移動(dòng)平臺(tái)外輻射源雷達(dá)實(shí)驗(yàn)研究

萬顯榮 梁 龍 但陽鵬 饒?jiān)迫A

移動(dòng)平臺(tái)外輻射源雷達(dá)實(shí)驗(yàn)研究

萬顯榮 梁 龍 但陽鵬 饒?jiān)迫A

（武漢大學(xué)電子信息學(xué)院，湖北武漢430072）

利用新近研制的超高頻頻段多通道外輻射源雷達(dá)系統(tǒng)，在國內(nèi)率先開展基于數(shù)字電視信號(hào)的移動(dòng)平臺(tái)外輻射源雷達(dá)實(shí)驗(yàn)研究.首先建立了單頻網(wǎng)結(jié)構(gòu)下移動(dòng)平臺(tái)接收信號(hào)模型.接著詳細(xì)論述了利用擴(kuò)展相消批處理算法與空時(shí)自適應(yīng)處理聯(lián)合抑制直達(dá)波和地雜波的方法.最后重點(diǎn)介紹了實(shí)驗(yàn)開展情況，包括系統(tǒng)配置、典型結(jié)果與分析.仿真和實(shí)測數(shù)據(jù)的處理結(jié)果證明了模型的正確性和所用方法抑制雜波的優(yōu)越性，為該探測技術(shù)的發(fā)展提供了理論和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ).

外輻射源雷達(dá)；數(shù)字電視；空時(shí)自適應(yīng)信號(hào)處理；雜波抑制

萬顯榮，梁 龍，但陽鵬，等.移動(dòng)平臺(tái)外輻射源雷達(dá)實(shí)驗(yàn)研究［J］.電波科學(xué)學(xué)報(bào)，2015，30（2）：383－390.doi：10.13443／j.cjors.2014042301

WAN xianrong，LIANG long，DAN yangpeng，et al.Experimental research of passive radar on moving platform［J］.Chinese Journal of Radio Science，2015，30（2）：383－390.（in Chinese）.doi：10.13443／j.cjors.2014042301

引 言

外輻射源雷達(dá)（又稱無源雷達(dá)）是一種利用第三方發(fā)射的電磁信號(hào)探測目標(biāo)的雙／多基地雷達(dá)系統(tǒng)，具有綠色環(huán)保、隱蔽性好、抗干擾能力強(qiáng)等諸多優(yōu)勢.目前，外輻射源雷達(dá)的研究主要集中于地基固定平臺(tái)［1－3］，而對于移動(dòng)平臺(tái)的研究尚較少.如果將無源接收系統(tǒng)安裝到移動(dòng)平臺(tái)（如飛機(jī)、氣艇等）上，還將會(huì)帶來其他方面的優(yōu)勢.比如，由于接收平臺(tái)升高，雷達(dá)作用距離不受地球曲率和地形遮擋的影響，可以彌補(bǔ)地基雷達(dá)存在的低空盲區(qū)［4］.另外由于平臺(tái)可移動(dòng)，系統(tǒng)的機(jī)動(dòng)性將會(huì)大大提高.因此，基于移動(dòng)平臺(tái)的外輻射源雷達(dá)作為一種新穎的目標(biāo)探測手段成為當(dāng)今外輻射源雷達(dá)研究的重要熱點(diǎn)之一、圖1為機(jī)載外輻射源雷達(dá)探測場景示意圖.

圖1 機(jī)載外輻射源雷達(dá)探測場景示意圖

目前國內(nèi)外關(guān)于移動(dòng)平臺(tái)外輻射源雷達(dá)的研究才剛剛起步，總體處于理論研究和初期原理實(shí)驗(yàn)階段.文獻(xiàn)［5］提出利用調(diào)頻（Frequency Modulation，F(xiàn)M）廣播信號(hào)的機(jī)載預(yù)警雷達(dá)概念，重點(diǎn)分析了信雜比對其探測性能的影響.文獻(xiàn)［6］介紹了基于FM廣播信號(hào)的車／機(jī)載外輻射源雷達(dá)概念，以及采用2×3天線陣列開展外場實(shí)驗(yàn)的情況.文獻(xiàn)［7］同樣利用FM信號(hào)開展實(shí)驗(yàn)，采用雙通道（參考通道和監(jiān)測通道）接收系統(tǒng)，空域自由度相對有限.文獻(xiàn)［8］利用數(shù)字地面廣播電視（Digital Video Broadcasting－Terrestrial，DVB－T）信號(hào)開展車載雷達(dá)實(shí)驗(yàn)，其系統(tǒng)將信號(hào)發(fā)射機(jī)與4通道接收機(jī)置于同一移動(dòng)平臺(tái)，實(shí)驗(yàn)配置實(shí)質(zhì)上屬于單基地雷達(dá)體制，其特性有別于收發(fā)分離的外輻射源雙基地雷達(dá)體制.

基于我國數(shù)字廣播電視信號(hào)覆蓋現(xiàn)狀，本文介紹了利用中國移動(dòng)多媒體廣播信號(hào)（China Mobile Multimedia Broadcasting，CMMB）作為照射源進(jìn)行移動(dòng)平臺(tái)外輻射源雷達(dá)外場實(shí)驗(yàn)的結(jié)果.首先在文獻(xiàn)［9］建立的雜波模型基礎(chǔ)上研究了雜波抑制方法.接著介紹了利用多通道超高頻（Ultra High Frequency，UHF）頻段外輻射源雷達(dá)系統(tǒng)開展的移動(dòng)平臺(tái)外場實(shí)驗(yàn)情況.最后對實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析.

1 信號(hào)模型

關(guān)于機(jī)載外輻射源雷達(dá)幾何模型及雜波特性的研究已在文獻(xiàn)［9］中詳細(xì)說明，新的信號(hào)模型在原雜波模型基礎(chǔ)上注入一個(gè)目標(biāo)信號(hào).外輻射源雷達(dá)采用被動(dòng)相關(guān)定位體制（Passive Coherent Location，PCL），通過直達(dá)波信號(hào)（參考信號(hào)）和目標(biāo)散射信號(hào)（監(jiān)測信號(hào)）的匹配處理實(shí)現(xiàn)目標(biāo)檢測.基于中國數(shù)字電視信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)生成CMMB信號(hào)，分別模擬了參考信號(hào)和監(jiān)測信號(hào).其中監(jiān)測信號(hào)由直達(dá)波、地雜波、目標(biāo)和噪聲構(gòu)成，表示如下：

式中（1）～（6）中：ssurv（n）為第n個(gè)接收陣列信號(hào)的采樣；sref（n）為第n個(gè)參考信號(hào)的采樣；Q為單頻網(wǎng)下基站個(gè)數(shù)；Nt表示目標(biāo)個(gè)數(shù)，nt＝1，2，…，Nt；wdq、fdq分別表示不同基站直達(dá)波幅度和多普勒偏；wpk，m，q、fpk，m，q分別表示第q個(gè)基站照射下第k個(gè)距離環(huán)，第m個(gè)雜波塊的幅度和多普勒偏移；wnt，q、τnt，q、fnt，q分別表示第q個(gè)基站照射下第nt個(gè)目標(biāo)的幅度、延遲、多普勒頻率；a（ψdq）、a（ψpq）、a（ψnt，q）分別表示不同基站直達(dá)波、雜波塊、目標(biāo)的空間導(dǎo)向矢量；τdq為不同基站直達(dá)波相對基站1直達(dá)波的到達(dá)延遲；Tsam為系統(tǒng)采樣周期；Na為陣元個(gè)數(shù)；d為陣元間距；v（n）為監(jiān)測通道熱噪聲；sdq（n）為第1通道接收直達(dá)波信號(hào)；spq（n）為第1通道接收地雜波信號(hào)；xq（n）為接收雜波陣列信號(hào)的采樣；xnt，q（n）為接收目標(biāo)陣列信號(hào)的采樣；式（6）為陣列導(dǎo)向矢量表達(dá)式；［·］T表示矩陣或向量的轉(zhuǎn)置運(yùn)算.

2 雜波抑制方法

2.1算法描述

空時(shí)自適應(yīng)處理算法（Space－Time Adaptive Processing，STAP）是機(jī)載雷達(dá)雜波抑制的基本算法，其對具有空時(shí)耦合特性雜波的抑制性能已得到充分驗(yàn)證［10－11］.但是在移動(dòng)平臺(tái)外輻射源雷達(dá)中因發(fā)射信號(hào)為連續(xù)波信號(hào)，除了受到空時(shí)耦合地（海）雜波影響外，還會(huì)受到強(qiáng)直達(dá)波干擾的影響.由于直達(dá)波的存在，參考信號(hào)和監(jiān)測信號(hào)相關(guān)處理后的基底嚴(yán)重抬高，將嚴(yán)重降低STAP的雜波抑制性能.針對這個(gè)問題，采用兩個(gè)步驟進(jìn)行雜波抑制：1）利用擴(kuò)展相消批處理（Extensive CancellationAlgorithm－Batchs，ECA－B）算法濾除直達(dá)波和近距離強(qiáng)地（海）雜波；2）利用STAP方法濾除剩余空時(shí)耦合地（海）雜波.ECA－B算法本質(zhì)上屬于分塊的最小二乘算法（Least Squares，LS），是地基外輻射源雷達(dá)中常用的濾波方法［12］.基本原理描述如下：

假設(shè)將長度為L的單通道監(jiān)測信號(hào)s′surv分成b塊，第i（i＝0，1，2，…，b－1）塊監(jiān)測信號(hào)表示為

LB為每塊監(jiān)測信號(hào)的長度.將長度為L＋Mf－1（Mf為濾波階數(shù)）的參考信號(hào)分成b塊，第i塊參考信號(hào)表示為

則第i塊參考信號(hào)的構(gòu)造矩陣為

采用LS算法處理第i塊監(jiān)測信號(hào)得

［·］H表示矩陣或向量的共軛轉(zhuǎn)置運(yùn)算，則經(jīng)ECA－B算法處理的全部信號(hào)可表示為

在移動(dòng)平臺(tái)外輻射源雷達(dá)中直達(dá)波和地（海）雜波多普勒發(fā)生偏移和擴(kuò)展，要抑制非零頻處的雜波需對構(gòu)造矩陣Xi進(jìn)行擴(kuò)展，擴(kuò)展后構(gòu)造矩陣為

fg為雜波擴(kuò)展后的多普勒頻率.信號(hào)經(jīng)擴(kuò)展后的ECA－B算法處理后結(jié)果表示為

此時(shí)再利用ECA－B算法可以濾除多普勒偏移的直達(dá)波和多普勒擴(kuò)展的地（海）雜波，接著利用空時(shí)自適應(yīng)處理方法抑制剩余的空時(shí)耦合雜波.為行文方便，所用雜波抑制方法簡稱為ECAB－STAP.

2.2仿真與分析

本次仿真主要從目標(biāo)探測性能角度進(jìn)行.仿真實(shí)驗(yàn)分兩組：一組是正側(cè)視模式，一組是前視模式.接收天線為8元均勻線陣.不失一般性，假設(shè)環(huán)境中有3個(gè)發(fā)射站，有1個(gè)空中運(yùn)動(dòng)目標(biāo).且由于基站2和基站3產(chǎn)生的目標(biāo)回波較弱，因此在距離多普勒譜上只會(huì)出現(xiàn)一個(gè)目標(biāo)（由基站1照射所得），即未發(fā)生模糊現(xiàn)象.主要仿真參數(shù)如表1所示.

表1 主要仿真參數(shù)

為評估算法的性能，分別計(jì)算ECAB－STAP方法和直接利用STAP方法的改善因子YIF［13－14］，表達(dá)式為

式中：RSCN，out表示輸出信雜噪比；RSCN，in表示輸入信雜噪比.由圖2（a）可見，對于正側(cè)視模式，利用ECAB－STAP方法比直接STAP方法有平均10dB左右的性能提升，且主雜波區(qū)凹口變得更窄.由圖2（b）可見，對于前視模式，利用ECAB－STAP方法比直接STAP方法在副瓣區(qū)有大約5dB的性能改善，在主瓣區(qū)一些頻率處的性能改善達(dá)到20dB左右，且主雜波區(qū)凹口變得更窄.仿真結(jié)果表明，經(jīng)預(yù)濾波處理，直達(dá)波干擾和近距離強(qiáng)地（海）雜波被抑制掉，使得剩余雜波自由度減小，能夠充分被STAP方法抑制，進(jìn)而提升了動(dòng)目標(biāo)的檢測性能.

圖2 改善因子比較

圖3 仿真數(shù)據(jù)處理后距離譜

圖3 所示為利用ECAB－STAP方法與直接利用STAP方法對仿真數(shù)據(jù)處理后得到的距離譜.可見，兩種方法均檢測到目標(biāo)，但是利用ECAB－STAP方法得到的目標(biāo)信噪比比直接應(yīng)用STAP方法所得目標(biāo)信噪比高10～15dB.說明ECAB－STAP方法對雜波抑制性能更強(qiáng)，目標(biāo)檢測性能得到較好的提升.

3 外場實(shí)驗(yàn)

3.1實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與實(shí)驗(yàn)場景如圖4所示.接收系統(tǒng)安裝到一輛勻速行駛的貨車上，天線間距為半波長，天線陣可根據(jù)需要工作于側(cè)視陣、前視陣等不同模式.系統(tǒng)包括8通道UHF天線、模擬前端、數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)和信號(hào)處理平臺(tái)等主要組成部分.數(shù)據(jù)來源于2013年8月和11月在武漢大學(xué)和天河機(jī)場附近開展的原理性實(shí)驗(yàn).

圖4 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與實(shí)驗(yàn)場景

3.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在所采集的眾多數(shù)據(jù)中，選取2013年8月5日18時(shí)46分（工作于正側(cè)視模式）和19時(shí)23分（工作于前視模式）的兩組典型數(shù)據(jù)進(jìn)行分析.相關(guān)參數(shù)如表2所示.

為了便于性能比較分析［15］，在兩組數(shù)據(jù)的第300距離元（對應(yīng)雙基地距離9km）注入信雜噪比為－70dB的動(dòng)目標(biāo)信號(hào)，方位角為30°，第一組數(shù)據(jù)目標(biāo)多普勒為－5Hz，第二組數(shù)據(jù)目標(biāo)多普勒為4Hz，保證所注入目標(biāo)均位于主雜波區(qū).圖5展示了實(shí)測數(shù)據(jù)的處理流程.處理中預(yù)濾波階數(shù)為150階.

表2 實(shí)驗(yàn)相關(guān)參數(shù)

圖5 信號(hào)處理流程圖

圖6 和圖7給出了未經(jīng)濾波的距離多普勒譜和空時(shí)功率譜.由圖6（a）和圖7（a）可見，因平臺(tái)移動(dòng)，直達(dá)波和地雜波在多普勒維發(fā)生偏移和擴(kuò)展.由圖6（b）可見，正側(cè)視模式下雜波空時(shí)功率譜在角度多普勒平面上呈斜率為1的斜線帶狀分布，三個(gè)能量較強(qiáng)的直達(dá)波清晰可見，并且產(chǎn)生三條多普勒脊.同樣，由圖7（b）可見，前視模式下雜波空時(shí)功率譜在角度多普勒平面上呈半圓帶狀分布，且直達(dá)波與多普勒脊明顯可見.

圖6 正側(cè)視模式

圖7 前視模式

圖8和圖9給出了濾除直達(dá)波和近距離地雜波后的結(jié)果.由圖8（a）和圖9（a）可見，經(jīng)預(yù)濾波后，在前150個(gè)距離元范圍內(nèi)，整個(gè)多普勒擴(kuò)展帶內(nèi)的直達(dá)波和地雜波被濾除，遠(yuǎn)距離處的地雜波信號(hào)顯現(xiàn)，但是目標(biāo)仍然被雜波淹沒.由圖8（b）和圖9（b）可見，經(jīng)預(yù)濾波后，剩余數(shù)據(jù)的空時(shí)功率譜分別呈直線和半圓帶狀分布，強(qiáng)直達(dá)波和由其引起的多普勒脊被抑制.

圖10所示為利用ECAB－STAP方法與直接利用STAP方法對實(shí)測數(shù)據(jù)處理后得到的距離譜.由圖可見，經(jīng)雜波抑制后，兩種方法均能檢測到目標(biāo)，但是前述方法所得目標(biāo)信噪比要比后者高大約15 dB.說明ECAB－STAP方法提高了目標(biāo)檢測性能，與前述仿真分析結(jié)果一致.

圖8 正側(cè)視模式（經(jīng)雜波預(yù)處理）

圖9 前視模式（經(jīng)雜波預(yù)處理）

實(shí)測數(shù)據(jù)的處理結(jié)果進(jìn)一步從實(shí)驗(yàn)角度驗(yàn)證了利用基于移動(dòng)平臺(tái)的數(shù)字電視信號(hào)外輻射源雷達(dá)進(jìn)行目標(biāo)探測的可行性.

圖10 實(shí)測數(shù)據(jù)處理后距離譜

4 結(jié) 論

詳細(xì)介紹了武漢大學(xué)基于移動(dòng)平臺(tái)的數(shù)字電視信號(hào)外輻射源雷達(dá)實(shí)驗(yàn)結(jié)果.論述了利用ECA－B和STAP聯(lián)合進(jìn)行雜波抑制的方法，重點(diǎn)介紹了外場實(shí)驗(yàn)開展情況，實(shí)測數(shù)據(jù)處理結(jié)果與仿真結(jié)果證明了所建模型的正確性和所用雜波抑制方法的優(yōu)越性.但是ECA－B方法對近距離處目標(biāo)會(huì)同時(shí)抑制，不過對于雷達(dá)遠(yuǎn)程預(yù)警的功能來說，主要關(guān)心的是遠(yuǎn)距離目標(biāo)，近距離并非感興趣區(qū)域.后續(xù)將進(jìn)一步研究多目標(biāo)場景及STAP的降維算法，以降低計(jì)算復(fù)雜度，為目標(biāo)探測、跟蹤與實(shí)時(shí)化奠定基礎(chǔ).

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作者簡介

萬顯榮（1975－），男，湖北人，博士，教授，博士生導(dǎo)師，研究興趣包括外輻射源雷達(dá)系統(tǒng)、高頻雷達(dá)系統(tǒng)及雷達(dá)信號(hào)處理等.

梁 龍（1985－），男，山東人，在讀博士研究生，研究方向?yàn)橥廨椛湓蠢走_(dá)信號(hào)處理.

但陽鵬（1993－），男，湖北人，在讀碩士研究生，研究方向?yàn)橥廨椛湓蠢走_(dá)雜波抑制

饒?jiān)迫A（1972－），男，重慶人，博士，副教授，研究生導(dǎo)師，研究方向?yàn)樾麦w制雷達(dá)、雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、無線通信網(wǎng)等.

Experimental research of passive radar on moving platform

WAN Xianrong LIANG Long DAN Yangpeng RAO Yunhua
（School of Electronic Information，Wuhan University，Wuhan Hubei 430072，China）

The latest domestic experimental research of UHF passive radar on moving platform based on digital television signal using the newly－developed multi－channel passive radar system is conducted.Firstly，the receiving signal model in the single frequency network（SFN）is established.And then a clutter suppression method combined the improved extensive can cellation algorithmbatchs（ECA－B）and space－time adaptive processing（STAP）is discussed in details.Finally，the experimental progress is highlighted，involving system introduction，illustration and analysis of typical results.The results of simulation and measured data processing prove the validity of the model and the superiority of the clutter suppressing method，forming the theoretical and experimental basis for the further development of this detecting technology.

passive radar；digital television；STAP；clutter suppression

TN958.97

A

1005－0388（2015）02－0383－08

2014－04－23

國家自然科學(xué)基金（61331012，61371197，U1333106，61271400）；教育部博士點(diǎn)基金（20120141110077）

聯(lián)系人：萬顯榮E－mail：xrwan＠whu.edu.cn