一種數字音頻廣播外輻射源雷達目標探測系統與方法與流程

本發明屬于外輻射源雷達技術領域，涉及一種數字音頻廣播外輻射源雷達系統及信號處理方法。

背景技術：

外輻射源雷達是一種自身不發射信號、依靠第三方照射源進行目標探測跟蹤的新體制雙(多)基地雷達。典型的第三方照射源是調頻廣播，因其發射功率大、覆蓋范圍廣等優良特性，基于調頻廣播信號的外輻射源雷達一直備受學術界重視，得到了最為廣泛和深入的研究。然而由于fm信號頻譜不穩定，fm外輻射源雷達探測性能不太穩定。

自上世紀90年代以來，受不斷增長的用戶需求激勵，國外商業調頻廣播信號從模擬向數字不斷演進。比模擬廣播頻譜更為穩定、內容更加豐富的數字音頻廣播應運而生，如dab、drm/drm+、hdradio。與此同時，國外外輻射源雷達系統也從利用模擬信號逐步向利用數字信號過渡，當數字音頻廣播作為外輻射源雷達的機會照射源可行性得到驗證后，這類探測性能比fm外輻射源雷達更穩定的外輻射源雷達獲得了迅猛的發展。我國模擬音頻廣播數字化發展相對滯后，2013年10月首個cdr數字音樂廣播在深圳開播，標志著我國數字音頻廣播cdr的正式使用。對外輻射源雷達而言，亟待驗證cdr作為機會照射源可行性，為我國廣播頻段外輻射源雷達的發展奠定基礎。

cdr是我國自主研發的數字音頻廣播系統，該系統借鑒了中國移動多媒體廣播(cmmb，俗稱手機電視)等系統的經驗，并根據現有調頻廣播頻段頻譜特性，頻譜分配方式靈活，支持模數混播(與fm模擬廣播同臺、同頻)和純數字播放模式，支持多種子帶分配方式，傳輸容量更高且頻譜穩定，可應用于單頻網和多頻網工作模式。當被用于機會照射源時，將給外輻射源雷達帶來諸多新的機遇和挑戰。

技術實現要素：

本發明提出了一種數字音頻廣播外輻射源雷達目標探測系統與方法，驗證了中國數字音頻廣播信號作為機會照射源的可行性，為新照射源下的運動目標探測分析提供了一種高性能、魯棒性好的解決方案。

本發明的系統所采用的技術方案是：一種數字音頻廣播外輻射源雷達目標探測系統，其特征在于：包括信號接收單元、信號處理單元和終端顯示單元；

所述信號接收單元包括順序連接的天線模塊、模擬接收機和數字接收機，用于接收并采集工作于模數混播模式或純數字模式下的調頻頻段數字音頻廣播cdr信號；

使用調頻頻段數字音頻廣播cdr信號作為機會照射源，該信號為中國自主研發的數字化調頻頻段廣播信號，支持模數混播或純數字兩種工作模式。

天線模塊包括參考天線和監測天線，參考天線指向cdr發射站，監測天線指向觀測方向；經天線模塊接收的信號送至模擬接收機，進行限幅、放大、混頻、濾波處理后變換至特定中頻信號，送至數字接收機進行ad采樣、數字下變頻處理，獲得模數混播模式或純數字模式下的基帶信號。

所述信號處理單元包括模數分離模塊、cdr處理模塊、fm處理模塊和模數融合模塊，用于實現模數混播模式或純數字模式下的目標檢測和融合；

信號處理單元，能同時利用同頻同臺工作的cdr信號和fm信號探測目標，用于實現模數混播模式或純數字模式下的目標檢測和融合過程，包括模數分離模塊、cdr處理模塊、fm處理模塊和數據融合模塊，其中cdr處理模塊包括參考信號提純子模塊、雜波抑制子模塊、數字邊帶頻譜合成子模塊、匹配濾波子模塊、目標檢測子模塊和目標距離精估計子模塊；

所述終端顯示單元即雷達顯示界面，用于顯示同步峰值、參考信號重構質量、雜波抑制效果、目標信息融合結果。

本發明的方法所采用的技術方案是：一種外輻射源雷達目標探測方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟1：系統參數初始化，包括信號處理參數、檢測參數和跟蹤參數；初始化信號接收單元各參數，包括模擬接收機和數字接收機各項參數；初始化數據傳輸協議；

步驟2：天線模塊接收的信號送至模擬接收機，進行限幅、放大、混頻、濾波處理后變換至特定中頻信號，送至數字接收機進行ad采樣、數字下變頻處理，獲得模數混播模式或純數字模式下的基帶信號；最終送至上位機存儲至硬盤；

步驟3：信號處理單元首先分離出數字基帶信號中的cdr和fm信號并分別處理，獲得兩種信號中的目標信息后予以合成；

具體實現包括以下子步驟：

步驟3.1：從頻譜儀中可得cdr頻譜模式，可確定cdr工作于模數混播模式還是純數字模式，進一步構造合適濾波器用于模數分離；

模數分離模塊根據cdr頻譜確定cdr的工作頻譜模式，若為模數混播模式，使用高通濾波器可快速有效的分離出位于模擬調頻廣播信號兩側、頻譜穩定的cdr信號；若為純數字模式，則不需模數分離，后續也不必處理fm信號。

步驟3.2：fm信號采用fm處理模塊處理后，獲得目標信息(包括距離、速度等)；

步驟3.3：cdr信號經過cdr處理模塊處理后，獲得目標信息(包括距離、速度等)；

步驟3.3.1：對參考信號提純，獲得有導頻均衡的參考信號和無導頻均衡的參考信號；

參考信號提純子模塊，用于確定cdr傳輸模式、頻譜模式、子幀分配方式等參數，并提純參考信號，生成有導頻均衡和無導頻均衡的參考信號，主要包括以下步驟：

(1)對物理層cdr信號同步，確定物理層信號幀的起點和小數倍頻偏、整數倍頻偏；

當傳輸模式未知時，借助數據輔助法確定傳輸模式，即分別用本地產生的傳輸模式1、傳輸模式2、傳輸模式3的同步信號與參考通道cdr信號相關，根據相關峰的個數確定傳輸模式并保存以待下次同步；

當傳輸模式已知后，由于cdr的同步信號結構與中國移動數字電視廣播cmmb的同步信號結構類似，可采用cmmb的同步方法來對cdr信號同步，即依次對參考信號中信標的兩個同步信號進行粗同步、小數倍頻偏估計、整數倍頻偏估計操作，再利用本地同步信號和信標進行精同步操作；

(2)根據cdr頻譜可確定頻譜模式及包含的上半子帶或下半子帶個數，然后構造一個物理層子幀對應的子載波矩陣，補償頻偏后，利用本地離散導頻對子載波矩陣作信道估計，提取出系統信息并予以解調，獲得子幀分配方式、當前物理層信號幀的位置和當前子幀位置等信息；

(3)根據子幀分配方式，將積累時間內的物理層信號幀還原為邏輯層信號幀，對邏輯層信號幀解ofdm調制后，構造1個邏輯幀對應的子載波矩陣，對其信道估計、解交織后提取出1個邏輯幀內的三種元素(業務數據、業務描述信息、系統信息)，分別對三種元素解星座映射；

(4)若cdr信噪比小于或等于重構門限，三種元素的星座圖發散，需經過符號流重構來提純參考信號，即對解星座映射后的三種元素解前向糾錯碼，獲得比特流后按照調制步驟進行再編碼、星座映射、交織、星座映射、ofdm調制、子幀分配就可獲得純凈的參考信號。星座映射時，導頻均衡和無導頻均衡分別對應不同的離散導頻功率歸一化因子，再調制后分別生成有導頻均衡的參考信號、無導頻均衡的參考信號；

(5)若cdr信噪比大于重構門限，三種元素的星座圖集中，類似于星座圖的硬解碼，可采用非符號流重構來提純參考信號，即對解星座映射后的三種元素直接進行星座映射、ofdm調制、子幀分配就可獲得純凈的參考信號，能在一定程度上減少信號處理流程。和步驟(4)一樣，也生成有導頻均衡的參考信號、無導頻均衡的參考信號。

步驟3.3.2：將無導頻均衡的參考信號與監測信號輸入至雜波抑制子模塊，根據信道質量，選取合適的參數，包括抑制距離元個數和多普勒頻率擴展范圍，抑制監測信號中的強雜波和多徑雜波；

雜波抑制子模塊，針對外輻射源雷達回波中強直達波可能淹沒弱目標的特點，利用提純的無導頻均衡的參考信號在多普勒維、距離維上的擴展，抑制監測信號中的直達波和多徑雜波；

步驟3.3.3：將有導頻均衡的參考信號和雜波抑制后的參考信號輸入至數字邊帶合成子模塊，根據頻譜模式確定邊帶的個數和各個邊帶的標稱頻譜，進一步合成參考信號和監測信號中的所有數字邊帶；

數字邊帶頻譜合成子模塊，針對模數混播模式下彼此隔開的數字邊帶導致外輻射源雷達距離分辨率較低的特點，數字邊帶頻譜合成模塊將數字邊帶合成，包括以下步驟：

(1)時域補償參考通道和監測通道上、下半子帶的標稱頻率，即將上半子帶和下半子帶頻譜搬移到基帶，獲得每個通道的上、下半基帶信號；

(2)采用時域低通濾波的方式濾除上、下半基帶信號在基帶外的頻率成分；

(3)將濾波后的上、下半基帶信號相加，并加漢明窗。

步驟3.3.4：將子帶合成后的參考信號和監測信號輸入至匹配濾波子模塊，獲得距離多普勒譜后，檢測出其中的目標并獲得目標時延和多普勒頻率；

匹配濾波子模塊，針對信標長度不同于ofdm符號長度導致分塊時同一距離單元慢時間維信號不一致的問題，采用非均勻采樣的相干積累方法，對數字子帶合成后的監測信號和有導頻均衡的參考信號進行匹配濾波操作，獲得距離多普勒譜。通過以下步驟實現；

(1)不考慮信標和循環前綴，將監測信號和參考信號的ofdm數據體分塊后，獲得快時間維相關值，再對慢時間維上的非均勻采樣值加漢明窗；

(2)將每個子幀的慢時間維上的非均勻采樣值分段后補零做dft，并進行fftshift操作；

(3)子段頻譜乘以相位因子后相干疊加。

步驟3.3.5：獲取距離多普勒譜中每個目標的信息后進行距離精估計操作，獲得準確的目標距離；

目標距離精估計子模塊，針對數字邊帶頻譜合成過程引入的目標幅度調制效應，目標距離精估計用于抵消這種幅度調制效應，準確估計目標的位置。包括以下步驟：

(1)檢測出距離多普勒譜中的峰值，得到所有目標的時延和多普勒頻率；

(2)對某個目標，構造與該目標多普勒頻率有關的搜索參考信號，并設立含有該目標時延的時延搜索范圍；

(3)針對搜索范圍內的任一時延值，構造搜索監測信號，并計算搜索監測信號和搜索參考信號的距離譜，記錄距離譜峰值的位置，若正好等于此時延值，記錄主峰與副峰的比值，反之主、副峰比值為0；

(4)尋找主、副峰比值的最大值對應的時延，此時延即為此目標時延；

(5)精估計其他目標的距離時，重復步驟(2)~(5)。

步驟3.4：使用模數融合子模塊有效融合兩種信號的目標信息；

具體實現包括以下步驟：

(1)根據雷達方程，確定cdr信號和fm信號的共同覆蓋范圍，進一步確定模數融合中的雙基地距離范圍；

(2)基于雙基地雷達模型，使用擴展卡爾曼濾波算法和全局最近鄰域方法，分別跟蹤fm、cdr信號中檢測到的目標；

(2)判斷各個目標的軌跡是否重合，若重合則判斷為同一目標。

步驟4：處理結果呈現在終端顯示單元上，包括同步峰值、信號星座圖、參考信號重構質量、雜波抑制效果、目標信息融合結果。

本發明具有如下優點：

1.驗證了中國調頻頻段數字音頻廣播cdr作為外輻射源雷達的機會照射源的可行性；

2.適用于模數混播模式或純數字模式，具有較廣的覆蓋范圍、較高的距離分辨率和較好的低空覆蓋性能；

3.具有準確度高、魯棒性好且結構簡單、適合移植到硬件系統的信號處理模塊；

4.對空中飛行目標具有有效的檢測和分析能力。

附圖說明

圖1為本發明實施例的系統結構原理圖；

圖2為本發明實施例中的cdr處理模塊流程圖；

圖3為本發明實施例的系統實施例圖；

圖4為本發明實施例中武漢cdr頻譜圖；

圖5為本發明實施例中兩種重構方式(符號流重構、非符號流重構)下，武漢地區cdr的三種元素的誤碼率隨信噪比變化關系；

圖6為本發明實施例中實測數據三種元素的星座圖；

圖7為本發明實施例中的cdr處理模塊中的參考信號提純子模塊流程圖；

圖8為本發明實施例中重構前、后cdr信號的頻譜；

圖9為本發明實施例中無導頻均衡的參考信號與監測信號的距離多普勒譜；

圖10為本發明實施例中子帶雜波抑制原理框圖；

圖11為本發明實施例中子帶雜波抑制后的距離多普勒譜；

圖12為本發明實施例中頻譜合成的原理圖；

圖13為本發明實施例中頻譜合成后的距離多普勒譜；

圖14為本發明實施例中距離精估計結果和距離多普勒譜；

圖15是本發明實施例中fm信號和cdr信號探測性能預估圖；

圖16為本發明實施例中fm信號和cdr信號探測到同一目標的結果。

具體實施方式

為了便于本領域普通技術人員理解和實施本發明，下面結合附圖及實施例對本發明作進一步的詳細描述，應當理解，此處所描述的實施示例僅用于說明和解釋本發明，并不用于限定本發明。

參見圖1，本發明的系統包括信號接收單元、信號處理單元和終端顯示單元，其中信號處理單元分為模數分離模塊、cdr處理模塊、fm處理模塊和模數融合模塊。cdr處理模塊包括信號重構子模塊、雜波抑制子模塊、數字邊帶合成子模塊、匹配濾波子模塊、目標檢測子模塊和目標距離精估計子模塊，如圖2所示。

本實施例詳細闡述了一種數字音頻廣播外輻射源雷達目標探測系統與方法，圖3為本發明針對武漢cdr的外源雷達信號處理具體實施例。發射站位于武漢龜山電視塔，接收站位于武漢大學外輻射源雷達觀測站，距離發射站7.5km，觀測目標為低空民航飛機。圖4為接收站的cdr信號頻譜，表明cdr工作于模數混播模式下，數字邊帶分布于中心頻率為102.6mhz的模擬調頻廣播兩側，分別距離中心頻率[150,200]khz、[-200,-150]khz，且兩個數字邊帶帶寬均為50khz。參照調頻頻段數字音頻廣播專利可知武漢地區cdr工作在頻譜模式9。圖5為符號流重構、非符號流重構方式下，武漢地區cdr的三種元素誤碼率隨信噪比的變化關系，當信噪比小于6db時非符號流重構出現誤碼率，必須采用符號流重構，因此重構門限為6db。

本實施例中，外輻射源雷達信號接收單元包括兩個八木天線、ad9361采集板和上位機，其中ad9361采集板內部集成有模擬接收機、數字接收機和usb3.0傳輸芯片。兩個天線收到的模數混播信號經模擬接收機放大、混頻、濾波后直接變為模擬基帶信號，再經高速率adc采樣、數字下變頻后獲得數字基帶信號，進一步緩存至fpga后通過usb3.0傳輸至上位機，最終將數據存放在硬盤中。基帶信號分為參考信號和監測信號兩種，其中參考信號由指向武漢龜山電視塔的垂直極化八木天線獲取，監測信號由指向感興趣觀測區域的垂直極化八木天線獲取。

本實施例中，首先初始化基本cdr參數，輸入信號處理參數，其中信號處理參數包括6個邏輯子幀、積累時間為0.96s、采樣率816khz、子幀長度130560和頻譜模式9對應的子帶個數為1，通道個數為2包含參考通道和監測通道；

本實施例中，初始化ad9361中兩個通道的增益、采樣時鐘頻率后，初始化usb3.0傳輸協議，采集數據完畢后啟動信號處理單元；

本實施例中，針對武漢cdr工作于頻譜模式9，確定信號處理單元中模數分離子模塊采用高通濾波器，fir高通濾波器的各項參數分別為：采樣率為816khz，阻帶頻率為100khz，通帶頻率為140khz，阻帶衰減為0.0001，通帶波紋值為0.00057564620966，密度因子取20。將上述參數輸入至matlab中的fdatool工具箱，創建fir高通濾波器并分離出參考信號和監測信號中的fm和cdr信號。

本實施例中，fm信號采用成熟的方法處理，獲得目標的距離、多普勒頻率信息；

本實施例中，獲取cdr信號后首先提純參考信號，圖7是實例中參考信號提純的一種實施方案。對參考信號提純時：

(1)采用數據輔助法獲得cdr的傳輸模式為模式1后，初始化cdr有關參數，如ofdm數據體長度2048、循環前綴長度為240、子載波頻率間隔為398.4375hz、信標長度2342、每個子幀的ofdm符號個數為56等；

(2)將本地傳輸模式1的同步信號用于同步操作，并解調一個物理子幀的系統信息，獲得子幀分配方式為方式1，依據這種方式將物理層信號幀直接依次映射為邏輯層信號幀；

(3)從圖4獲得參考通道的snr約為16db，顯然大于重構門限6db，因此采用非符號流重構的方法提純參考信號——直接對子載波矩陣中的三種元素硬判決、再作星座映射、調制、子幀分配獲得參考信號，最終生成導頻均衡參考信號和無導頻均衡參考信號，分別用于匹配濾波和多徑雜波抑制。

本實施例中，圖6為非符號流重構前子載波矩陣中三種元素的星座圖，圖8給出了重構前后cdr信號的頻譜，重構后信號變得更加純凈。

本實施例中，匹配濾波采用類似cmmb匹配濾波的非均勻采樣的相干積累方法，即“快時間維相關-慢時間維分塊fft”算法，取6個邏輯子幀信號，不考慮信標和循環前綴，對每個子幀按ofdm數據體長度分塊，維度為336×2048維；將6個子幀塊的非均勻采樣值分別補零后做長度為356的dft，并進行fftshift操作；將6個子幀塊的頻譜乘以相位因子后相干疊加就獲得距離多普勒譜。

圖9為無導頻均衡的參考信號與監測信號相關獲得的距離多普勒譜，此時直達波和雜波很強，覆蓋了運動目標。

本實施例中，圖10為雜波抑制方案實例，選擇無導頻均衡的參考信號和子帶雜波抑制方法，抑制監測信號中雜波距離元個數為1000個，雜波多普勒擴展范圍為[-1.04，1.04]hz。

圖11是子帶雜波抑制后的距離多普勒譜，可見經過雜波抑制后距離多普勒譜中的基底降低，目標凸顯出來，但目標譜峰較寬，雜波抑制后的信號輸入至數字邊帶頻譜合成模塊來增大距離分辨率。

本實例中，圖12給出了數字邊帶頻譜合成的一種實現方式，上半子帶的標稱頻率149.8khz、下半自帶的標稱頻率-149.8khz；構造時域低通濾波，設各個參數分別為采樣率為816khz，通帶頻率為60khz，阻帶頻率100khz，阻帶衰減為0.0001，通帶波紋值為0.00057564620966，密度因子取20；將兩個通道的上、下半基帶信號時域相加后加漢明窗。

圖13是數字邊帶頻譜合成后的距離多普勒譜，可見目標的譜峰寬度相比圖9減小了一倍，但目標的幅度受到了調制。頻譜合成后的信號輸入至距離精估計模塊，可取出幅度調制效應，確定目標真實位置。

本實例中，圖14是cdr信號距離精估計結果。距離精估計時，距離多普勒譜中單個目標的距離元為38和多普勒頻率為-81.9hz，并設立含有該目標距離元的搜索范圍[20,60]；從搜索范圍的最小值開始，每隔0.1的步長增加距離元值；尋找主、副峰值比的最大值對應的距離元37.5，此距離元即為此目標距離元。

圖15是當檢測門限為13.8db時，根據雷達方程獲得的fm信號和cdr信號探測性能預估圖，表明模數融合的最大距離范圍約為50km，對應雙基地距離元約270。圖16給出了實測數據中兩種信號對同一目標的探測結果，兩種信號的目標峰值位置相同，不過cdr的目標峰值更加集中。根據這兩個目標的峰值位置，可融合為同一目標。

上述結果表明，本發明驗證了中國調頻頻段數字音頻廣播作為外輻射源雷達機會照射源的可行性，驗證了模數混播模式下外輻射源雷達對運動目標的探測性能。

本發明對基于調頻頻段數字音頻廣播cdr外輻射源雷達系統和信號處理的有關關鍵技術展開了全面研究，分析并解決了cdr工作于模數混播模式下導致的若干問題，驗證了cdr作為機會照射源的可行性，為cdr外輻射源雷達的信號處理和分析創建了詳細的信號處理方案，具有準確度高、魯棒性好、結構簡單、適合移植到硬件平臺等優點。

應當理解的是，本說明書未詳細闡述的部分均屬于現有技術。

應當理解的是，上述針對較佳實施例的描述較為詳細，并不能因此而認為是對本發明專利保護范圍的限制，本領域的普通技術人員在本發明的啟示下，在不脫離本發明權利要求所保護的范圍情況下，還可以做出替換或變形，均落入本發明的保護范圍之內，本發明的請求保護范圍應以所附權利要求為準。