宽带外辐射源雷达系统设计与原理实验

(1.武汉大学电子信息学院， 湖北武汉 430072； 2.同方电子科技有限公司， 江西九江 332007)

0 引言

外辐射源雷达是利用第三方发射的电磁信号探测跟踪目标的双/多基地雷达系统[1-2]，具有绿色环保、隐蔽性强、易于部署和组网等优点。现阶段外辐射源雷达可利用的第三方照射源主要包括FM广播、数字音频广播DAB、数字视频广播(DVB-T，CMMB，DTMB)、全球定位系统信号GPS、WiFi信号、第四代移动通信LTE等，涵盖HF、VHF和UHF等多个频段。目前比较成熟的外辐射源雷达系统多是针对单个频段定制的实验系统，利用单一频率照射源进行目标探测，系统探测范围受收发站几何位置约束，可用信号功率有限，存在探测盲区。如何优化雷达覆盖范围，提高目标检测性能，是当今外辐射源雷达领域的研究热点。

利用多个不同频率的信号进行外辐射源雷达目标探测，可以提高探测性能，国内外就此方向已有诸多研究。文献[3]利用多个GSM发射站信号以提高外辐射源雷达目标定位精度。文献[4]讨论了一种多频WiFi外辐射源雷达信号带宽合成方法，仿真证实该方法可以改善输出信噪比和提高距离分辨率。文献[5-7]研究多调频广播外辐射源雷达相位补偿方法，通过理论分析和外场实验论证多调频广播可以提高目标检测概率。文献[8-10]通过实验验证多个频率的DVB-T信号相比单个频率能显著增强目标检测性能。文献[11-12]指出可以利用同一个发射站的不同频率信号提高外辐射源雷达SAR/ISAR成像分辨率。文献[13-14]介绍了一种多基地多频段远程外辐射源雷达系统，该系统可同时利用FM广播、数字音频广播DAB(VHF)和数字视频广播DVB-T(UHF)三个频段多个不同频率信号进行目标探测，实验结果表明该系统能够较好地捕获和跟踪机动地面目标、战斗机以及慢速小型飞机。

本文基于外辐射源雷达多频探测需求，研究和设计了一款小型化宽带外辐射源雷达系统，介绍了该系统的总体架构以及关键模块的设计，给出了系统的主要性能参数。最后重点介绍了利用本系统开展双频DTMB信号目标探测实验的情况，主要包括实验场景、信号处理流程以及初步实验结果等。

1 系统设计与实现

外辐射源雷达系统至少要包含2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直达波信号。本文设计的双通道外辐射源雷达系统由天线、接收机和上位机组成。其中接收机主要包括高集成度AD9371射频芯片、可编程逻辑器件FPGA和万兆以太网传输接口等核心模块。系统总体结构如图1所示。下面详细介绍各模块的设计方案。

图1 系统总体结构

为满足多频探测需求，本文所设计宽带外辐射源雷达系统应满足以下要求：1)工作频率范围广，尽可能覆盖绝大部分外辐射源第三方照射源频段，充分兼顾不同频段照射源在距离覆盖、分辨率性能和地域上的独特优势，实现多波段综合一体化[1]。2)工作带宽宽且可调，能够同时采集同一频段多个不同频率的宽带电台信号，实现外辐射源雷达多频探测，改善雷达覆盖范围、距离和方位分辨率、检测信噪比等性能。基于以上两点要求，本文选用ADI公司的AD9371射频芯片完成信号的采集，该芯片可工作在300 MHz～6 GHz宽频率范围，支持高达100 MHz接收带宽。芯片采用零中频接收机架构，内部具有两个完全相同的接收通道，可完成射频信号的放大、混频、采样、滤波和数字下变频等过程。芯片内部提供直流失调校正、正交误差校正功能，噪声系数低、动态范围大、镜像抑制度高、通道隔离性能良好，能够满足雷达信号处理的要求。

实际工作中雷达接收远距离目标回波强度很弱，由于AD9371芯片内部最大增益只有约17 dB，远远达不到要求，本系统采用Mini Circuit公司CMA-63+芯片和DVGA2-33A+芯片对前端信号进行两级放大，前者可提供20 dB固定增益，后者提供约30 dB范围可调增益。灵活的增益控制使系统能够适用于各种复杂环境。

为满足雷达高速数据传输的实时性和准确性，本系统采用FPGA作为主控芯片，完成系统配置和数据传输。综合考虑资源、性能、价格等因素，系统选用Xilinx Kintex-7系列FPGA。考虑计算复杂性，FPGA内部仅完成AD芯片配置、数据接收与组帧、缓存模块读写控制等功能，信号处理部分交由上位机完成。上位机与接收机之间通过标准万兆以太网接口实现数据交互，主要包括两方面的内容：一是将上位机软件设置的参数配置信息，包括带宽、采样率、混频器中心频率、增益等传送至接收机；二是将采集到的宽带高速数据传输至上位机。万兆以太网接口不仅能够满足传输速率的要求，并且可以实现远距离传输，结构简单，具有良好的通用性。

AD9371采用高速串行JESD204B接口实现基带数据传输，该接口需设计时钟同步电路以实现发送端(AD9371)和接收端(FPGA)数据同步。系统的时钟同步方案设计如图2所示，其中晶振芯片CVHD-950作为系统参考源时钟，时钟分配芯片选型为AD9528，该芯片内部集成JESD204B SYSREF发生器，具有多路低抖动、低相噪、高性能时钟输出，可实现完全灵活的时序对齐。

图2 时钟同步方案

系统整体工作流程如下：从天线接收的两路信号可直接通过电缆进入接收机，经低噪放后进入AD9371射频芯片，AD9371芯片将射频模拟信号转变为基带数字信号，再经高速串行JESD204B接口传输至FPGA，FPGA接收数据并按照万兆以太网帧格式将数据传送至上位机，最后在上位机中对数据进行处理实现目标检测和跟踪。表1给出了系统的主要性能参数。

表1 系统基本技术参数

2 外场实验

2.1 实验场景

数字电视地面广播(Digital Television Terrestrial Multimedia Broadcasting，DTMB)是我国提出的具有自主知识产权的数字地面电视广播标准，采用正交频分复用调制技术，抗多径能力强，信号带宽大，距离分辨率高。目前DTMB信号已覆盖全国300多个城市，为开展DTMB外辐射源雷达探测研究提供了良好的条件。国内多家研究机构已就DTMB信号模糊函数分析[15]、参考信号重构[16-18]、杂波抑制[19-21]等方面进行了详细理论分析，众多合作/非合作目标探测实验结果证明了DTMB信号作为外辐射源雷达机会照射源的可行性[22-24]。据调研，利用多频DTMB信号进行外辐射源雷达目标探测研究尚少见报道。

为验证本文所设计宽带外辐射源雷达系统的性能，开展了双频DTMB信号目标探测外场实验。实验站位场景图如图3所示，其中接收站位于四川省广汉机场附近，两个DTMB信号发射站分别位于广汉市和成都市，信号中心频率分别为634 MHz和626 MHz，带宽均为8 MHz。本次实验采用两副八木天线分别指向两个发射站，经功率合成器合为一路后送入接收机参考通道，监测通道采用单副八木天线指向目标所在区域。实验过程中还同时存储了民航飞机所发射的广播式自动相关监视(Automatic Dependent Surveyllance-Broadcast，ADS-B)信号，视作非合作目标的真实状态信息，可与雷达处理结果进行比对和验证。系统参数设置如表2所示。

图3 实验场景图

参数参数值中心频率630MHz带宽16MHz采样率25MHz数据率200MB/s

2.2 信号处理流程

本次实验同时接收两个发射站不同频率的DTMB信号，信号处理过程如下：首先将两个发射站的信号通过滤波器分离出来，然后对每个频率单独进行分析与处理，最后将两个频率的结果进行比较和综合。单个频率的信号处理流程与传统外辐射源雷达信号典型处理流程相同，如图4所示，其中参考通道不可避免会混入多径杂波和噪声，需对直达波进行提纯以获得纯净的参考信号。针对数字广播电视信号易于编解码等特点，本文采用的是基于重构技术的参考信号获取方法。监测通道除了弱目标回波信号之外，还会引入较强的直达波以及多径杂波(统称杂波干扰)，需要对杂波干扰进行抑制以防止目标回波信号被掩盖。杂波干扰抑制方法有很多种，大致可分为两类，时域方法和空域方法，本文采用的是一种时域杂波对消方法[25-26]。提纯后的参考信号与杂波干扰抑制后的监测信号进行互模糊处理得到距离多普勒谱，在距离-多普勒二维平面上进行恒虚警检测(CFAR)得到目标点迹信息，将连续多场数据的点迹信息进行整合得到完整航迹，最后与ADS-B记录的航迹信息进行比对。

图4 信号处理流程

2.3 实验结果

接收信号频谱如图5所示，从频谱上可以清晰看到2个频率的DTMB信号，广汉发射站距离接收站位置较近，接收信号功率大于成都发射站。图6(a)、(b)、(c)、(d)分别是626 MHz、634 MHz双基距离和双基速度比对结果，与ADS-B记录信息吻合的有目标5、10、12、13、21，其中目标5只有在626 MHz比对结果中被检测到。图7展示了收发站相对位置以及ADS-B记录的上述5个目标真实飞行航迹，航迹末端用箭头指示。观察并比较同一目标在两个频率的点迹比对结果和该目标在不同时段的实际航行位置，可以发现：

图5 信号频谱图

(a) 626 MHz双基距离比对结果

(b) 626 MHz双基速度比对结果

(c) 634 MHz双基距离比对结果

(d) 634 MHz双基速度比对结果图6 双频探测实验比对结果

图7 目标实际航迹

1) 在方向1上，即目标5第120～170 s时段、目标10第60～120 s时段，626 MHz检测点迹连续，634 MHz未检测到有效点迹。目标5在120 s之前、目标10在60 s之前飞行位置处于天线波束范围之外，未被检测到。

2) 在方向2上，即目标10第130～170 s时段、目标13第15～80 s时段，634 MHz检测结果明显优于626 MHz检测结果。目标10第120～130 s时段以及目标13在前15 s处于转弯时期，双基速度变化大，检测点迹较少。

3) 在方向3上，即目标13第100～170 s时段、目标12第0～50 s时段、目标21第120～170 s时段，两个频率检测结果均较连续。目标12在50 s之后、目标21在100 s之前均处于天线波束范围外，未被检测到。

对本次实验其他多组数据进行处理，所得结果与上述分析一致。从实验结果可以看出，两个频率信号在不同方向上的目标检测结果存在较大差异，其可能原因有：1)目标飞行轨迹、姿态、信号相对入射和散射方向等原因导致目标散射截面RCS不同；2)接收信号功率、天线方向图、杂波环境等因素综合导致目标信噪比不同。

从比对结果来看，两个频率均可以良好地检测到目标，为了定量描述两个频率目标探测的性能，对上述目标多个检测时刻的样本进行统计分析，得到如表3所示的统计结果。从表中可知：同一目标在不同频率信号中的目标检测点数有所差异，并且具有良好的互补性，将两个频率结果融合后，检测点数显著增多，即多频探测可以弥补单频在某些时刻上的检测损失，使检测结果更连续。

表3 目标检测统计结果

实验结果表明，相比于单个频率，多频探测方案可以显著提高目标的检测能力，提升外辐射源雷达探测的稳健性。

3 结束语

本文研究和设计了一种高集成度、低成本、小型化宽带外辐射源雷达接收系统，为验证系统性能开展了双频DTMB信号目标探测原理实验，实验结果初步论证了外辐射源雷达多频探测的优势，即能够扩大雷达探测覆盖范围，提高目标检测能力，这为外辐射源雷达在空域监视等领域推广使用提供了一定的参考价值。后续围绕本系统开展了多频外辐射源雷达SAR/ISAR成像研究实验，相关工作将进一步拓展外辐射源雷达多频探测的优势。