基于数字电视广播信号的无源雷达实验研究

刘茂君，郑光勇，艾小锋

(1．空军大连通信士官学校，辽宁 大连116600; 2．电子信息系统复杂电磁环境效应国家重点实验室，河南 洛阳471003)

基于数字电视广播信号的无源雷达实验研究

刘茂君1，郑光勇2，艾小锋2

(1．空军大连通信士官学校，辽宁 大连116600; 2．电子信息系统复杂电磁环境效应国家重点实验室，河南 洛阳471003)

针对无源雷达杂波抑制问题，提出了采用空域滤波和双极化通道对消的方法。设计了一套多通道宽带接收与处理系统，选择DTTB数字电视广播信号开展了民航飞机目标探测实验，采用极化和空域滤波方法解决了由于实验系统布站带来的强直达波抑制问题;结合DTTB数字电视广播信号特点给出了分块处理方法中块长度合理选择区间;通过实验数据分析了不同极化通道杂波对消性能，结果表明该无源雷达实验方法能够提升无源雷达探测能力。

无源雷达;杂波对消;信号处理;极化

0 引言

无源雷达又称外辐射源雷达，具有反隐身、抗干扰等天然优势［1］。近20年来，利用广播电视、通讯基站、导航和通信卫星、无线局域网络等机会照射源的无源雷达逐渐受到人们重视并成为新型探测技术的研究重点［2］，国内外已成功研制了多种试验系统，获得了大量实测数据，无源相关定位雷达的基础理论［3］与关键技术取得了突破性进展［4］。近年来，以数字调幅广播DRB、数字音频广播DAB、数字电视广播DVB-T等为代表的数字广播在全球逐步普及，数字广播信号具有信号覆盖范围广、作用距离远、信号样式透明、易获取和易处理等优势，因此基于数字广播信号的无源雷达引起国内外学者的广泛关注［5］。北京理工大学单涛分析了 DVB-T信号的模糊函数特性［6］;武汉大学万显荣团队相继开展了基于DRM数字调幅广播［7］和数字地面多媒体广播［8］的外辐射源雷达目标探测实验。

数字 电 视 底 面 广 播［9］(DigitalTelevision Terrestrial Broadcasting，DTTB)是我国具有自主知识产权的广播信号，具有覆盖面积广、带宽大等特点，采用DTTB信号作为辐射源可以获得较远的探测距离和较高距离分辨率，因此基于DTTB信号的无源雷达是外辐射源雷达研究的一个重要方向［10］。外辐射源雷达的一项关键技术就是直达波和多径抑制［11］，吴海洲等采用空域滤波方法抑制直达波［12］，李国君等采用最小二乘法抑制直达波［13］，方亮等采用梯度自适应格型滤波方法抑制多径［14］，上述方法均有一定的抑制效果，但尚有潜力可以挖掘。

现在可利用的辐射信号频率覆盖范围很宽，每个频点的信号特性、信号样式不同，相应的信号处理方式不同，而接收系统可以是通用的，在获得宽频段采样数据后，通过更改后端的信号处理软件，一个宽带无源雷达系统就可以适应于不同的场景。为此基于开放可重构的思想，设计了一套多通道宽带无源雷达接收与处理系统，每个通道可以独立控制，通过频率选择获取相应的频段信号，后端软件处理采用CPU+GPU架构［15］，分模块实现通用无源雷达信号处理功能，具备软件重构能力，并通过DTTB信号进行了民航飞机试验。提出了采用极化和空域滤波方法解决强直达波抑制问题，实现了双极化通道目标探测功能，可有效提升无源雷达的直达波和多径抑制、以及目标探测能力。

1 接收与处理系统

本文试验系统设计6个接收通道，其中5个接收天线构成接收阵列，另外一个通道作为参考通道，利用调频广播和电视信号对空中目标进行探测，以支持相关研究。为了试验时安装和验证方便，阵列形式采用均匀线阵，并且阵元间距可灵活调整。采用均匀线阵有一系列优点，如存在快速测量算法、结构紧凑和测量精确等;但是存在栅瓣是其重大缺点，特别是对于无源接收而言，无法解模糊。因此天线应该采用方向性天线，并且方位上的主瓣宽度大致等同于阵列的视场，以保证阵列主瓣覆盖整个视场，此时栅瓣的影响可不考虑，具体参数主要取决于视场大小和辐射源信号频率等。接收通道原理图如图1所示。

图1 接收通道原理

前端包括STC和AGC控制，第1级带通滤波器中心频率 2．34 GHz，上下截止频率为 2．2 GHz和2．52 GHz，带外抑制70 dB;第2级带通滤波器中频频率70 MHz，上下截止频率为50 MHz和90 MHz，带外抑制70 dB。工作带宽达到1 GHz，接收机中心频率可以任意设置，瞬时带宽为10 MHz，覆盖了现在大多可用的信号。

为了实现波束形成以提取有效直达波和在目标探测时抑制直达波，首先需要进行通道自校正，消除接收通道的不一致性、阵元位置测量误差等产生的随机相位。对于本系统，由于外辐射源一直存在和参考通道的使用，通道校正方式采用直达波注入式校正方法，即用功分器将参考通道接收到的直达波信号分成几个相位相同、功率一样的信号注入到阵列接收通道中，根据输出信号估计通道误差进行补偿。因此，在射频接收端应该有射频开关以切换接收通道和校准通道。

信号处理模块采用服务器CPU+GPU的异构协作、并行处理架，充分利用 GPU卡的高速并行计算能力，实现外辐射源雷达信号处理的实时性。在现有条件下，如果通过DSP或FPGA实现复杂算法，需要多片级联并行处理，这种方式设计的信号处理器程序系统、能力和功能的紧耦合，不仅设计和实现复杂，而且不具有标准化和开放性，如果改变信号处理算法，整个系统需要对软件和硬件同时重构，因此这种系统的重用性和重构性很差，大大降低了系统设计的效率。通过CPU和GPU协同处理的机制构建信号处理器，由于GPU自身的高性能，整个信号处理系统只需要单张GPU卡即可实现，所有信号处理算法都通过标准的C语言编程设计，系统功能的重构只需要对软件进行重构，使整个系统具有可重用性和开放性。

在应用场景确定后，首先应该对发射塔的广播电视信号进行侦察，根据可使用的辐射源信号参数确定系统的工作频率;其次，根据场景的几何结构设计阵列几何结构和波束形成算法;系统参数设定后才能进行实际的数据处理过程。实际的数据处理基本过程如图2所示。

在处理过程中，设定频点后，每次处理前均应进行参考信号提纯和通道校正后方能做目标检测等工作。

图2 系统工作和信号处理流程

2 探测实验与结果分析

相比调频广播和GSM等信号，DTTB信号发射功率大、带宽大，采用DTTB信号作为辐射源的外辐射源探测系统，具有探测距离远、距离分辨率高的优点，已被国内几大研究机构广泛研究。本文配置多种频段的天线，首先通过频谱仪接收周围信号分析，找到对应的DTTB信号频率，测得信号频谱如图3所示，信号带宽7．56 MHz，中心频率为682 MHz，以此设为接收机的中心频率，采用ADS－B辅助实验，获取当前经过探测区域的民航飞机位置信息，并与接收机处理结果进行对比，以验证系统的正确性。

图3 实测的DTTB信号频谱

2．1 强直达波抑制

试验时由于接收机位置距离电视塔距离约5 km，直达波很强，参考通道很容易就处于饱和状态，由于DTTB信号发射天线采用水平极化发射，分别采用水平极化和垂直极化天线接收直达波信号，发现垂直接收时，直达波信号弱10 dB，为了提高弱信号接收能力，需要将接收机增益调到最大，而参考通道就越容易饱和，因此针对参考通道采用加衰减器和垂直极化天线接收的方式获得合理的参考信号。直达波抑制算法采用快速LMS方法，参数设置为:迭代因子0．2，对消长度为512。

2．2 分块长度选择

文献［15］借鉴脉冲多普勒处理的思路提出了在外辐射源雷达信号处理中采用分块批处理的算法结构，即将一段长时间的连续波信号分成若干段短时间观测信号，把每一段信号看作一个脉冲(即将一维信号进行分时处理，划分为快时间和慢时间)，然后进行脉冲多普勒处理。分块批处理算法的结构流程如图4所示，需要将参考信号和监视信号同时分块，分块之后是 2步常规处理操作:互相关和FFT。

图4 分块批处理算法结构

分块长度是分块批处理算法的核心参数，它受到系统最大不模糊速度、雷达最大探测距离以及辐射源信号结构等因素的约束，分块长度取值不当会导致目标丢失或者带来虚假目标。经分析推导可以最终在确定基线长度、最大探测距离和最大不模糊速度的情况下，DTTB辐射源雷达采用分块批处理算法时，分块长度需满足以下条件:

式中，T为DTTB信号帧周期;fs为采样频率;lseg为参考信号分块长度;Lseg为监视信号分块长度;λ为波长;vmax为最大关心速度和;Rmax为最大关心距离和;c为光速。

不同分块长度对应的距离－多普勒图如图5所示，实测DTTB信号帧工作在PN420模式，基带信号的复采样率为10 Mbps/s，相干积累时间为 0．5 s，图5(a)和图 5(b)的分块长度分别为 4 000和6 000，图5(a)中除了能量最强的真实目标外，在出现了周期性多普勒模糊带(多普勒模糊在同一距离门上)，会形成虚假目标，而图5(b)中仅能观测到真实目标，因此选择合适的块长度可以有效抑制虚假目标的产生，对目标检测更有利。

图5 不同分块长度对应的距离－多普勒图

2．3 双极化接收通道对消性能分析

2个接收通道分别接水平和垂直极化天线，对准同一个方向接收信号，即对应HV和HH通道，然后分别与参考通道进行直达波对消处理，对消方法同上，对消增益分别为26．7 dB和26．3 dB，对消后的监视通道剩余信号分别如图6(a)和图6(b)所示。

图6 不同极化通道对消结果

由对消结果可以看出，虽然2个通道的对消增益相近，但是HV通道剩余信号起伏更大，势必影响后续的目标检测，原因在于接收天线方向的环境特性受极化影响较大，因此差异较大。

3 结束语

利用研制的宽带多通道无源雷达接收与处理系统开展了基于数字电视广播信号的无源雷达民航飞机探测试验，验证了系统基本能力。结合实际布站位置，采用极化和空域滤波方法解决了由于实验系统布站带来的强直达波抑制问题。初步开展了双极化接收通道杂波抑制试验，发现2个通道的对消性能差异较大，原因在于环境的极化特性差异较大。后续将开展杂波双基地极化统计特性测量与建模研究，以及双极化通道联合目标探测研究。

［1］ 宋 杰，何 友，蔡复青，等．基于非合作雷达辐射源的无源雷达技术综述［J］．系统工程与电子技术，2009，31 (9):2 151－2 156．

［2］ 万显荣．基于低频段数字广播电视信号的外辐射源雷达发展现状与趋势［J］．雷达学报，2012，1(2): 109－123．

［3］ COLONE F，LOMBARDO P．Polarimetric Passive Coherent Location［J］．IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems，2015，5(2):1 079－1 097．

［4］ 杨光平．外辐射源雷达关键技术研究［J］．现代雷达，2008，30(8):5－9．

［5］ JONAS M C．DVB-T Based Passive BistaticRadar［D］．Norwegian Defence Research Establishment，FFI－rapport，2010．

［6］ SHAN T，LIU S H，ZHANG Y D，et al．Efficient Architecture and Hardware Implementation of Coherent Integration Processor for DVB-based Passive Bistatic Radar［J］．IET Radar Sonar＆Navigation，2015，9(7):1－10．

［7］ 万显荣，赵志欣，柯亨玉，等．基于DRM数字调幅广播的高频外辐射源雷达实验研究［J］．雷达学报，2012，1(1):11－18．

［8］ 唐 慧，万显荣，陈 伟，等．数字地面多媒体广播外辐射源雷达目标探测实验研究［J］．电子与信息学报，2013，35(3):575－580．

［9］ GB(Chinese National Standard)20600－2006:Framing Structure，Channel Coding and Modulation for Digital Television Terrestrial Broadcasting System．SAC(Standardization Administration of the People’s Republic of China) ［S］，2006．［10］GAO Z W，TAO R，WANG Y．Analysis and Side Peaks Identification of Chinese DTTB Signal Ambiguity Functions for Passive Radar［J］．Sci China Ser F-InfSci，2009，52 (4):1 409－1 417．

［11］朱家兵，陶 亮，许得刚，等．基于非合作照射源的无源雷达直达波抑制技术［J］．雷达与对抗，2006(1):4－8．

［12］吴海洲，陶 然，单 涛．基于DTTB照射源的无源雷达直达波干扰抑制［J］．电子与信息学报，2009，31 (9):2 033－2 038．

［13］方 亮，万显荣，易建新，等．基于梯度自适应格型滤波的外辐射源雷达多径杂波抑制算法［J］．系统工程与电子技术，2013，35(11):2 291－2 295．

［14］李国君，唐小明，张财生．无源双基地雷达系统直达波抑制算法［J］．火力与指挥控制，2012，37(1):32－35．

［15］LI X B，GUAN X，ZHONG L H，et al．Real-Time Implementation of Signal Processing for Passive Radars Based on GPU［J］．Journal of System Engineering and Electronics，2014(36):2 193－2 198．

［16］CHETTY K，TAN B，WOODBRIDGE K．Data Processing for Real-time Wireless Passive Radar［C］∥Radar Conference，IEEE，2014:455－459．

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

刘茂君，郑光勇，艾小锋．基于数字电视广播信号的无源雷达实验研究［J］．无线电工程，2017，47(2):65－68，73．

2016-11-08

国家自然基金资助项目(61401491)。

刘茂君女，(1982—)，硕士，助教。主要研究方向:信号与信息处理。

郑光勇男，(1979—)，硕士，副研究员。主要研究方向:信号与信息处理。