数字地面多媒体广播外辐射源雷达微多普勒效应实验

2016-11-11万显荣邵启红但阳鹏

系统工程与电子技术 2016年11期

关键词：辐射源谱线杂波

万显荣,邵启红,夏　鹏,但阳鹏

(武汉大学电子信息学院,湖北武汉 430072)

数字地面多媒体广播外辐射源雷达微多普勒效应实验

万显荣,邵启红,夏鹏,但阳鹏

(武汉大学电子信息学院,湖北武汉 430072)

论述了利用武汉大学新近研制的多通道外辐射源雷达系统开展基于地面数字多媒体广播(digital terrestrial multimedia broadcasting,DTMB)外辐射源雷达微多普勒效应实验的研究结果。首先建立了外辐射源雷达目标微动信号模型,接着简要阐述了信号处理的主要关键技术,最后重点介绍了实验开展的情况,包括系统配置、目标微多普勒效应实验典型结果及分析,从实验上证实了利用DTMB信号实现目标微多普勒效应探测的技术可行性。

外辐射源雷达; 数字地面多媒体广播; 微多普勒效应

0　引　言

外辐射源雷达是一种基于非合作电磁辐射源(如广播、通信、卫星信号)的目标探测系统,具有节约频谱资源、绿色环保、双基地反隐身、抗摧毁能力强、易于部署和组网的特点。数字广播技术的推广与应用为外辐射源雷达提供了契机,使之成为近十年来新体制雷达的研究热点之一,并具有系统配置网络化、多波段综合一体化、承载平台多样化、应用场景多元化的发展趋势[1]。我国2006年推出的数字地面电视多媒体广播(digital television/terrestrial multimedia broadcasting,DTMB)标准是世界上第4个具有独立知识产权数字电视国际标准,采用了时域同步正交频分复用(time domain synchronous-orthogonal frequency division multiplexing，TDS-OFDM)调制、帧结构与自然日周期同步的新技术,具有频谱效率高、抗多径能力强、适用于移动接收的特点[2]。当前,我国DTMB广播网覆盖范围已超过300个城市,这为基于该波形的新体制雷达提供了坚实的基础条件,国内多家研究单位已就基于DTMB的外辐射源雷达展开研究并取得了一系列成果,包括信号的模糊函数特性分析[3]、参考信号的提纯与重构[4-5]、直达波干扰的抑制方法[6]以及目标探测外场实验对比[7]等。然而,到目前为止还未见到国内进行外辐射源雷达微多普勒效应及非合作目标识别研究的公开报道。

雷达目标微多普勒是目标微小运动对雷达信号的一种调制效应,体现在回波频谱产生多普勒边带,该效应主要由目标除质心平动之外的转动、加速以及振动引起[8]。由于微动属于目标的精细结构,通常被认为是目标独一无二的运动状态,因此微多普勒效应提供了目标散射截面积之外的特征信息,对雷达目标特征提取与分类识别具有重要价值。文献[9]提出在时频分析的基础上,结合Hough变换进行微多普勒特征提取;而文献[10]利用多输入多输出(multiple-input multiple-output,MIMO)雷达的多视角特性,实现了目标三维微动特征的提取。文献[11]建立了卡车微动模型,为卡车微多普勒特征提取及识别研究打下基础。文献[12]则通过经验模态分解提取空中飞机目标旋转部件产生的微多普勒特征,使用支持矢量机分类器在较高信噪比条件下获得了较高的正确识别率。

基于数字广播信号的外辐射源雷达由于其体制上的特点,在微多普勒效应探测及其利用等方面具有得天独厚的优势和吸引力:①该体制雷达相干积累时间可以很长,从而可记录多个连续的回波闪烁,同时也提高了对低雷达散射截面(radar cross section,RCS)目标的探测与识别能力;②采用连续波作为机会照射源可避免频率混叠;③收发分离的双基结构提供了采集目标信息更多自由度,从而避免盲速,以及防止位于零点或较低位置上的单基RCS[8];④外辐射源雷达通常利用的外部照射源信号带宽较窄,而微多普勒特征的开发利用不必要求距离高分辨,这一突出特点为低分辨雷达的目标分类识别提供了新途径。

本文围绕DTMB外辐射源雷达微多普勒效应实验研究情况展开讨论,首先建立外辐射源雷达目标微小运动信号模型,接着阐述了外辐射源雷达探测机理和信号处理相关关键技术,最后介绍了实验环境和配置,并给出了目标微多普勒效应探测典型结果。

1　外辐射源雷达目标微动信号模型

外辐射源雷达接收系统最少需要两个通道:参考通道和监测通道,分别用来接收参考信号和目标回波信号。通过对参考信号和监测信号进行互相关模糊函数处理来获取距离多普勒谱,据此实现目标检测。在特高频(ultra high frequency,UHF)频段,典型的外辐射源雷达监测通道信号模型(经匹配滤波后)可表示为

(1)

式中,τ,η分别是快时间和慢时间;Pr(τ)是距离包络;Ad,τd分别是直达波幅度和时延;Cn,τcn分别为第n条多径的幅度和时延;Nc为多径条数;A0,R(η)分别是目标幅度和双基目标距离;f0是发射信号中心频率;c是光速。

当目标或目标组成部分包含微动时,式(1)需要做如下修正

(2)

式中,ΦR(η)=2πf0R(η)/c为目标主体运动相位项;A(η)，ΦmD(η)分别为目标微动产生的幅度和相位调制项,其表达形式为

(3)

式中,L,Ω分别为叶片长度和旋转速率;β为双基地角;δ为方位角,定义为旋转平面与双基地角平分线之间的夹角;φ0为初始相位。

对于具有N个叶片的旋翼,其N个不同的初始旋转角为

(4)

则总的接收信号模型变为

(5)

假定不考虑直达波和多径杂波的影响,对式(5)沿慢时间维进行傅里叶变换[13],得

(6)

可见,调制谱是由一系列谱线间隔为Δf=NΩ/2π的谱线组成。其中，Cm为谱线幅度,由Bessel函数确定;fd为目标主体多普勒频移;M为调制谱的谱线个数,其表达式为

(7)

由此可得微多普勒信号带宽为

(8)

式中，Vtip=L·Ω为叶尖速度。

本节将结合DTMB外辐射源雷达微多普勒效应实验场景,通过式(5)表示的信号模型对目标微多普勒特征进行仿真,仿真参数设置为:信号载频754 MHz,叶片长度为0.75 m,叶片数为3,叶片转动速率为290 rpm和240 rpm,双基地角为33°,方位角为25°。

图1(a)为叶片转动速率为290 rpm时仿真的回波信号功率谱,可见功率谱是由一系列谱线构成的,根据前述信号模型计算可得谱线间隔Δf=14.5 Hz,谱线条数M=6,微多普勒带宽B=87 Hz。图1(b)为利用短时傅里叶变换表示的联合时频微多普勒特征,从图中微多普勒样式关于平均多普勒频率不对称的特点可知叶片数为奇数,另外从联合时频图中还可同时估计出叶片转动周期和微多普勒带宽。图2(a)、图2(b)分别为叶片转动速率为240 rpm时的功率谱和联合时频微多普勒特征,通过理论计算可得谱线间隔Δf=12 Hz,谱线条数M=6,微多普勒带宽B=72 Hz。从以上两个仿真实例可以看出,理论计算值与仿真结果具有非常好的一致性。

图1　目标转速为290 rpm的仿真结果Fig.1　Simulation results of the target with a rotation rate of 290 rpm

图2　目标转速为240 rpm的仿真结果Fig.2　Simulation results of the target with a rotation rate of 240 rpm

2　信号处理关键技术

2.1参考信号获取

外辐射源雷达参考通道通过定向天线指向发射站来获取参考信号,实际应用中参考通道信号不可避免地存在多径和噪声干扰,参考信号的纯净程度直接决定雷达探测性能的好坏,因此纯净参考信号的获取是外辐射源雷达目标探测的重要环节。本文参考信号获取采用文献[4]中提出的参考信号重构方法,该方法针对我国DTMB信号特有的结构特征而提出,重构流程需要经过同步、信道估计、译码纠错等步骤得到发送端传送的二进制比特流,然后根据DTMB信号调制原理,重新生成发射端传送的时域信号。基于实测数据处理结果表明了其对DTMB外辐射源雷达的实用性[5]。

2.2多径杂波抑制

依据式(5)所表示的监测通道信号模型,监测通道中含有不希望的直达波和多径杂波(为描述方便,统称多径杂波),由于广播信号以连续波形式主要向地面辐射,多径杂波功率很强,使得实际有用信号要远远低于多径杂波,即便经过相干匹配,杂波仍可能产生较高的多普勒和距离副瓣,这些副瓣会掩盖目标信号。因此，多径杂波抑制是外辐射源雷达目标探测必须解决的关键问题。本文选择文献[14-15]中提出的基于分载波空域处理方法,该方法专门针对OFDM调制方式而提出,它可以在抑制主路径杂波的同时抑制弱多径杂波。分载波空域处理先将外辐射源雷达阵列接收的时域信号变换到频域(子载波域),然后通过对各载波信号分别求取干扰协方差矩阵和空间自适应系数以滤除多径杂波。

3　实验结果

3.1实验环境和配置

武汉大学利用新近研制的UHF波段多通道外辐射源雷达探测系统于2014年8月上旬在武汉大学外辐射源雷达实验观测研究站开展了目标微多普勒效应探测实验,实验场景配置如图3所示。武汉地区DTMB(信号中心频率754 MHz,带宽8 MHz,垂直极化)发射站位于龟山电视塔,实验场地距发射站距离大约7.9 km,目标到接收站距离大约为3 m。图3中的小图为实验现场照片,8单元均匀圆形阵列配置为监测通道,实验用一风扇来模拟微动目标,风扇叶片数为3,叶片长度为0.75 m,实验分别在叶片转速约为280～290 rpm和230～240 rpm两种条件下采集数据。

图3　实验场景Fig.3　Experimental scenario

3.2结果分析

图4为叶片转速约为280～290 rpm时所采集到的一组数据的处理结果。其中图4(a)为多径杂波抑制前的距离多普勒谱,可见零多普勒处存在强的多径杂波,目标回波被掩盖。利用分载波空域处理后的结果如图4(b)所示,可见经杂波抑制后沿多普勒轴在零多普勒周围呈周期出现了多次谐波副峰,这是因为风扇没有平移运动,旋转的风扇叶片在雷达回波中产生了额外的频率调制,表现在频谱上的特征就是在零多普勒周围产生谐波谱线。为了进一步分析频率调制特性,图4(c)显示了叶片回波信号的功率谱,功率谱由一系列间隔为Δf=98.4/6=16.4 Hz的谐波谱线组成,

谱线条数M=6,微多普勒带宽B=98.4 Hz。对比图1(a)中的仿真结果发现，二者形态特征具有高度一致性,但是实测数据谱线间隔与微多普勒带宽要略大于仿真结果,相对误差大约为13%,这是因为实验当天风速很大,竖直面内转动的风扇叶片类似于风力发电机,容易受到风速的影响。图4(d)为利用短时傅里叶变换表示的旋转叶片联合时频微多普勒特征,由于残余杂波及环境噪声的影响,图中微多普勒特征发生了一定程度的畸变,对比图1(b)仿真结果发现，二者还是具有非常高的相似性。

为了进一步验证试验结果的可靠性,进行了第二次试验,图5为叶片转速约为230～240 rpm时所采集到的另一组数据的处理结果。其中图5(a)、图5(b)分别为多径杂波抑制前、后的距离多普勒谱,可见经多径杂波抑制后目标微多普勒特征凸显出来,直观上可发现图5(b)的微多普勒扩展范围小于图4(b),这符合预期,因为最大微多普勒频率依赖于叶尖速度。图5(c)为微多普勒信号功率谱,其形态特征与图2(a)仿真结果非常类似,进一步从图中提取谱线间隔Δf=13.67 Hz,谱线条数M=6,微多普勒带宽B=82.02 Hz。由于风速的影响,谱线间隔与微多普勒带宽同样要略大于仿真结果,相对误差大约为14%。图5(d)显示了微多普勒信号的联合时频特征,与图2(b)中的仿真结果基本一致。

图4　目标转速为290 rpm时处理结果Fig.4　Experimental results of the target with a rotation rate of 290 rpm

图5　目标转速为240 rpm时处理结果Fig.5　Experimental results of the target with a rotation rate of 240 rpm

4　结　论

本文从外辐射源雷达目标微动信号模型、信号处理关键技术、实验场景及结果分析等几个方面阐述了利用DTMB外辐射源雷达开展微多普勒效应实验的情况。实测数据处理结果与仿真分析基本相符证明了DTMB外辐射源雷达用于目标微多普勒效应探测的可行性。后续工作将包括直升机、螺旋桨飞机等机动目标微多普勒效应探测实验,并研究基于微多普勒特征的外辐射源雷达目标识别方法,相关工作将使得外辐射源雷达功能得到拓展,其整体性能也将得到提升。

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Experimentation on micro-Doppler effect with passive radar based on digital terrestrial multimedia broadcasting

WAN Xian-rong,SHAO Qi-hong,XIA Peng,DAN Yang-peng

(School of Electronic Information,Wuhan University,Wuhan 430072,China)

The experimental research of micro-Doppler effect in digital terrestrial multimedia broadcasting (DTMB)based passive radar is presented by using the newly-developed multichannel passive radar system of Wuhan University.Firstly,the passive radar micro-motion model is established.Secondly,the key techniques in signal processing are briefly discussed.Finally,the experimental progress is highlighted,including system introduction,illustration and analysis of typical experimental results of micro-Doppler effect,which proves the technical feasibility of using DTMB for micro-Doppler effect detection.

passive radar; digital terrestrial multimedia broadcasting (DTMB); micro-Doppler effect

2015-09-17；

2016-07-03；网络优先出版日期：2016-07-18。

国家自然科学基金(61271400,61331012,61371197,U1333106)；国家重点研发计划(2016YFB0502403)；湖北省支撑项目(2015BCE075)资助课题

TN 958.97

ADOI:10.3969/j.issn.1001-506X.2016.11.08

万显荣(1975-),男,教授,博士研究生导师,博士,主要研究方向为外辐射源雷达系统、高频雷达系统与雷达信号处理。

E-mail:xrwan@whu.edu.cn

邵启红(1982-),男,博士研究生,主要研究方向为外辐射源雷达与超视距雷达信号处理。

E-mail:qihongshao@163.com

夏鹏(1986-),男,博士研究生,主要研究方向外辐射源雷达成像与目标识别。

E-mail:xiapeng@whu.edu.cn