CN102411140B - 一种基于多电台信号的无源雷达处理方法 - Google Patents

一种基于多电台信号的无源雷达处理方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及雷达通信技术领域，本发明公开了一种基于多电台信号的无源雷达处理方法，其具体包含以下步骤：步骤一、对雷达主通道接收到的目标回波信号进行下变频和低通滤波等处理，提取出各个电台的目标回波基带信号，同时，对雷达辅助通道接收到的多个电台直达波信号进行下变频和低通滤波等处理，提取出各个电台的直达波基带信号；步骤二、对步骤一处理得到的各个电台目标回波信号进行滤波，抑制掉其中的干扰信号，主要是直达波干扰；步骤三、对步骤二处理后的目标回波信号进行相关处理，即匹配滤波，得到匹配输出信号；步骤四、对匹配输出信号进行相位补偿后，进行相参合成，然后送入检测器进行目标检测等后续处理。

Description

一种基于多电台信号的无源雷达处理方法
技术领域
本发明属于雷达通信技术领域，尤其涉及一种基于多电台信号的无源雷达处理方法。
背景技术
隐身技术的发展给防空雷达系统带来了空前的压力。无源雷达由于较低的载频对隐身目标的探测具有先天性的优势，但现有的无源雷达系统，一般使用单一外辐射源，即单个电台的信号对目标进行探测，导致系统可利用的信号功率有限，作用距离和探测性能等受到了限制。
发明内容
针对现有技术中的无源雷达一般都使用单一的外辐射源对目标进行探测导致的作用距离较小和检测性能较差的技术问题，有必要提供一种利用多个外辐射源信号的无源雷达技术，同时，为充分获得检测信噪比上的优势，还有必要实现多个信号的相参合成。
本发明公开了一种基于多电台信号的无源雷达处理方法，其具体包含以下步骤：
步骤一、对雷达主通道接收到的多个电台目标回波信号进行下变频和低通滤波，提取出各个电台的目标回波基带信号；同时，对雷达辅助通道接收到的多个电台直达波信号进行下变频和低通滤波处理，提取出各个电台的直达波基带信号；
步骤二、对步骤一处理得到的各个电台目标回波信号进行干扰抑制滤波，抑制掉其中的干扰信号；
步骤三、对步骤二处理后的目标回波信号进行相关处理，即匹配滤波，得到匹配输出信号；
步骤四、对匹配输出信号进行相位补偿后，进行相参合成，然后送入检测器进行目标检测。
优选地，上述步骤三具体为：
步骤1、对电台                                                
Figure 42618DEST_PATH_IMAGE001
的目标回波信号按相应的多普勒滑动间隔进行多普勒预补偿处理； 
步骤2、对每个滑动间隔的多普勒预补偿处理结果进行快速傅立叶变换；
步骤3、对电台的直达波信号进行快速傅立叶变换和取共轭处理；
步骤4、将步骤3的输出与步骤2的输出相乘；
步骤5、将步骤4的输出进行快速傅立叶逆变换；
其中
Figure 640270DEST_PATH_IMAGE002
，
Figure 522775DEST_PATH_IMAGE001
表示第
Figure 812942DEST_PATH_IMAGE001
个电台。
优选地，上述步骤四具体为：
计算出每个“距离-速度”检测单元的相位补偿项，将各电台二维相关处理的输出，按不同的“距离-速度”检测单元进行相位补偿，并将相位补偿处理的N个输出进行相参合成。
优选地，上述第
Figure 707822DEST_PATH_IMAGE001
个通道的检测单元
Figure 83440DEST_PATH_IMAGE003
的相位补偿项为：
Figure 504057DEST_PATH_IMAGE004
其中，
Figure 914309DEST_PATH_IMAGE005
为时间延迟量，反映距离信息，
Figure 699863DEST_PATH_IMAGE006
为速度量；
Figure 562777DEST_PATH_IMAGE007
是在目标方向上各发射通道间的空间相位差，
Figure 787085DEST_PATH_IMAGE008
直达波信号间的发射天线空间相位差；
Figure 51844DEST_PATH_IMAGE009
和
Figure 273878DEST_PATH_IMAGE010
分别表示目标接收通道和直达波接收通道混频等处理可能引入的附加相位；
Figure 624088DEST_PATH_IMAGE011
是直达波传输延迟相位项，
Figure 386507DEST_PATH_IMAGE012
为各个电台的载波频率，
Figure 502843DEST_PATH_IMAGE013
为直达波传输延迟；
Figure 895779DEST_PATH_IMAGE014
是因频差并由目标距离延迟导致的相位项，它既是各信号频差
Figure 795601DEST_PATH_IMAGE015
的函数，又是目标距离延迟
Figure 299395DEST_PATH_IMAGE005
的函数，且
Figure 273167DEST_PATH_IMAGE015
为第
Figure 899321DEST_PATH_IMAGE001
个电台相对于第
Figure 224123DEST_PATH_IMAGE016
个电台的频率间隔（
Figure 266028DEST_PATH_IMAGE017
），
Figure 359886DEST_PATH_IMAGE018
为各电台信号间的多普勒频率差。
本发明的有益效果为：将无源雷达原有的仅采用单一外辐射源的方案变更为利用多个辐射源信号的处理方案，通过多辐射源信号的相参合成，实现无源雷达检测信噪比的大幅提高，从而增大无源雷达的作用距离，改善系统检测性能。
附图说明
图1为相关处理即滤波匹配的实现框图。
图2为多辐射源无源雷达信号处理流程。
具体实施方式
为描述方便，在此我们以FM调频电台无源雷达为代表，并对系统信号模型进行定义：
发射信号：发射信号是指通过外辐射源天线发出的信号，假设本发明中可用外辐射源有N个，即有N个调频电台的信号，且这N个信号必须是从同一发射站的多个天线同时发射出去的信号。第i个电台的发射信号为
其中，
Figure 703460DEST_PATH_IMAGE012
为载波频率，
Figure 817565DEST_PATH_IMAGE020
为发射初相；为调频信号复包络，
Figure 733885DEST_PATH_IMAGE022
为调制信号， 
Figure 767700DEST_PATH_IMAGE023
为调频灵敏度，
Figure 151408DEST_PATH_IMAGE024
为发射功率。本发明中重点关注信号间的相位关系，因此在这里我们假设=1，并忽略传播损耗。
目标回波信号：目标回波信号是指发射信号经过目标反射后被无源雷达收到的信号，它可以表示为
Figure 358716DEST_PATH_IMAGE025
其中，
Figure 879827DEST_PATH_IMAGE026
为双程距离延时，
Figure 67226DEST_PATH_IMAGE027
为发射通道间的空间相位差，它是发射信号载频
Figure 52499DEST_PATH_IMAGE012
、天线间距
Figure 299941DEST_PATH_IMAGE028
和目标角度的函数，
Figure 296509DEST_PATH_IMAGE030
为目标的多普勒频移；
Figure 73972DEST_PATH_IMAGE031
为目标对第个信号的反射系数，
Figure 784756DEST_PATH_IMAGE032
为目标对第
Figure 579536DEST_PATH_IMAGE001
个信号引入的附加相位。在调频广播信号所涉及频带范围内，由于载频差异不大，可以认为目标反射时，对各个信号引入的附加相位近似相等，即
Figure 273823DEST_PATH_IMAGE033
。
直达波信号：直达波信号是指不通过目标反射，直接由无源雷达接收天线所接收到的来自发射台的信号，可以表示为
Figure 863067DEST_PATH_IMAGE034
其中，
Figure 846067DEST_PATH_IMAGE013
为信号由发射塔传输到接收站的时间延迟，设发射塔到接收天线的距离为，则
Figure 727752DEST_PATH_IMAGE036
；
Figure 744688DEST_PATH_IMAGE037
为直达波信号间的发射天线空间相位差，为接收天线相对于发射天线阵的俯仰角。
本发明公开了一种基于多电台信号的无源雷达相参处理方法，其具体包含以下步骤：
步骤一、对雷达主通道接收到的目标回波信号进行下变频和低通滤波等处理，提取出各个电台的目标回波基带信号，同时，对雷达辅助通道接收到的多个电台直达波信号进行下变频和低通滤波等处理，提取出各个电台的直达波基带信号；
步骤二、对步骤一处理得到的各个电台目标回波信号进行滤波，抑制掉其中的干扰信号；
步骤三、对步骤二处理后的目标回波信号进行相关处理，及匹配滤波，得到匹配输出信号；
步骤四、对匹配输出信号进行相位补偿后，进行相参合成，然后送入检测器进行目标检测等后续处理。
步骤一、对雷达主通道接收到的目标回波信号和辅助通道接收到的直达波信号进行下变频和低通滤波等处理，提取出多个基带信号，具体方法与普通无源雷达提取基带信号的方法类似（见文献：Bongioanni, C., Colone, F., Lombardo, P., Performance analysis of a multi-frequency FM based passive bistatic radar[C]. 2008 IEEE Radar Conference, 26-30, May, 2008, 1-6.）。下面提供一种实施方案供参考：
步骤1、将雷达接收机接收的信号进行带通采样，经数字下变频处理得到数字中频信号。
步骤2、将上述中频信号经数字混频和低通滤波处理得到各个电台信号的基带信号。数字基带信号一般处理过采样的状态，因此还需进行抽取操作，以降低数据率。
步骤二、对步骤一处理得到的各个电台目标回波信号进行滤波，抑制掉其中的干扰信号，主要是直达波干扰。具体方法可参考普通无源雷达的相关技术文献，通常采用空域干扰置零及时域干扰对消技术实现干扰抑制（见文献：朱家兵，陶亮，洪一，基于FM广播照射源的无源雷达直达波干扰抑制，系统仿真学报，Vol.19, No.4, 2007.）。
步骤三、利用直达波信号和步骤二处理后的目标回波信号进行相关处理，即匹配滤波，得到匹配输出信号。
第
Figure 882725DEST_PATH_IMAGE001
(
Figure 489287DEST_PATH_IMAGE002
)个电台的相关处理的表达式为：
Figure 685913DEST_PATH_IMAGE039
其中，
Figure 112346DEST_PATH_IMAGE040
为第个电台的目标回波基带信号，为第个电台的直达波基带信号，“
Figure 857263DEST_PATH_IMAGE042
”表示共轭操作，为相关处理时域偏移量，
Figure 710611DEST_PATH_IMAGE044
为相关处理多普勒域偏移量，
Figure 249039DEST_PATH_IMAGE045
为相关处理间隔（即积累时间）。
当回波中存在目标时，目标相应的时延和多普勒通道上会出现峰值。即当
Figure 650065DEST_PATH_IMAGE046
，时，
Figure 430119DEST_PATH_IMAGE048
出现极大值。 
相关处理既可按上述的时域方法进行，也可按频域快速处理算法进行（见文献：Zoeller, C.L., Budge, M.C.,Jr., Moody, M.J.,Passive coherent location radar demonstration[J], System Theory, 2002, 358-362.）。但这两种方法均不能直接应用于本系统中，因为要实现各匹配输出信号的相参合成，每个输出所对应的“距离-速度”单元必须一致，但由于载频差异，同一目标不同电台的回波信号具有不同的多普勒频率，因此，各电台信号在进行相关处理时，所采用的多普勒滑动间隔
Figure 873870DEST_PATH_IMAGE049
() 将有所不同。若以第1个电台为参考，有：
Figure 910276DEST_PATH_IMAGE050
。一般来说，这个间隔还不是多普勒分辨间隔的整数倍，这将造成不能通过简单的频域滑动（频移）来实现通道划分。严格的速度通道（即多普勒通道）划分处理，只能通过对直达波或者目标回波的时域多普勒预补偿来实现。这是本发明的技术关键之一。下面提供一种具体实施方案供参考：
步骤1、对电台
Figure 200443DEST_PATH_IMAGE001
(
Figure 815095DEST_PATH_IMAGE002
)的目标回波信号按相应的多普勒滑动间隔
Figure 253030DEST_PATH_IMAGE049
进行多普勒预补偿处理；
步骤2、对每个滑动间隔的多普勒预补偿处理结果进行FFT变换；
步骤3、对电台
Figure 879839DEST_PATH_IMAGE001
的直达波信号进行FFT变换和取共轭处理；
步骤4、将步骤3的输出与步骤2的每个预补偿节点的FFT变换的输出相乘；
步骤5、将步骤4得到的每个预补偿节点相乘之后的输出进行IFFT变换，其结果相当于不同速度通道的距离分布。
上述实施方案的处理流程如图1所示。
步骤四、对步骤三得到的各匹配输出信号进行相位补偿后，进行相参合成，然后送入检测器进行目标检测等后续处理。其中，相位补偿是本发明的另一技术关键，下面进行具体说明。
首先将可能影响各电台信号相参合成的相位因素罗列如下：
（1）发射天线空间相位差导致的相位项
Figure 24512DEST_PATH_IMAGE051
，需根据发射天线阵几何结构和坐标位置进行补偿。
（2）目标反射时引入的附加相位项，在本发明所涉及频带范围内，可以认为目标反射时，对各个信号引入的附加相位近似相等，即
Figure 876DEST_PATH_IMAGE053
。因此，该相位因素可以不考虑。
（3）由接收端混频等处理可能引入的附加相位项
Figure 162867DEST_PATH_IMAGE054
，其中，
Figure 427626DEST_PATH_IMAGE009
和
Figure 711977DEST_PATH_IMAGE010
分别表示目标接收通道和直达波接收通道混频等处理可能引入的附加相位。当各信号通道附加相位不一致时，可采用通道校正的方法进行补偿。
（4）因各电台载频不一致并由目标距离延迟导致的相位项
Figure 796607DEST_PATH_IMAGE055
，它是影响信号相参合成最核心的因素，必须进行有效的补偿。记
Figure 762289DEST_PATH_IMAGE056
，其中，
Figure 881555DEST_PATH_IMAGE015
为第个电台相对于第
Figure 171383DEST_PATH_IMAGE016
个电台的频率间隔，且
Figure 675177DEST_PATH_IMAGE017
。并令
Figure 648949DEST_PATH_IMAGE018
，它是由信号频差决定的多普勒频率差，于是有
Figure 275103DEST_PATH_IMAGE057
，其中，
Figure 334326DEST_PATH_IMAGE011
是直达波传输延迟相位项，由于收发站距离
Figure 641810DEST_PATH_IMAGE058
可事先获得，故该项为确定值并可直接计算得到；而
Figure 735668DEST_PATH_IMAGE014
是因频差并由目标距离延迟导致的相位项，它既是各信号频差
Figure 532723DEST_PATH_IMAGE015
的函数，又是目标距离延迟
Figure 79242DEST_PATH_IMAGE005
的函数，补偿时，应根据不同的通道、按不同的“距离-速度”检测单元进行。
综上，相位补偿的具体实施方法为：根据发射天线的空间相位关系补偿相位项，根据测量得到的接收通道不一致性误差补偿相位项
Figure 887851DEST_PATH_IMAGE054
，根据收发站距离、不同的“距离-速度”检测单元补偿中的
Figure 889622DEST_PATH_IMAGE011
和两项。具体实现时，可事先算出各频道所有应补偿的量，存储为一补偿矩阵，再对各电台二维相关处理输出采用矩阵点乘的方式进行相位补偿。
进行相位补偿后，是N个电台信号的相参合成处理，直接将相位补偿后的N个输出相加即可。
相位补偿和相参合成的具体实施步骤为：
步骤1、计算出每个“距离-速度”检测单元的相位补偿项，可表示为如下表达式：
Figure 607359DEST_PATH_IMAGE060
步骤2、将各电台二维相关处理的输出，按不同的“距离-速度”检测单元进行相位补偿，即乘以上述相位补偿项
Figure 746217DEST_PATH_IMAGE061
；
步骤3、将经过相位补偿处理的N个输出相加，进行相参合成。
整个系统的处理流程如图2所示。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (1)

1.一种基于多电台信号的无源雷达处理方法，其具体包含以下步骤：
步骤一、对雷达主通道接收到的多个电台目标回波信号进行下变频和低通滤波，提取出各个电台的目标回波基带信号；同时，对雷达辅助通道接收到的多个电台直达波信号进行下变频和低通滤波处理，提取出各个电台的直达波基带信号；
步骤二、对步骤一处理得到的各个电台目标回波信号进行干扰抑制滤波，抑制掉其中的干扰信号；
步骤三、对步骤二处理后的目标回波信号进行相关处理，得到匹配输出信号；
步骤四、对匹配输出信号进行相位补偿后，进行相参合成，然后送入检测器进行目标检测；
所述步骤三具体为：
步骤1、对电台 i的目标回波信号按相应的多普勒滑动间隔进行多普勒预补偿处理； 
步骤2、对每个滑动间隔的多普勒预补偿处理结果进行快速傅立叶变换；
步骤3、对电台i的直达波信号进行快速傅立叶变换和取共轭处理；
步骤4、将步骤3的输出与步骤2的输出相乘；
步骤5、将步骤4的输出进行快速傅立叶逆变换；
其中                                               
Figure 2011102088795100001DEST_PATH_IMAGE002
，
Figure 2011102088795100001DEST_PATH_IMAGE004
表示第
Figure 720425DEST_PATH_IMAGE004
个电台；
所述步骤四具体为：
计算出每个“距离-速度”检测单元的相位补偿项，将各电台二维相关处理的输出，按不同的“距离-速度”检测单元进行相位补偿，并将相位补偿处理的N个输出进行相参合成；
所述第
Figure 699882DEST_PATH_IMAGE004
个通道的检测单元
Figure 2011102088795100001DEST_PATH_IMAGE006
的相位补偿项为：
Figure 2011102088795100001DEST_PATH_IMAGE008
其中，
Figure 2011102088795100001DEST_PATH_IMAGE010
为时间延迟量，
Figure 2011102088795100001DEST_PATH_IMAGE012
为速度量；
Figure 2011102088795100001DEST_PATH_IMAGE014
是在目标方向上各发射通道间的空间相位差，
Figure 2011102088795100001DEST_PATH_IMAGE016
直达波信号间的发射天线空间相位差；和
Figure DEST_PATH_IMAGE020
分别表示目标接收通道和直达波接收通道混频处理引入的附加相位；
Figure DEST_PATH_IMAGE022
是直达波传输延迟相位项，
Figure DEST_PATH_IMAGE024
为各个电台的载波频率，
Figure DEST_PATH_IMAGE026
为直达波传输延迟；是因频差并由目标距离延迟导致的相位项，它既是各信号频差的函数，又是目标距离延迟
Figure 352056DEST_PATH_IMAGE010
的函数，且
Figure 809582DEST_PATH_IMAGE030
为第i个电台相对于第1个电台的频率间隔，
Figure DEST_PATH_IMAGE032
为各电台信号间的多普勒频率差。
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数字电视辐射源雷达的相参积累徙动补偿方法;杨金禄等;《电子与信息学报》;20110228;第33卷(第02期);全文 *
杨金禄等.数字电视辐射源雷达的相参积累徙动补偿方法.《电子与信息学报》.2011,第33卷(第02期),

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