利用多转发器直播卫星信号的外辐射源目标探测技术*

于钦添，彭华峰，孙正波，吴永强(盲信号处理重点实验室,成都610041)



利用多转发器直播卫星信号的外辐射源目标探测技术*

于钦添**，彭华峰，孙正波，吴永强
(盲信号处理重点实验室,成都610041)

Foundation Item:The National Natural Science Foundation of China(No. 61172140)

**通信作者:15882325579@163. com Corresponding author:15882325579@163. com

摘 要:根据某直播卫星实际信号的特点,分析了该直播卫星信号作为外辐射源的最大探测距离以及距离走动、频率扩散对目标探测的影响。通过实际信号的原理验证实验,进一步证明了该目标探测手段的可行性。提出了利用该直播卫星多路转发器信号实现相参积累的方法,并介绍了相参积累的原理。最后,利用对模糊函数的输出进行二维插值的方法,推导并仿真了相参积累的算法。仿真结果表明:利用该直播卫星信号作为外辐射源的7路转发器信号实现相参积累,检测信噪比可以提高8 dB。关键词:外辐射源雷达；目标探测；直播卫星；多转发器；相参积累

1 引 言

外辐射源雷达利用非合作的外部照射源实现目标的定位与跟踪,该领域的研究近年来在国内外所受的关注度越来越高[1]。调频广播、数字地面多媒体广播、GPS卫星、直播卫星等均可以作为外辐射源。“沉默哨兵”是国内外最为著名的外辐射源雷达系统之一,由美国的洛克希德·马丁公司研制,其有效探测距离可达200 km以上,在同时接收多部电台信号的情况下,探测距离可达300 km。但是,类似于“沉默哨兵”的地基外辐射源雷达由于其信号覆盖范围受限,导致其应用场景受到限制。近些年来,基于卫星信号的外辐射源雷达因其信号覆盖范围广、应用场景广泛等特点受到了广泛关注[2-3]。

探测距离是外辐射源雷达系统研制的一个重要指标,在外辐射源类型选定的情况下,往往探测距离也是存在瓶颈的。因此,如何充分利用外辐射源信号的特点,有效提高探测距离与分辨率是外辐射源雷达研究的一个重点。文献[4]提出了利用多个调频广播电台进行相参合成的技术,其方法可以应用于分辨距离相近的多目标。文献[5]提出了利用多路广播电台实现相参积累提高检测信噪比的思路,可以有效提高调频广播外辐射源的探测距离。然而,这些研究都是基于窄带模型的,而在宽带模型下,以直播卫星外辐射源为例,其信号的频带宽、频率高,这将导致运动目标的多普勒频移很大,相参积累时必须从时间和频率二维补偿才能够实现,并且还要考虑由不同转发器之间频差导致的回波多普勒分辨单元走动现象[6]。

本文以直播卫星作为外辐射源,分析了直播卫星外辐射源的目标探测性能。对星上多路转发器信号建立了相参积累模型,分析了利用多路转发器信号实现相参积累的可行性,推导了相参积累的算法;通过仿真分析验证了算法的有效性,为后续进一步的研究以及实验验证打下了基础。

2 直播卫星外辐射源雷达目标探测

2. 1 直播卫星外辐射源目标探测性能

相对于常规地基外辐射源雷达应用范围的局限性,卫星外辐射源雷达因其覆盖范围广、便于接收等优点,使其能够应用于天基以及海基平台,具备难以替代的优势[7]。利用直播卫星外辐射源进行目标探测,以位于同步轨道的某直播电视卫星为例,其基本参数如表1所示,其全向辐射功率最大可达55 dBW,信号位于Ku频段,利用1. 2 m口径的抛物面天线接收时,直达波信噪比可达13 dB以上。

表1 某直播电视卫星外辐射源基本参数Tab. 1 The parameters of a broadcasting satellite

直播电视卫星作为外辐射源的优势在于,相对其他卫星,其频带较宽,信号为连续信号,采用QPSK调制,并且在信号质量较好的情况下不插导频,具备较好的模糊函数尖峰特性。图1为实测信号的频谱,可以看出,其每路转发器带宽为36 MHz,单段信号全部可利用信号带宽大于400 MHz,在相同的积累时间内,可以实现更高的积累增益。

图1 某直播电视卫星信号频谱Fig. 1 The frequency spectrum of signal from a broadcasting satellite

通过双基地雷达模型以及卫星链路计算,可以得到目标回波信号的功率范围。图2为回波天线为增益60 dB时,利用星上单路36 MHz转发器信号探测不同目标时所需的积累时间。从图中可以看出,积累时间1 s,可以探测距接收站75 km,雷达散射截面积(Radar Cross Section,RCS)为10 m2的目标。针对类似民航飞机的目标,目标RCS取100 m2,积累时间1 s,探测距离大于200 km。

图2 卫星外辐射源雷达最大探测距离随积累时间关系Fig. 2 The relationship between the maximum detection distance and integrated time

2. 2 实际信号原理验证实验

为了更好地分析直播电视卫星外辐射源目标探测的可行性,开展了实际信号的原理验证试验。采集系统的结构如图3所示,天线接收到Ku频段的直达波以及目标回波信号经下变频后进行I、Q两路正交采集,再将采集的信号进行后端的信号处理。本次实验选用不同口径的抛物面天线,参考天线对准直播卫星,回波天线对准附近建筑物以及民航飞机接收不同路径的回波信号,展开原理验证实验。

图3 直播卫星外辐射源实验流程Fig. 3 The procedure of passive radar experiment using broadcasting satellite signal

实验结果如图4和5所示。从图4中可以看到在距离单元50 m、75 m、125 m处可以看到由静止目标反射的回波。从图5中可以看出:在机场附近检测到疑似刚起飞的民航飞机回波,速度为58 m/ s,距离3. 8 km,与实际场景吻合。

图4 实际目标探测处理结果Fig. 4 The result of real target detection

图5 直达波抑制后处理结果Fig. 5 The result after direct signal deduce

本次实验初步验证了利用直播电视卫星外辐射源探测目标的可行性,为后续的运动目标探测实验研究打下了基础。

3 多转发器直播卫星外辐射源相参积累

3. 1 多转发器信号相参积累模型

在利用卫星外辐射源雷达探测中近程、低中速目标时,在积累时间内,假设目标处于匀速运动状态,因此不存在多普勒能量扩散,则经I、Q两路采样后的多转发器直达波与回波的基带信号模型由式(1)和式(2)所示:

式中:u代表直播电视卫星的基带信号;fi代表第i路转发器信号的载频;多普勒频移fdi=2vrfi/ c;τi代表第i路转发器目标回波信号的到达时间;τd为直达波信号的到达时间;A为回波信号相对于直达波的幅度;ej·φi为信道不一致性引入的相位,包括收发天线位置不一致性、信道参数不一致性等。直播电视卫星的多载波信号均有一个天线由多工的模式发出,减少了不同通道带来的额外相位差,接收信号时可以采用单通道宽带采集的方法。因此,该项相位参数的不一致性可以忽略。

当利用模糊函数对单路转发器信号的直达波与回波信号进行检测时,检测结果如式(3)所示:

式中:φ= A·e-j2πfi(τi-τd)·e-j2π·fdi·τi·ej·φi。

当采用N路转发器信号进行积累时,模糊函数的输出为

式中:

τt=τi-τd为直达波与目标回波到达接收天线的时间差。当对每路信号所产生的相位差e-j2π(τt+2vr/ c·τi)((i-1)Δfi)ej·φi进行补偿后,就可以实现对多路转发器信号的相参积累。

3. 2 相参积累增益分析

当信号处在高斯白噪声的信道下时,利用N路转发器信号实现相参积累,检测信噪比可以提高N倍;而在进行非相参积累时,无法达到理想的性能提升,并且严重影响参数估计精度。当N较大时,积累增益仅为。

图6为目标速度以及距接收站距离参数先验的情况下,对7路等带宽转发器信号进行理想相参积累的检测结果。从图6中可以看出,相参积累能够带来额外7 dB以上的增益,而多转发器信号非相参积累相对于单路信号,检测信噪比仅提高约1 dB。

图6 多转发器相参积累性能对比时延维截面Fig. 6 The time dimension result of coherent accumulation

4 多转发器信号相参积累方法

4. 1 相参积累方法推导

利用多路转发器信号进行相参积累的流程如图7所示,不同转发器信号积累结果的相位差与时延和目标速度有关,在未知目标速度以及时延的情况下,是无法估计的。因此,在利用多路转发器信号进行相参积累时,必须同时考虑时延、速度导致的相位差的补偿。

图7 多转发器相参补偿过程Fig. 7 The process of coherent accumulation

当模糊函数频率单元在fd、时延单元在τ时,由式fdi=2vr/ c·fi可得,假设在模糊函数在(τ,fd)处取得峰值,则可以推导出此时刻目标的2vr/ c=fd/ fi,此时需要对积累结果进行的相参补偿如式(5)所示:

当模糊函数在(τ,fd)时不取最大值时,仍然对回波信号多普勒频移项进行了补偿,但由于直达波与回波具有强相关性,在不匹配的点添加相位项后,依然处于不相关状态,不影响模糊函数结果,但相关峰处的多普勒频移已经实现了补偿。进行相参补偿后的模糊函数可以改写成“时频二维插值模糊函数”( Time - Frequency dimensional interpolation of Ambiguity function,TFIAF),其表达式如式(6)所示:

则多路转发器信号相参积累的结果如式(7)所示:

4. 2 仿真验证

下面对本文算法进行仿真,具体参数如表2所示。为了便于验证算法,本文考虑目标距接收站较近的情况,假设积累时间内的距离单元走动已经进行了补偿。

表2 仿真参数Tab. 2 The simulation parameters

仿真结果如图8和图9所示,表明:本文的算法在未知目标速度以及回波时延参数的情况下,有效补偿了多载波卫星外辐射源的相位差,检测信噪比的提升达到了理想性能。利用某直播卫星多转发器实现相参合成,相比单路信号积累,可以将检测信噪比提高8 dB以上。在探测距离相同的目标时,可以有效节省积累时间,减少距离走动以及多普勒走动对检测的影响。从图8和图9中可以看出,本文算法在一定程度上提高了距离分辨率,有利于更好地分辨近距离的目标。

图8 TFIAF算法性能仿真分析时延维截面Fig. 8 The time dimension result of TFIAF algorithm

图9 TFIAF算法性能仿真分析频率维截面Fig. 9 The velocity dimension result of TFIAF algorithm

5 结 论

本文提出了利用直播电视卫星多转发器信号作为外辐射源的目标探测方法,通过开展实际信号的验证实验,实现了对静止建筑物以及民航飞机的探测,验证了该手段的可行性。与利用单路直播电视卫星信号作为外辐射源相比,利用7路转发器信号进行相参积累,检测信噪比可以提高8 dB。本文完成了利用直播电视卫星外辐射源雷达探测运动目标的实验,实验结果与理论相符,但由于波束宽度较窄,无法连续捕获目标。本文的研究为后续卫星外辐射源雷达系统的研制打下了理论基础,具有很好的应用价值。

参考文献:

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YU Qintian,PENG Huafeng,SUN Zhengbo. Single observer TDOA location based on multiple external emitters[J]. Telecommunication Engineering,2015,55 (1):80 - 85. (in Chinese)

于钦添(1990—),男,辽宁铁岭人,2013年于信息工程大学获通信工程专业学士学位,现为盲信号处理重点实验室硕士研究生,主要研究方向为雷达信号处理和目标定位;

YU Qintian was born in Tieling,Liaoning Province,in 1990. He received the B. S. degree from Information Engineering University in 2013. He is now a graduate student. His research concerns radar signal processing and target positioning.

Email:15882325579@163. com

彭华峰(1979—),男,博士,工程师,主要研究方向为定位、跟踪与测轨等;

PENG Huafeng was born in 1979. He is now an engineer with the Ph. D. degree. His research concerns positioning, tracking and trajectory measurement.

孙正波(1975—),男,博士,高级工程师,主要研究方向为雷达信号处理。

SUN Zhengbo was born in 1975. He is now a senior engineer with the Ph. D. degree. His research concerns radar signal processing.

Target Detection Technology Based on Signals of Multiple Transponders on Broadcasting Satellite

YU Qintian ,PENG Huafeng,SHUN Zhengbo,WU Yongqiang
(Science and Technology on Blind Signal Processing Laboratory,Chengdu 610041,China)

Abstract:According to the characteristic of the real signal from a broadcasting satellite,the maximum detection distance and the influence of the walking range and spreading frequency on target detection are analyzed. The feasibility of the target detection method is proved by the real satellite signal experiment. The coherent accumulation algorithm based on signals of multiple transponders on broadcasting satellite is put forward. The principle of the coherent accumulation algorithm is introduced. Finally,the coherent accumulation algorithm based on two-dimension interpolation to the ambiguity is derived and simulated. The simulation results prove that the signal-to-noise ratio(SNR) can be improved 8 dB while achieving coherent accumulation by the signals of 7 multiple transponders.

Key words:passive radar;target detection;broadcasting satellite;multiple transponders;coherent accumulation

doi:10. 3969/ j. issn. 1001-893x. 2016. 02. 006引用格式:郑长刚,黄智刚,康成斌.导航卫星发射端多径的高精度测量技术[J].电讯技术,2016,56(2):145-150. [ZHENG Changgang,HUANG Zhigang,KANG Chengbin. High precision measurement of multipath for emission platform of navigation satellite[J]. Telecommunication Engineering,2016,56(2):145-150. ]

作者简介:

中图分类号:TN971

文献标志码:A

文章编号:1001-893X(2016)02-0140-05

基金项目:国家自然科学基金资助项目(61172140)

*收稿日期:2015-06-29;修回日期:2015-10-26 Received date:2015-06-29;Revised date:2015-10-26