎng)傳輸接口等核心模塊。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。下面詳細(xì)介紹各模塊的設(shè)計(jì)方案。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

為滿足多頻探測(cè)需求，本文所設(shè)計(jì)寬帶外輻射源雷達(dá)系統(tǒng)應(yīng)滿足以下要求：1)工作頻率范圍廣，盡可能覆蓋絕大部分外輻射源第三方照射源頻段，充分兼顧不同頻段照射源在距離覆蓋、分辨率性能和地域上的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)多波段綜合一體化[1]。2)工作帶寬寬且可調(diào)，能夠同時(shí)采集同一頻段多個(gè)不同頻率的寬帶電臺(tái)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)外輻射源雷達(dá)多頻探測(cè)，改善雷達(dá)覆蓋范圍、距離和方位分辨率、檢測(cè)信噪比等性能。基于以上兩點(diǎn)要求，本文選用ADI公司的AD9371射頻芯片完成信號(hào)的采集，該芯片可工作在300 MHz～6 GHz寬頻率范圍，支持高達(dá)100 MHz接收帶寬。芯片采用零中頻接收機(jī)架構(gòu)，內(nèi)部具有兩個(gè)完全相同的接收通道，可完成射頻信號(hào)的放大、混頻、采樣、濾波和數(shù)字下變頻等過(guò)程。芯片內(nèi)部提供直流失調(diào)校正、正交誤差校正功能，噪聲系數(shù)低、動(dòng)態(tài)范圍大、鏡像抑制度高、通道隔離性能良好，能夠滿足雷達(dá)信號(hào)處理的要求。

實(shí)際工作中雷達(dá)接收遠(yuǎn)距離目標(biāo)回波強(qiáng)度很弱，由于AD9371芯片內(nèi)部最大增益只有約17 dB，遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到要求，本系統(tǒng)采用Mini Circuit公司CMA-63+芯片和DVGA2-33A+芯片對(duì)前端信號(hào)進(jìn)行兩級(jí)放大，前者可提供20 dB固定增益，后者提供約30 dB范圍可調(diào)增益。靈活的增益控制使系統(tǒng)能夠適用于各種復(fù)雜環(huán)境。

為滿足雷達(dá)高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性，本系統(tǒng)采用FPGA作為主控芯片，完成系統(tǒng)配置和數(shù)據(jù)傳輸。綜合考慮資源、性能、價(jià)格等因素，系統(tǒng)選用Xilinx Kintex-7系列FPGA。考慮計(jì)算復(fù)雜性，F(xiàn)PGA內(nèi)部?jī)H完成AD芯片配置、數(shù)據(jù)接收與組幀、緩存模塊讀寫(xiě)控制等功能，信號(hào)處理部分交由上位機(jī)完成。上位機(jī)與接收機(jī)之間通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)萬(wàn)兆以太網(wǎng)接口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，主要包括兩方面的內(nèi)容：一是將上位機(jī)軟件設(shè)置的參數(shù)配置信息，包括帶寬、采樣率、混頻器中心頻率、增益等傳送至接收機(jī)；二是將采集到的寬帶高速數(shù)據(jù)傳輸至上位機(jī)。萬(wàn)兆以太網(wǎng)接口不僅能夠滿足傳輸速率的要求，并且可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，具有良好的通用性。

AD9371采用高速串行JESD204B接口實(shí)現(xiàn)基帶數(shù)據(jù)傳輸，該接口需設(shè)計(jì)時(shí)鐘同步電路以實(shí)現(xiàn)發(fā)送端(AD9371)和接收端(FPGA)數(shù)據(jù)同步。系統(tǒng)的時(shí)鐘同步方案設(shè)計(jì)如圖2所示，其中晶振芯片CVHD-950作為系統(tǒng)參考源時(shí)鐘，時(shí)鐘分配芯片選型為AD9528，該芯片內(nèi)部集成JESD204B SYSREF發(fā)生器，具有多路低抖動(dòng)、低相噪、高性能時(shí)鐘輸出，可實(shí)現(xiàn)完全靈活的時(shí)序?qū)R。

圖2 時(shí)鐘同步方案

系統(tǒng)整體工作流程如下：從天線接收的兩路信號(hào)可直接通過(guò)電纜進(jìn)入接收機(jī)，經(jīng)低噪放后進(jìn)入AD9371射頻芯片，AD9371芯片將射頻模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榛鶐?shù)字信號(hào)，再經(jīng)高速串行JESD204B接口傳輸至FPGA，F(xiàn)PGA接收數(shù)據(jù)并按照萬(wàn)兆以太網(wǎng)幀格式將數(shù)據(jù)傳送至上位機(jī)，最后在上位機(jī)中對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理實(shí)現(xiàn)目標(biāo)檢測(cè)和跟蹤。表1給出了系統(tǒng)的主要性能參數(shù)。

表1 系統(tǒng)基本技術(shù)參數(shù)

2 外場(chǎng)實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景

數(shù)字電視地面廣播(Digital Television Terrestrial Multimedia Broadcasting，DTMB)是我國(guó)提出的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的數(shù)字地面電視廣播標(biāo)準(zhǔn)，采用正交頻分復(fù)用調(diào)制技術(shù)，抗多徑能力強(qiáng)，信號(hào)帶寬大，距離分辨率高。目前DTMB信號(hào)已覆蓋全國(guó)300多個(gè)城市，為開(kāi)展DTMB外輻射源雷達(dá)探測(cè)研究提供了良好的條件。國(guó)內(nèi)多家研究機(jī)構(gòu)已就DTMB信號(hào)模糊函數(shù)分析[15]、參考信號(hào)重構(gòu)[16-18]、雜波抑制[19-21]等方面進(jìn)行了詳細(xì)理論分析，眾多合作/非合作目標(biāo)探測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了DTMB信號(hào)作為外輻射源雷達(dá)機(jī)會(huì)照射源的可行性[22-24]。據(jù)調(diào)研，利用多頻DTMB信號(hào)進(jìn)行外輻射源雷達(dá)目標(biāo)探測(cè)研究尚少見(jiàn)報(bào)道。

為驗(yàn)證本文所設(shè)計(jì)寬帶外輻射源雷達(dá)系統(tǒng)的性能，開(kāi)展了雙頻DTMB信號(hào)目標(biāo)探測(cè)外場(chǎng)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)站位場(chǎng)景圖如圖3所示，其中接收站位于四川省廣漢機(jī)場(chǎng)附近，兩個(gè)DTMB信號(hào)發(fā)射站分別位于廣漢市和成都市，信號(hào)中心頻率分別為634 MHz和626 MHz，帶寬均為8 MHz。本次實(shí)驗(yàn)采用兩副八木天線分別指向兩個(gè)發(fā)射站，經(jīng)功率合成器合為一路后送入接收機(jī)參考通道，監(jiān)測(cè)通道采用單副八木天線指向目標(biāo)所在區(qū)域。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中還同時(shí)存儲(chǔ)了民航飛機(jī)所發(fā)射的廣播式自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視(Automatic Dependent Surveyllance-Broadcast，ADS-B)信號(hào)，視作非合作目標(biāo)的真實(shí)狀態(tài)信息，可與雷達(dá)處理結(jié)果進(jìn)行比對(duì)和驗(yàn)證。系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置如表2所示。

圖3 實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景圖

參數(shù)參數(shù)值中心頻率630MHz帶寬16MHz采樣率25MHz數(shù)據(jù)率200MB/s

2.2 信號(hào)處理流程

本次實(shí)驗(yàn)同時(shí)接收兩個(gè)發(fā)射站不同頻率的DTMB信號(hào)，信號(hào)處理過(guò)程如下：首先將兩個(gè)發(fā)射站的信號(hào)通過(guò)濾波器分離出來(lái)，然后對(duì)每個(gè)頻率單獨(dú)進(jìn)行分析與處理，最后將兩個(gè)頻率的結(jié)果進(jìn)行比較和綜合。單個(gè)頻率的信號(hào)處理流程與傳統(tǒng)外輻射源雷達(dá)信號(hào)典型處理流程相同，如圖4所示，其中參考通道不可避免會(huì)混入多徑雜波和噪聲，需對(duì)直達(dá)波進(jìn)行提純以獲得純凈的參考信號(hào)。針對(duì)數(shù)字廣播電視信號(hào)易于編解碼等特點(diǎn)，本文采用的是基于重構(gòu)技術(shù)的參考信號(hào)獲取方法。監(jiān)測(cè)通道除了弱目標(biāo)回波信號(hào)之外，還會(huì)引入較強(qiáng)的直達(dá)波以及多徑雜波(統(tǒng)稱雜波干擾)，需要對(duì)雜波干擾進(jìn)行抑制以防止目標(biāo)回波信號(hào)被掩蓋。雜波干擾抑制方法有很多種，大致可分為兩類，時(shí)域方法和空域方法，本文采用的是一種時(shí)域雜波對(duì)消方法[25-26]。提純后的參考信號(hào)與雜波干擾抑制后的監(jiān)測(cè)信號(hào)進(jìn)行互模糊處理得到距離多普勒譜，在距離-多普勒二維平面上進(jìn)行恒虛警檢測(cè)(CFAR)得到目標(biāo)點(diǎn)跡信息，將連續(xù)多場(chǎng)數(shù)據(jù)的點(diǎn)跡信息進(jìn)行整合得到完整航跡，最后與ADS-B記錄的航跡信息進(jìn)行比對(duì)。

圖4 信號(hào)處理流程

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

接收信號(hào)頻譜如圖5所示，從頻譜上可以清晰看到2個(gè)頻率的DTMB信號(hào)，廣漢發(fā)射站距離接收站位置較近，接收信號(hào)功率大于成都發(fā)射站。圖6(a)、(b)、(c)、(d)分別是626 MHz、634 MHz雙基距離和雙基速度比對(duì)結(jié)果，與ADS-B記錄信息吻合的有目標(biāo)5、10、12、13、21，其中目標(biāo)5只有在626 MHz比對(duì)結(jié)果中被檢測(cè)到。圖7展示了收發(fā)站相對(duì)位置以及ADS-B記錄的上述5個(gè)目標(biāo)真實(shí)飛行航跡，航跡末端用箭頭指示。觀察并比較同一目標(biāo)在兩個(gè)頻率的點(diǎn)跡比對(duì)結(jié)果和該目標(biāo)在不同時(shí)段的實(shí)際航行位置，可以發(fā)現(xiàn)：

圖5 信號(hào)頻譜圖

(a) 626 MHz雙基距離比對(duì)結(jié)果

(b) 626 MHz雙基速度比對(duì)結(jié)果

(c) 634 MHz雙基距離比對(duì)結(jié)果

(d) 634 MHz雙基速度比對(duì)結(jié)果圖6 雙頻探測(cè)實(shí)驗(yàn)比對(duì)結(jié)果

圖7 目標(biāo)實(shí)際航跡

1) 在方向1上，即目標(biāo)5第120～170 s時(shí)段、目標(biāo)10第60～120 s時(shí)段，626 MHz檢測(cè)點(diǎn)跡連續(xù)，634 MHz未檢測(cè)到有效點(diǎn)跡。目標(biāo)5在120 s之前、目標(biāo)10在60 s之前飛行位置處于天線波束范圍之外，未被檢測(cè)到。

2) 在方向2上，即目標(biāo)10第130～170 s時(shí)段、目標(biāo)13第15～80 s時(shí)段，634 MHz檢測(cè)結(jié)果明顯優(yōu)于626 MHz檢測(cè)結(jié)果。目標(biāo)10第120～130 s時(shí)段以及目標(biāo)13在前15 s處于轉(zhuǎn)彎時(shí)期，雙基速度變化大，檢測(cè)點(diǎn)跡較少。

3) 在方向3上，即目標(biāo)13第100～170 s時(shí)段、目標(biāo)12第0～50 s時(shí)段、目標(biāo)21第120～170 s時(shí)段，兩個(gè)頻率檢測(cè)結(jié)果均較連續(xù)。目標(biāo)12在50 s之后、目標(biāo)21在100 s之前均處于天線波束范圍外，未被檢測(cè)到。

對(duì)本次實(shí)驗(yàn)其他多組數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，所得結(jié)果與上述分析一致。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，兩個(gè)頻率信號(hào)在不同方向上的目標(biāo)檢測(cè)結(jié)果存在較大差異，其可能原因有：1)目標(biāo)飛行軌跡、姿態(tài)、信號(hào)相對(duì)入射和散射方向等原因?qū)е履繕?biāo)散射截面RCS不同；2)接收信號(hào)功率、天線方向圖、雜波環(huán)境等因素綜合導(dǎo)致目標(biāo)信噪比不同。

從比對(duì)結(jié)果來(lái)看，兩個(gè)頻率均可以良好地檢測(cè)到目標(biāo)，為了定量描述兩個(gè)頻率目標(biāo)探測(cè)的性能，對(duì)上述目標(biāo)多個(gè)檢測(cè)時(shí)刻的樣本進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到如表3所示的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。從表中可知：同一目標(biāo)在不同頻率信號(hào)中的目標(biāo)檢測(cè)點(diǎn)數(shù)有所差異，并且具有良好的互補(bǔ)性，將兩個(gè)頻率結(jié)果融合后，檢測(cè)點(diǎn)數(shù)顯著增多，即多頻探測(cè)可以彌補(bǔ)單頻在某些時(shí)刻上的檢測(cè)損失，使檢測(cè)結(jié)果更連續(xù)。

表3 目標(biāo)檢測(cè)統(tǒng)計(jì)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，相比于單個(gè)頻率，多頻探測(cè)方案可以顯著提高目標(biāo)的檢測(cè)能力，提升外輻射源雷達(dá)探測(cè)的穩(wěn)健性。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文研究和設(shè)計(jì)了一種高集成度、低成本、小型化寬帶外輻射源雷達(dá)接收系統(tǒng)，為驗(yàn)證系統(tǒng)性能開(kāi)展了雙頻DTMB信號(hào)目標(biāo)探測(cè)原理實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果初步論證了外輻射源雷達(dá)多頻探測(cè)的優(yōu)勢(shì)，即能夠擴(kuò)大雷達(dá)探測(cè)覆蓋范圍，提高目標(biāo)檢測(cè)能力，這為外輻射源雷達(dá)在空域監(jiān)視等領(lǐng)域推廣使用提供了一定的參考價(jià)值。后續(xù)圍繞本系統(tǒng)開(kāi)展了多頻外輻射源雷達(dá)SAR/ISAR成像研究實(shí)驗(yàn)，相關(guān)工作將進(jìn)一步拓展外輻射源雷達(dá)多頻探測(cè)的優(yōu)勢(shì)。