数字地面多媒体广播外辐射源雷达目标探测实验研究

唐 慧 万显荣 陈 伟 柯亨玉

(武汉大学电子信息学院 武汉 430072)

1 引言

外辐射源雷达是一种利用第三方非合作辐射源作为探测信号，从接收的目标散射回波中提取距离、方位和速度等参数的设备，具有成本低、绿色环保、抗干扰能力强等诸多优势。近年来随着数字广播(数字调幅广播DRM、数字音频广播DAB、数字电视广播DVB-T等)在全球的普及，基于数字广播信号的外辐射源雷达引起国内外学者的广泛关注[1-3]。我国的数字广播发展较晚，于2006年提出了具有自主知识产权的数字电视国家标准地面数字多媒体广播(Digital Television/Terrestrial Multimedia Broadcasting, DTMB)[4]，并于2011年12月成为继欧、美、日之后的第4个数字电视国际标准。北京奥运会之后，国家广播电影电视总局加大推广力度，广电规划院负责制定了全国 337个地级市的地面DTV广播频率规划，并由无线台管理局负责承建。截至2010年底，地面广播网已覆盖全国300多个城市，这为我国研究新体制外辐射源雷达提供了良好的条件。国内多家研究机构在基于DTMB信号的外辐射源雷达上开展了卓有成效的工作，已有研究成果主要包括：模糊函数分析[5]、参考信号重构[6]、直达波抑制[7]、双基地雷达几何配置对加速运动目标探测性能影响分析[8]。

欧洲在基于DAB和DVB-T的外辐射源雷达技术研究上已走在世界前列，为我国开展该技术研究提供了有益借鉴。DTMB外辐射源雷达采用与DVB类似的系统框架和信号处理流程，如两者均需进行直达波提纯、直达波抑制、相关检测与跟踪等；但DTMB和DVB-T信号标准有显著差别，对于利用不同信号的外辐射源雷达，信号结构和系统配置的区别是决定后续环节存在差异的主要原因。比如，DTMB与DVB-T信号结构不同，模糊平面上的模糊副峰也就迥异[5]；由于调制方式不同，直达波提纯中若干关键步骤也不同[9,10]。本文重点介绍了利用武汉大学研制的多通道外辐射源雷达实验平台开展DTMB外辐射源雷达目标探测的情况，包括外辐射源雷达基本原理、信号处理关键技术、探测设备和初步实验结果。

2 DTMB外辐射源雷达的基本理论

2.1 DTMB外辐射源雷达探测基本原理

与传统外辐射源雷达系统类似，DTMB外辐射源雷达采用相干处理技术进行目标检测，即在接收系统中至少设置两个通道：监测通道和参考通道，分别用来接收目标回波信号和参考信号，如图1所示；然后通过监测通道和参考通道的2维互相关函数得到距离多普勒谱(RD谱)，从而实现目标的检测与跟踪，具体信号处理流程如图2所示。本文主要叙述波形修正、直达波抑制和直达波提纯3个核心环节。

图1 外辐射源雷达工作示意图

图2 信号处理流程图

2.2 DTMB信号结构

国家标准 DTMB有单载波和多载波两种模式，本文研究多载波模式，其创新地采用了时域正交频分复用(Time Domain Synchronous-OFDM, TDS-OFDM)调制技术，由一系列帧结构组成的复帧结构承载，基本信号单元是信号帧。信号帧由帧头和帧体两部分组成，帧头和帧体的基带符号速率为7.56 Msps，国家标准规定3种可选帧头模式[4]。

图3 PN420帧结构图

结合武汉本地电台实际发射情况，以PN420为例，其结构示意图如图3所示。PN420模式中，帧头信号采用I路和Q路相同的4QAM调制；帧体长度是500 μs，用3780个子载波调制，子载波间隔为2 kHz，占用的射频带宽为7.56 MHz。PN帧头既充当DTMB的保护间隔用以抵抗多径干扰，又作为训练序列用于系统快速同步、信道估计和相位噪声跟踪。帧体采用OFDM调制，由36个系统信息符号和3744个有效数据符号组成。系统信息为每个信号帧提供解调和解码信息；有效数据部分是经过信源、信道编码之后得到的数据。完整信号帧时域表达如式(1)，其中，Ng和Nc分别代表帧头与帧体的符号长度，PN(n)表示帧头，k为调制时载频序号，S(k)是调制之前的帧体符号。

2.3 模糊函数

模糊函数是研究外辐射源雷达波形特性的有效工具，它描述了外辐射源雷达系统采用的发射波形所具有的目标分辨率、测量精度、模糊度和杂波抑制能力等潜在性能[11]，其计算表达式如式(2)。

图4为一组DTMB实测数据的模糊函数，图中除了零距离和零多普勒频率处的主峰外，还出现了多个有规律的副峰，与理论分析一致[6]。依据副峰产生机理，副峰可归纳为3类：帧头副峰、帧体副峰和功率差副峰[5]。值得注意的是，帧体副峰由系统信息引起，系统信息为帧体OFDM调制符号，在波形修正时，应另行考虑。

3 信号处理关键技术

3.1 波形修正

依据上述信号结构可对上述模糊函数进行适当修正。先将参考通道中的信号与本地的PN序列进行滑动相关实现DTMB信号帧的同步；然后将参考信号中每个信号帧的帧头去除，图4中的帧头副峰和功率差副峰即可消除，对于帧体副峰，由于系统信息能量很小，并不影响波形修正效果；最后可得理想的图钉型模糊函数，如图5所示。

图4 DTMB实测信号模糊函数

应该指出，波形修正并非总是必要，应视具体探测需求而定。UHF频段外辐射源雷达探测距离通常在100 km以内，常见高速目标的多普勒频率在1 kHz左右。帧头引起的副峰相对于主峰时延为555.6 μs，对应双基距离达160 km；多普勒频率模糊副峰(由帧头与帧体功率差引起)对应多普勒频率为 1.8 kHz，超出多普勒频率范围。综上所述，只有探测目标对应大的双基距离或双基速度时，波形修正才显得必要。

3.2 直达波抑制

武汉本地DTMB采用单一发射基站、根据目标几何位置、接收系统相关参数以及假定的适宜传播环境，由雷达方程计算得DTMB双基地雷达系统接收回波中目标回波与直达波信号的功率强度差异一般在60～140 dB左右，经过匹配滤波后杂波仍然具有高的距离和多普勒副瓣，这些副瓣会淹没远距离的动目标回波，有效抑制直达波和多径杂波是外辐射源雷达的主要难点之一。

抑制方法大致可分为时域方法和空域方法。在时域方法中，分阶段分块子空间投影方法[12]应用较广，不仅能够抑制杂波干扰，还能消除强目标遮蔽效应，最少只需一个监测通道和一个参考通道即可实现有效探测；在空域方法中，MVDR是较常用的有效方法。设阵列为N元阵，期望信号方向为θ0，期望信号导向矢量a(θ0)为N×1维矩阵，阵列接收数据矢量x(t)为N×M维矩阵，则 MVDR波束形成器的权矢量WMVDR可表示为式(3)，

阵列协方差矩阵Rx=E[x(t)xH(t)]为N×N维。

分载波空域处理方法[13,14]是特别针对OFDM体制信号提出的，当取OFDM有效数据体部分变换到频域时，直达波干扰在各个载波上完全相关(即为相干干扰)，降低了直达波抑制的空域自由度要求，提高了直达波抑制能力。其具体信号处理流程如图 6所示。

图5 预处理后的单基地模糊函数

图6 直达波抑制流程图

3.3 直达波提纯

纯净参考信号的获取是外辐射源雷达相关处理的核心环节。与有源雷达不同，外辐射源雷达系统的参考信号是不可预知的，传播过程存在多径和噪声干扰，某些情况下不宜直接通过波束形成获得参考信号，因此，在各种典型的外辐射源(DVB[15],DAB[16], CMMB[17])雷达中，基于重构的信号提纯技术得到广泛应用。

直达波提纯本质是发射端信号的解调与再调制过程，流程如图7所示。不同标准的信号结构各有特色，DVB, DAB和CMMB为编码正交频分复用(Coded-OFDM, C-OFDM)结构，DTMB为 TDSOFDM 结构，具体信号处理算法也不尽相同。DTMB定义以PN序列为保护间隔，与C-OFDM信号有各类导频符号不同，其同步和信道估计均在时域进行，具体方法对比[18]见表1。

外辐射源雷达利用参考信号和抑制后的监测信号进行匹配滤波提取目标信息，滤波后的相关峰值信噪比可衡量探测性能好坏。因此，研究参考信号纯度对相关峰值信噪比的影响有一定指导意义。仿真在4QAM映射下，当参考信号误码率依次为 10-1,8×10-2, 4×10-2, 10-2, 10-3, 10-4, 10-5时 匹 配 滤 波后相关峰值信噪比的变化，仿真曲线如图8所示，看出当参考信号误码率低于 10-2时，相关峰值信噪比随参考信号误码率变化不大。

图7 直达波提纯流程图

表1 TDS-OFDM信号与C-OFDM信号重构算法对比表

图8 4QAM下匹配滤波后相关峰值信噪比

4 外场实验

4.1 实验方案

武汉大学利用新近研制的多通道外辐射源雷达系统于2011年底开展了非合作目标探测实验。发射站为武汉龟山电视塔(信号中心频率754 MHz，带宽8 MHz)，位于接收阵列北偏东160°, 24.4 km处。实验方案中采用了多种接收天线形式，如16元微带振子天线阵；15元微带振子天线阵加一幅方向性较好电视天线(下述实验结果基于此种天线形式)；14元微带振子天线阵，两幅方向性较好电视天线作为监测天线。多元天线阵为直达波抑制提供丰富的自由度，选择电视天线一方面可为参考信号获取提供方便，同时为系统性能比较提供了参考。

4.2 实验设备

图9为武汉大学新近研制的多通道外辐射源雷达系统结构示意图。 其接收天线采用多元微带振子天线阵，模拟接收前端采用二次混频、固定中频方案，数据采集采用中频带通采样和数字下变频方案，数据记录采用高速磁盘阵列，信号处理机完成信号重构、通道校正、直达波抑制、数字波束形成、互模糊函数、峰值检测、恒虚警检测和定位跟踪等运算，最后输出目标距离、速度和方位信息。

图9 接收系统结构示意图

4.3 实验结果

下面介绍实测数据初步处理结果。首先，对参考通道数据进行直达波提纯。图 10为帧同步结果图，横轴为本地PN序列与接收数据相关运算时滑动的点数，纵轴为相关运算后幅值；图11为信道估计均衡后数据的星座图，星座图显示发射数据调制方式是4QAM，且在后续信道解码提取系统信息时也验证了前述结论的正确性。然后，对多通道监测数据进行直达波抑制。将通道校准后的监测数据与提纯的参考信号直接匹配滤波，得到图12(a)的距离多普勒谱，目标被直达波掩盖；采用分载波空域抑制方法对监测数据处理后，再与提纯的参考信号匹配滤波，得到图12(b)的距离多普勒谱，目标凸显，其位于多普勒元-36、距离元171处，为疑似飞机目标；为进一步确定疑似目标为飞机，对该目标进行跟踪，得到图12(c)结果，清晰看到目标连续点迹。实验结果表明，DTMB外辐射源雷达可实现对目标的探测。

图10 帧同步结果图

图11 信道均衡后星座图

图12 DTMB外辐射源雷达目标探测结果图

5 结束语

本文研究了 DTMB外辐射源雷达用于目标探测的各信号处理环节，探讨了其中若干关键技术的解决方法，为DTMB外辐射源雷达的推广应用奠定基础。DTMB采用创新的TDS-OFDM调制方式，在时域插入PN序列，利用PN序列良好的自相关特性，同步和信道估计性能优势明显，良好的实测数据星座图证实了重构技术进行直达波提纯是有效的。在直达波抑制环节，分载波空域抑制方法表现出良好性能。后续工作将针对各关键技术问题如重构过程中各误差对探测性能的影响、杂波干扰抑制等展开深入研究。

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