CN102707267A - 基于多载波数字电视信号外辐射源雷达的副峰抑制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于国标多载波数字电视信号的外辐射源雷达检测中的时间维副峰抑制方法，属于外辐射源雷达信号处理领域。在外辐射源雷达系统接收站对直接接收自发射站的数字电视信号即参考信号与目标回波信号进行相参积累处理之前，找到参考信号中每一信号帧的帧头信息和系统信息，并随机改变帧头信息和系统信息中各数据位的相位，同时对帧头进行加权处理。本发明能够有效的抑制时间维副峰及由于帧头与帧体幅度不同引起频率维副峰，提高了基于国标单载波数字电视信号外辐射源雷达的检测正确性。

Description

基于多载波数字电视信号外辐射源雷达的副峰抑制方法

技术领域

本发明涉及基于国标多载波数字电视信号的外辐射源雷达检测中的时间维副峰抑制方法，属于外辐射源雷达信号处理领域。

背景技术

外辐射源雷达本身不发射信号，其利用地面广播电台、电视台、通信台站、直播电视卫星、导航与定位卫星、各种平台上的有源雷达等非合作的辐射信号经目标散射后的回波来获取目标信息。

如图1所示，非合作辐射源发射电磁信号，外辐射源雷达系统接收站采用两副接收天线，一副接收天线指向发射站专门用来接收直达波作为参考信号，一副天线指向目标用来接收目标的回波信号，通过对参考信号与回波信号进行二维相关处理（即相参积累处理）可以实现对目标的时延和多普勒频移进行联合估计。对互模糊函数计算获得的时延-频移二维平面进行峰值搜索，可以确定目标的时延和多普勒频移。设参考信号为x(t)，目标回波信号为y(t)，目标的差分时延为τ，目标的差分频移为f，窄带信号的二维相关可以表示为

$A(\mathrm{\τ},f)={\∫}_0^{T}y\left(t\right)x^{*}(t+\mathrm{\τ})\exp (-j2\mathrm{\πft})\mathrm{dt}---\left(1\right)$

其中，T为相参积累时间。相关运算的结果是τ和f的函数，该算法实质是将参考信号延时τ、频率偏移f后与目标回波相比较，在时延-频率平面上搜索相关峰值的过程，最高的峰值处就是目标出现的位置。

数字电视信号的带宽较宽，在检测中能够有较高的距离分辨率，可以选择国标多载波数字电视信号作为上述的辐射信号。数字电视信号是一种周期性的帧结构信号，如图2、3所示，数字电视信号是一种有四层结构的复帧信号，其基本单元为信号帧，信号帧由帧头和帧体两部分组成。

对于多载波数字电视信号，其帧头包含420个符号，其是采用PN255序列构造的，如图4所示，长度为420个符号的帧头信号（PN420），由一个前同步序列、一个PN255序列和一个后同步序列构成。在不同的信号帧中PN序列由线性反馈移位寄存器(LFSR)循环移位产生，因此各帧帧头具有很强的相关性。前同步长度为82个符号，后同步长度为83个符号，前同步序列是从PN255序列尾部取连续的82个符号放到PN255序列前面构成的，同理，后同步序列是从PN255序列首部取连续的83个符号放到PN255序列后面构成的，因此帧头信号的前165个字符与后165个字符是相同的，前同步和后同步可以看做是PN255序列的循环扩展。此外，从幅度上来看，帧头信号的平均功率是帧体信号的平均功率2倍。

由于帧头部分在整个数据传输过程中会周期性的重复出现，因此以上所述信号帧结构可知：

（1）不同信号帧的帧头具有重复的部分，在采用参考信号与回波信号进行相参积累的处理后，会按照帧长度在时间维周期性出现相关峰，目标点在时间维周期性的出现副峰，造成假目标，严重影响了目标检测时的正确性。

（2）由于前同步与后同步序列相近，所以前同步与后同步相关后也会形成副峰，影响目标检测时的正确性。

（3）由于帧头信号的平均功率是帧体信号的平均功率2倍，相关处理后在频率上也会形成同期性副峰。

发明内容

有鉴于此，本发明针对国标多载波数字电视信号的帧结构会引起时间维副峰的问题，提出了一种基于国标多载波数字电视信号的外辐射源雷达检测中的时间维副峰抑制方法，能够提高外辐射源雷达目标检测时的正确性。

该方案具体如下：

外辐射源雷达系统接收站将直接接收自发射站的多载波数字电视信号作为参考信号，在将所述参考信号与目标回波信号进行相参积累处理之前，执行如下时间维副峰抑制操作：

其中，查找帧头位置的方式为：

步骤一：从参考信号中截获一段设定长度L的数据序列P_L，该设定长度L大于或等于L₀+L₁，L₀为采样后多载波数字电视信号一个信号帧的长度，L₁为采样后多载波数字电视信号中帧头部分的长度；同时，以截获位置为起始点，为所有接收到的参考信号按照信号帧长度L₀进行分组，每组数据称为一个数据组；

步骤二：计算帧头在数据组中的偏移位置M；具体为：

①以1为步进量，在步骤一截获的所述数据序列P_L中，依次选取帧头长度L₁的数据段；

②根据国标多载波数字电视信号中帧头结构特点，针对每一个所述数据段，将首部和尾部进行点积运算；其中，所述首部和所述尾部的长度均为采样后前同步序列与后同步序列的长度之和；

③从前L₀个数据段的点积运算结果中找到最大值，将最大值对应的数据段l的起始在数据序列P_L中的位置记为M，M就是帧头在数据组中的偏移位置；

步骤三：根据帧头在数据组中的偏移位置M，从每个数据组中搜索帧头信息和系统信息，并随机改变帧头信息和系统信息中各数据的相位，对帧头部分进行加权处理使帧头与帧体部分幅度一致。

优选地，当多载波数字电视信号的有效带宽F₀与接收站的基带采样率F₁不同时，且如果采样前的信号帧长度乘以F₁再除以F₀的计算结果为小数，则在所述步骤三中，从第二个数据组开始，在从数据组中提取帧头信息和系统信息之前，需要对偏移位置M进行确认；

所述确认过程为：

分别以M、M-1、M+1、M-2、M+2为起始点，从同一数据组中获取帧头长度L₁的数据段，针对5个数据段中的每一个均将该数据段的首部和尾部进行点积运算，找到5个点积运算结果中的最大值对应的数据段k；该数据段k的起始在当前数据组中的偏移量作为新的偏移位置，更新偏移位置M，并且根据更新后的偏移位置M从当前数据组中提取帧头信息和系统信息。

优选地，按照乒乓操作的方式将分组得到的数据组交替存入两片RAM中，当对乒RAM中的数据进行帧头搜索及改变相位处理时，乓RAM存储下一数据组的数据。

发明的有益效果表现在：

（1）本发明利用了相位不同的数据进行相关处理时不会出现相关峰的特点，通过对帧头信息和系统信息中各数据位相位的随机改变，破坏各帧帧头之间的相关性，实现参考信号中帧头及系统信号与回波信号中帧头和系统信息的去相关处理，达到了对基于国标单载波数字电视信号外辐射源雷达时间维副峰抑制，消除了相参积累时因帧结构而引起的假目标，提高了目标检测的正确性。

（2）在获取偏移位置M时，只对帧头首部和尾部进行点积运算，极大地降低了运算量。

（3）本发明对帧头进行加权处理使帧头部分信号幅度与帧体部分信号幅度相同，消除帧头与帧体部分因能量差而在相参积累时引起频率维副峰。

（4）考虑到大部分接收系统并不是同步采集，即基带采样率与信号带宽的不同，因此帧长的选取时会涉及到取整操作，从而产生误差积累，一段时间后确定出帧头位置与实际信号中的帧头位置有较大的偏差。为了避免这个偏差，且尽量减小数据计算量，本发明从第二个数据组开始，每一帧都重新确定帧头在数据组中的偏移，且确定方式是进行5次点积，从而大大减小了峰值搜索运算量，以达到实时处理的要求。

附图说明

图1：外辐射源雷达系统示意图；

图2：国标多载波数字电视信号复帧的四层结构

图3：国标多载波数字电视信号帧结构；

图4：国标多载波数字电视信号帧头结构；

图5：截获一段参考信号并为后续信号加入帧同步脉冲信号；

图6：从参考信号中提取的数据段与参考信号的对应关系；

图7：参考信号处理前后比较示意；

图8：10MHz采样频率时第二个数据组开始的帧头位置搜索；

图9：10MHz采样频率时参考信号乒乓操作；

图10：帧头去相关处理前的三维平面；

图11：帧头去相关处理前的时延维情况；

图12：帧头去相关处理前的频率维情况；

图13：帧头去相关处理后的三维平面；

图14：帧头去相关处理后的时延维情况；

图15：帧头去相关处理后的频率维情况。

图16：本发明的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明技术方案进行进一步解释。

本发明提供了一种采用国标多载波数字电视信号实现外辐射源雷达检测的时间维副峰抑制方法，其方法的核心思想是：外辐射源雷达系统接收站将直接接收自发射站的多载波数字电视信号作为参考信号，在将所述参考信号与目标回波信号进行相参积累处理之前，找到参考信号中每一数据帧的帧头信息和系统信息，并随机改变帧头信息和系统信息中各数据位的相位。

可见，本发明利用了相位不同的数据进行相关处理时不会出现相关峰的特点，通过对帧头信息和系统信息中各数据位相位的随机改变，破坏各帧帧头之间的相关性，实现参考信号中帧头及系统信号与回波信号中帧头和系统信息的去相关处理，达到了对基于国标单载波数字电视信号外辐射源雷达时间维副峰抑制，消除了因为相参积累时因帧结构而引起的假目标，提高了目标检测的正确性。

进一步地，考虑到帧头信号的平均功率是帧体信号的平均功率2倍，因此在后续处理之前，且在改变相位之后，进一步将帧头信息的幅度降低为与帧体信号幅度相同，从而消除帧头与帧体部分因能量差而在相参积累时引起频率维副峰。这里的幅度降低操作可以采用对幅度加权处理的方式实现，就是对帧头部分幅度乘以

在上述方案中，如何从数据帧中检测出帧头的位置是一个关键点，本发明提供了一种帧头检测方法，其运算量不大，且检测准确。该帧头检测方法的基本思想是：根据背景技术分析的PN420定义，国标多载波数字电视信号的帧头中前165个符号与后165个符号相同，因此在载波数字电视信号中提取帧头长度的数据段，选取帧头部分从起始计算的165点和从结尾计算的165点做点积，然后以1为步长滑动数据段的获取位置，可以得到多个点积结果，则最大值的地方就是帧头位置。

下面举三个实施例，对本发明进行详细描述，三个实施例中均以去除PN420序列帧头引起的时间维副峰为例进行说明。

本实施例中，数字电视信号的有效带宽F₀与接收站的基带采样率F₁相同，均为7.56MHz。

在信道编码后以PN420序列为帧头的信息帧数据长度为4200（帧头部分420+系统信息36+有效数据段3744），本实施例中使用的接收处理系统基带采样率为7.56MHz，则经过采集后的数据帧长度L₀仍为4200。

本实施例中用到的国标多载波数字电视信号帧头使用了PN420序列，其帧头长度应为420，帧头的三个组成部分的长度分别为：前同步序列长度为82，中间的PN255序列长度为255，后同步序列长度为83；系统信息的长度应为36，则采样后PN420序列L₁长度和采样后系统信息L₂长度的总和为L₁+L₂=420+36=456。

在此基础上，本发明的具体实现步骤如下：

步骤一：从参考信号中截获一段长度为L（=L₀+L₁+L₂=4200+456）的数据，为了便于后续处理，将其存入RAM中作为待处理数据，同时记录下截获数据的开始位置S；

同时，以开始位置S为起始点，为后续数据加入一个帧同步脉冲信号，如图5所示，该帧同步信号之后会以4200为周期重复出现，将参考信号按照每4200点为一组进行标识，每组数据称为一个数据组，方便后续处理。

本步骤中，从数字电视信号中截取的数据长度L需要大于或等于数据帧长度，因为如果帧头在数据帧的尾部则需要附加一段数据以进行点积运算，这里将附加数据的长度定为帧头+系统信息的长度，在实际中也可以更长或者更短，但是至少增加一个帧头的长度，即至少L=L₀+L₁。

步骤二：计算帧头在数据组中的偏移量M；具体包括如下子步骤：

①如图6所示，以1为步进量，在步骤一截获的长度为4200+456的数据序列P_L中，依次选取帧头长度420的数据段，共截取4200个数据段。

②根据国标多载波数字电视信号中帧头结构特点，针对每一个数据段，将首部和尾部进行点积运算；其中，首部长度为82+83，尾部的长度为83+82。

③从4200个点积运算结果中找到最大值对应的数据段l，将该数据段l的起始在数据序列P_L中的位置记为M，M就是帧头在数据组中的偏移位置。

步骤三：根据帧头在数据组中的偏移位置M，从每个数据组中搜索帧头信息和系统信息，并随机改变帧头信息和系统信息中各数据的相位。并对帧头进行加权处理使帧头部分信号幅度与帧体部分信号幅度相同，消除帧头与帧体部分因能量差而在相参积累时引起频率维副峰。

本步骤三是一个去相关的处理，即是以每次帧同步脉冲信号为起始，计数至相对偏移位置M后，开始对参考信号的每一位进行改变相位操作，当改变相位操作个数达到456个点后，即针对帧头信息和系统信息中的每一位都修改了其相位，则停止修改相位的操作，将参考信号切换回实际信号，该操作在每次帧同步脉冲信号来临后都需要进行，这样就完成了PN420序列的时间维副峰抑制。

其中，改变相位操作是针对每一位都随机修改，修改相位是常规技术手段，其是通过数据乘以一个随机相位实现。

图7示出了去相关前后参考信号的变化，由于本步骤的处理，各帧的帧头部分已经不具有相关性，则在相参积累时不会出现时间维副峰。

实施例二

由于在很多情况下，信号接收机选择的基带采样率并不是7.56MHz，这样，就没有对数字电视信号进行同步采集。由于在空间传播过程中信号是以模拟的形式传播的，使用不同的基带采样率进行非同步采集时，会出现采集后的信号帧长度与同步采集时的帧长度不同，那么实施例二和三分别在9MHz和10MHz的基带采样率情况下进行讨论，分析了当出现帧长度是整数和非整数两种情况下的处理方式。

本实施例二中，数字电视信号的有效带宽F₀与接收站的基带采样率F₁不同，F₀=7.56MHz，F₁=9MHz。

本实施例中信号的有效带宽为7.56MHz，在信道编码后一帧的数据长度为4200（帧头部分420+系统信息36+有效数据段3744），接收处理系统采用基带采样率为9MHz，则经过采集后的信号帧数据长度L₀应为4200*9/7.56=5000，刚好为整数。

本实施例中用到的数字电视信号帧头使用了PN420序列，由于基带采样率为9MHz，故采样后PN序列的长度L₁应为420*9/7.56=500；采样后PN序列和系统信息的总长度则为（420+36）*9/7.56=542.86，现四舍五入取整为543。同理，前同步长度为82*9/7.56=97.62,现四舍五入取整为98。后同步长度为83*9/7.56=98.81，现四舍五入取整为99。PN255序列的长度为255*9/7.56=303.57，现四舍五入取整为304。

在此基础上，本发明的具体实现步骤如下：

步骤一：取出长度为5500的一段参考信号存入RAM中作为待处理数据，同时记录下采集的开始位置，并为后续数据加入一个帧同步脉冲信号，该帧同步信号之后会以5000为周期重复出现，将参考信号按照每5000点为一组进行标识，每组数据称为一个数据组，方便后续处理。

步骤二：从RAM存储的待处理的参考信号中，以1为步长，依次取出固定长度为501（=98+304+99）点的数据段，并记录该数据段相对于帧同步脉冲信号的位置。针对每个数据段，用该数据段的前197点（包括前同步98个符号和PN255的前99个符号）与从初始起间隔304点位置开始的197点（PN255的后98个符号和后同步99个符号）进行点积计算；遍历RAM内的所有点，输出5000个相关峰，找寻最大点积结果。该最大点积结果对应的数据段的起始相对于帧同步脉冲信号的位置就是帧头在数据组中的偏移位置M。

步骤三：根据帧头在数据组中的偏移位置M，从每个数据组中搜索帧头信息和系统信息，并随机改变帧头信息和系统信息中各数据的相位。并对帧头进行加权处理使帧头部分信号幅度与帧体部分信号幅度相同。

比较实施例一和实施例二可见，如果出现非同步采集，但采样前的信息帧长度乘以基带采样率再除以信号有效带宽得到的计算结果为整数，则不需要特别处理，整个去副峰的过程与同步采集相同。

实施例三

本实施例中，数字电视信号的有效带宽F₀与接收站的基带采样率F₁不同，F₀=7.56MHz，F₁=10MHz。该采样率会导致划分的数据组不是整数点，需要进行特殊处理。

本实施例中在信道编码后一帧的数据长度为4200（帧头部分420+系统信息36+有效数据段3744），则采样10MHz进行基带采集后的信息帧数据长度应为4200*10/7.56=5555.56，现四舍五入取整为5556。

本步骤中仍然用到PN420序列数字电视信号帧头，由于基带采样率为10MHz，故PN序列的长度应为420*10/7.56=555.56，现暂设定PN序列长度为556，PN序列和系统信息的总长度则为（420+36）*10/7.56=603.17，现暂设定为603。前同步长度为82*10/7.56=108.47,现暂定为109。后同步长度为83*10/7.56=109.78，现暂定为110。PN255序列的长度为255*10/7.56=337.30，现暂定为337。

本实施例的步骤一和步骤二参考实施例一和二的操作，只是参数值有所不同。但是在进行步骤三的操作时，由于数据组的长度是经过四舍五入处理的，将5555.56近似为5556，从第二个数组开始，之后的每一帧数据帧头位置较之前一帧数据帧头位置会发生偏移，因此从第二个数据组开始，在进行帧头查找和相位修改之前，需要对偏移位置M进行修正。但是如果按照上面介绍的方法进行一次完整的帧头搜索，就无法达到实时处理。于是便提出了本发明的帧头重新确认方案。

该帧头重新确认的方案为：

仍然以5556为数据组长度，在完成一次完整的帧头起始位置寻找操作后，即可以确定本次截获的一帧数据的帧头出现位置，由于分组偏差只有0.56，之后的一帧数据帧头位置较之前一帧数据帧头位置左右不会偏出超过1个点，那么在实际处理时，一旦确定了前一帧的帧头位置，后一帧就不需要对整个序列进行峰值的搜索，只需要按前一帧得到的位置，左右各找寻1个点即可，为提高查询的准确性，可以在其左右各找寻2个点，即共查询5个点就可以找到该帧的精确的帧头位置。

因此，该方案是，从第二个数据组开始，根据M从数据组中提取帧头信息和系统信息之前，对偏移位置M进行确认，所述确认过程为：如图8所示，分别以M、M-1、M+1、M-2、M+2为起始点，从同一数据组中获取长度为556（=109+337+110）的数据段，将每个数据段的首部219和尾部219进行点积运算，得到5个点积结果，找到最大点积结果对应的数据段，该数据段的起始在当前数据组中的偏移量作为新的偏移位置，更新偏移位置M，并且根据更新后的偏移位置M从当前数据组中提取帧头信息和系统信息，这样大大减小了从第二数据组开始的峰值搜索运算量，以达到实时处理的要求。

对比三个实施例，可知，当数据组的长度是进行了四舍五入取整得到的，则从第二个数据组开始，在从数据组中提取帧头信息和系统信息之前，需要对偏移位置M进行确认（实施例三）。如果数据组的长度的计算结果为整数，无论是否同步采样则不需要对偏移位置M进行确认（实施例一、实施例二）。

此外，在上述三个实施例中，为了进一步加快处理速度，在按照信息帧长度对参考信号进行截取后，按照乒乓操作的方式将截取的各数据组交替存入两片RAM中，当乒RAM中的数据进行帧头搜索及改变相位处理时，乓RAM存储下一数据组的数据；同理，当乓RAM中的数据进行帧头搜索及改变相位处理时，乒RAM存储下一数据组的数据。回波信号使用FIFO进行缓存，并与处理后的参考信号同步放出，如图9所示。

附图10~15显示了处理前后的效果。处理后的三维图可以看出，在零频附近，时延距离5000左右和10000左右仍然有副峰出现，需要指出的是，该副峰并不是由帧头的相关性引起的，而是有帧体部分的TS包特性导致。

以上所述的具体描述，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于国标多载波数字电视信号的外辐射源雷达检测中的时间维副峰抑制方法，其特征在于，外辐射源雷达系统接收站将直接接收自发射站的多载波数字电视信号作为参考信号，在将所述参考信号与目标回波信号进行相参积累处理之前，执行如下时间维副峰抑制操作：

其中，查找帧头位置的方式为：

步骤一：从参考信号中截获一段设定长度L的数据序列P_L，该设定长度L大于或等于L₀+L₁，L₀为采样后多载波数字电视信号一个信号帧的长度，L₁为采样后多载波数字电视信号中帧头部分的长度；同时，以截获位置为起始点，为所有接收到的参考信号按照信号帧长度L₀进行分组，每组数据称为一个数据组；

步骤二：计算帧头在数据组中的偏移位置M；具体为：

①以1为步进量，在步骤一截获的所述数据序列P_L中，依次选取帧头长度L₁的数据段；

②根据国标多载波数字电视信号中帧头结构特点，针对每一个所述数据段，将首部和尾部进行点积运算；其中，所述首部和所述尾部的长度均为采样后前同步序列与后同步序列的长度之和；

③从前L₀个数据段的点积运算结果中找到最大值，将最大值对应的数据段l的起始在数据序列P_L中的位置记为M，M就是帧头在数据组中的偏移位置；

步骤三：根据帧头在数据组中的偏移位置M，从每个数据组中搜索帧头信息和系统信息，并随机改变帧头信息和系统信息中各数据的相位，对帧头部分进行加权处理使帧头与帧体部分幅度一致。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，当多载波数字电视信号的有效带宽F₀与接收站的基带采样率F₁不同时，且如果采样前的信号帧长度乘以F₁再除以F₀的计算结果为小数，则在所述步骤三中，从第二个数据组开始，在从数据组中提取帧头信息和系统信息之前，需要对偏移位置M进行确认；

所述确认过程为：

分别以M、M-1、M+1、M-2、M+2为起始点，从同一数据组中获取帧头长度L₁的数据段，针对5个数据段中的每一个均将该数据段的首部和尾部进行点积运算，找到5个点积运算结果中的最大值对应的数据段k；该数据段k的起始在当前数据组中的偏移量作为新的偏移位置，更新偏移位置M，并且根据更新后的偏移位置M从当前数据组中提取帧头信息和系统信息。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，按照乒乓操作的方式将分组得到的数据组交替存入两片RAM中，当对乒RAM中的数据进行帧头搜索及改变相位处理时，乓RAM存储下一数据组的数据。

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