CN102707271B - 一种利用cmmb信号探测目标的系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用CMMB信号探测目标的系统及其方法，包括依次连接的接收天线、包含信号模拟接收组件的模拟机箱、包含信号采集处理组件的CPCI机箱、包含信号存储组件的至少一个盘阵机箱、交换机以及进行信号处理的信号处理机。模拟接收采用二次混频、固定中频方案；数据采集采用中频带通采样和数字下变频方案；数据存储采用高速磁盘阵列；信号处理机完成信号重构、通道校正、直达波抑制、数字波束形成、互模糊函数、峰值检测、恒虚警检测和定位跟踪等运算，最后输出目标距离、速度和方位信息。本发明具有如下优点：无需频率分配，无电磁污染；信号具有随机性，抗截获能力强；信号带宽大，距离分辨率高；研制和维护成本低，机动性强。

Description

一种利用CMMB信号探测目标的系统及其方法

技术领域

本发明涉及无源雷达技术领域，尤其是涉及一种利用CMMB信号探测目标的系统及其方法。

背景技术

无源雷达本身不发射电磁信号，它利用目标辐射或广播、电视和通信等外辐射源实现目标探测和跟踪。其中利用外辐射源的无源雷达采用相干处理技术，即在接收系统中至少设置2个通道：监测通道和参考通道，分别用来接收目标回波信号和参考信号，然后计算其互模糊函数得到距离多普勒谱，从而实现对目标的检测和跟踪。

外辐射条件下运动目标探测和定位的研究与应用可追溯到雷达发展的初期，早在1935年英国Arnod Wilkins进行的Davertry试验利用BBC短波无线电发射机的辐射信号，探测到了附近飞行的轰炸机；二战期间德国研制并使用的双基地雷达Klein Heidelberg，利用英国的Chain Home发射机作为照射源，接收机安装在丹麦，利用它对英国本土起飞的盟国飞机进行定位，但其精度有限。

随着科学技术的发展和人们对无源雷达优越性认识的加深，利用外辐射源的无源雷达研究重新唤起了人们极大的兴趣。八十年代初，英国的Griffiths H.D等人利用电视信号对目标进行定位，讨论了电视信号作为外辐射源的可行性，并且对信号检测中的若干问题进行了具体的数值分析，得出了一些有价值的结论；1998年底Lockheed Martin公司花费大约15年时间，研制出了多基地无源雷达系统“沉默哨兵”，该系统利用商业调频电台和电视台的连续波信号来实现目标的探测、定位和跟踪，实验证明该系统可在125～136英里的距离上观测到散射面积为10平方米的目标；华盛顿大学John D.Sahr等人研制的Manastash Ridge无源系统利用100MHz的FM广播作照射源，探测高空大气层的等离子体，该系统采用两个接收站，距离分辨力为1km以内。

近年来随着数字广播（数字调幅广播DRM、数字音频广播DAB、数字电视广播DVB-T）在欧洲的普及，国外已经开始研究利用数字广播信号的无源雷达，德国FHR研制出了基于DAB和DVB-T信号的无源探测系统CORA。我国数字广播起步较晚，近年来也相继研究出了具有自主知识产权的数字广播标准，如中国移动多媒体广播CMMB和数字电视地面广播DTMB等。其中中国移动多媒体广播（CMMB，GY/T 220.1-2006）已进入商用阶段，截止到2010年底，CMMB信号已实现全国320个主要城市地面覆盖，这为利用CMMB信号探测目标提供了信号基础。万显荣和岑博的论文（基于CMMB的外辐射源雷达信号模糊函数分析与处理，电子与信息学报，2011，Vol.33No.10）证实了利用CMMB信号探测目标具有独特的优势。

发明内容

本发明提出了一种利用CMMB信号探测目标的系统和方法，为利用外辐射源的无源雷达提供了一种符合国情的解决方案。

为达到上述目的，本发明主要是通过下述技术方案得以解决的：

一种利用CMMB信号探测目标的系统，其特征在于，包括依次连接的接收天线、包含信号模拟接收组件的模拟机箱、包含信号采集处理组件的CPCI机箱、包含信号存储组件的至少一个盘阵机箱、交换机以及进行信号处理的信号处理机。

在上述的一种利用CMMB信号探测目标的系统，所述信号模拟接收组件包括与所述接收天线连接的多通道模拟接收前端以及一个超高稳低相噪晶振。

在上述的一种利用CMMB信号探测目标的系统，所述信号采集处理组件包括一个同时与上述多通道模拟接收前端和超高稳低相噪晶振连接的多通道数据采集板卡、分别与所述多通道数据采集板卡连接的光纤接口信号处理板卡和CPCI主机板卡；所述CPCI主机板卡通过上述交换机与信号处理机连接。

在上述的一种利用CMMB信号探测目标的系统，所述盘阵机箱包括与上述光纤接口信号处理板卡连接的PCI-E光纤接口卡以及与PCI-E光纤接口卡连接的磁盘阵列；所述磁盘阵列通过上述交换机与信号处理机连接。

一种利用CMMB信号探测目标的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，由多通道模拟接收前端通过接收天线接收多通道接收信号，并将多通道接收信号进行混频、放大滤波；

步骤2，超高稳低相噪晶振输出固定赫兹时钟，为多通道数据采集板卡提供采样时钟；多通道数据采集板卡接收完成步骤1的混频、放大滤波后多通道接收信号，并将其进行中频采样、数字下变频后变为多通道基带I/Q信号；并将该多通道基带I/Q信号依次通过光纤接口信号处理板卡、PCI-E光纤接口卡、磁盘阵列以及交换机传输给信号处理机进行信号处理；

步骤3，信号处理机选择步骤2中的多通道基带I/Q信号中的一个通道基带I/Q信号，并利用该通道基带I/Q信号完成信号重构，并将该完成的重构信号作为参考信号；

步骤4，信号处理机对步骤2中的多通道基带I/Q信号的直达波抑制执行下述选择步骤：

选择步骤1：若使用空域直达波抑制，则信号处理机对步骤2中的多通道基带I/Q信号进行通道相位校正，并将通道相位校正后的多通道基带I/Q信号进行空域直达波抑制，并利用数字波束形成合成监测信号后，执行步骤5；

选择步骤2：若使用时域直达波抑制，则信号处理机对步骤2中的多通道基带I/Q信号进行通道相位校正，并将通道相位校正后的多通道基带I/Q信号结合步骤3中的参考信号进行时域直达波抑制后，最后利用数字波束形成合成监测信号后，执行步骤5；

步骤5，信号处理机计算步骤4中的监测信号和步骤3中的参考信号互模糊函数得到距离多普勒谱；

步骤6，信号处理机对步骤5中的距离多普勒谱进行峰值检测，检测出距离多普勒谱中的所有峰值，并对所有峰值进行恒虚警检测，去除虚假目标得到需要跟踪的目标；

步骤7，信号处理机对步骤6中的目标进行定位跟踪并输出目标信息。

在上述的一种利用CMMB信号探测目标的方法，所述信号重构包括以下步骤：

步骤1，利用同步符号对上述需要重构的基带I/Q信号进行粗同步；

步骤2，对步骤1中粗同步后的基带I/Q信号进行频偏估计，包括小数倍频偏估计和整数倍频偏估计；

步骤3，利用步骤2中得到的频偏估计值补偿基带I/Q信号，并利用同步符号完成精同步；

步骤4，利用步骤3中得到的同步起点取出OFDM符号有效数据部分，并进行FFT变换得到频域信号；

步骤5，利用步骤4中的连续导频和离散导频通过插值算法完成信道估计；

步骤6，利用步骤5中的信道估计值均衡步骤4中的频域信号，并通过解星座映射、解比特交织、LDPC解码、解字节交织、RS解码完成信道解码，得到比特流；

步骤7，对步骤6中的比特流通过RS编码、字节交织、LDPC编码、比特交织、星座映射完成信道编码，并通过OFDM调制生成参考信号。

在上述的一种利用CMMB信号探测目标的方法，所述选择步骤1中，空域直达波抑制和数字波束形成同时完成，包括以下步骤：

步骤1，取出经通道相位校正后的多通道基带I/Q信号中OFDM符号有效数据部分，并进行FFT变换到频域；

步骤2，对步骤1中的频域OFDM符号每个子载波进行MVDR波束形成；

步骤3，将步骤2中的波束形成结果进行IFFT变换到时域，得到经空域直达波抑制和数字波束形成的监测信号。

在上述的一种利用CMMB信号探测目标的方法，所述选择步骤2中，时域直达波抑制包括以下步骤：

步骤1，利用重构获得的参考信号S_ref(n)构造矩阵X＝[S_ref(n)S_ref(n-1)…S_ref(n-K)],其中S_ref(n)为N×1的向量，K为直达波最大延迟点数；

步骤2，将每个通道基带I/Q信号S_surv(n)投影到与X正交的子空间，即(I_N-X(X^HX)^-1X^H)S_surv(n)，其中S_surv(n)为N×1的向量，I_N为N×N的单位矩阵，得到经时域直达波抑制的信号。

在上述的一种利用CMMB信号探测目标的方法，所述互模糊函数运算基于OFDM符号分段相关，同一距离元作FFT完成。

因此，本发明具有如下优点：1.无需频率分配，无电磁污染；2.信号具有随机性，抗截获能力强；3.信号带宽大，距离分辨率高；4.探测性能不受广播节目内容影响；5.利用多个发射站的目标测量信息可以提高目标检测性能和定位精度；6.研制和维护成本低，机动性强。

附图说明

图1为本发明的结构原理示意图。

图2为本发明模拟接收前端实施方案的结构原理示意图。

图3为本发明多通道数据采集板卡实施方案的结构原理示意图。

图4为本发明光纤接口信号处理板卡实施方案的结构原理示意图。

图5为本发明方法实施方案的流程图。

图6为本发明方法中直达波抑制和数字波束形成实施方案流程图。

图7为本发明实施例直达波抑制前的双基地距离多普勒谱。

图8为本发明实施例直达波抑制和数字波束形成后的双基地距离多普勒谱。

图9为本发明实施例目标轨迹图。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

参见图1，本发明的系统包括接收天线、模拟机箱、CPCI机箱、盘阵机箱1、盘阵机箱2、交换机、信号处理机。

本实施例中，接收天线采用16元微带阵子天线组成的均匀线阵，阵元间距为0.2m；天线单元为垂直极化，658MHz频点H面3dB波束宽度约为124.9度，E面3dB波束宽度约为71.6度。

本实施例中，模拟机箱包括多通道模拟接收前端和超高稳低相噪晶振，其中超高稳低相噪晶振输出80MHz时钟，为多通道数据采集板卡提供采样时钟。

图2是模拟接收前端的一种实施方案。该模拟接收前端采用二次混频、固定中频方案，降低了设计难度；在混频前加入高增益的低噪声放大器LNA，降低了接收机内部噪声；在LNA之后混频器之前加入固定衰减器和数控衰减器，防止混频器产生非线性失真；最终输出60MHz固定中频。

本实施例中，CPCI机箱包括3块多通道数据采集板卡、1块光纤接口信号处理板卡和1块CPCI主机板卡。其中CPCI主机板卡通过CPCI总线控制多通道数据采集板卡启动或停止采样。

图3是多通道数据采集板卡的一种实施方案。其中FPGA内部数字下变频DDC模块包括数控振荡器NCO、乘法器、FIR抽取滤波器，其均由Altera公司提供的IP核完成；上述NCO输出20MHz的正弦和余弦信号，将中频信号混到基带；上述FIR抽取滤波器采用两级FIR抽取滤波，第一级通带截止频率为4MHz，阻带截止频率为10MHz，抽取4倍，第二级通带截止频率为4MHz，阻带截止频率为5MHz，抽取2倍。

图4是光纤接口信号处理板卡的一种实施方案。其中DSP选用ADI公司的TS201，该芯片通过链路口接收多通道数据采集板卡传输的18通道数据。首先DSP1接收通道1～5的数据，DSP2接收通道7～11的数据，DSP3接收通道6和13～15的数据，DSP接收通道7和16～18的数据，然后FPGA对接收的数据按2MB的单位打包，并给数据包添上通道号和数据包计数号，最后将打包后的数据通过光纤接口发送至PCI-E光纤接口卡。

本实施例中，盘阵机箱包括PCI-E光纤接口卡和磁盘阵列。其中PCI-E光纤接口卡使用Xilinx公司的Virtex5 FPGA，通过PCIE IP核与盘阵主机通讯，同时采用DDR2 SDRAM作为数据缓存；磁盘阵列存储容量为16TB，连续记录速度达750MB/s，峰值速度达800MB/s。盘阵机箱的工作流程是：光纤接口信号处理板卡通过光纤传输数据至PCI-E光纤接口卡DDR2内存，盘阵主机启动DMA读取并保存至磁盘阵列。

本实施例中，信号处理机是整个系统的控制和处理核心。它通过局域网控制CPCI机箱启动或停止采样，控制盘阵机箱记录数据；通过网络映射访问磁盘阵列中的数据并处理获得目标的信息。

图5为本发明方法的一个具体实施例。

本实施例中，接收信号经放大滤波、二次混频变为60MHz的固定中频后采用80MHz频率带通采样，然后经数字下变频输出采样率为10MHz的I/Q基带信号。

本实施例中，信号重构选用通道1的基带信号完成，采用万显荣和岑博提出的方法（中国移动多媒体广播外辐射源雷达参考信号获取方法研究，电子与信息学报，2012，V34(2)，pp.338-343）。首先利用同步符号完成粗同步，然后进行频偏估计，经频偏补偿后利用同步符号完成精同步；再利用连续导频和离散导频完成信道估计；经信道均衡后通过解星座映射、解比特交织、LDPC解码、解字节交织、RS解码完成信道解码；经解码的比特流通过RS编码、字节交织、LDPC编码、比特交织、星座映射完成信道编码；最后通过OFDM调制生成参考信号。

本实施例中，通道校正利用通道失配信息补偿，其通道失配信息通过辅助信号源获得。将辅助信号源置于天线阵前方足够远的开阔场地发射单频信号（658MHz），再测量各接收通道的输出，根据已知信号源的方位扣除阵列空间位置引起的相位差，即可得到通道失配信息。

图6是直达波抑制和数字波束形成的一种实施方案，基于空域分载波处理来抑制直达波。首先取出经通道相位校正后的多通道基带I/Q信号中OFDM符号有效数据部分，并进行FFT变换到频域；然后对频域OFDM符号每个子载波进行MVDR波束形成；最后将波束形成结果进行IFFT变换到时域，得到经空域直达波抑制和数字波束形成的监测信号。其抑制原理可参考Poullin Dominique的论文（Passive detection using digitalbroadcasters（DAB,DVB）with COFDM modulation.IEE Proc.Radar,Sonarand Navig.,2005,152(3):143-152）。

本实施例中，互模糊函数运算基于OFDM符号分段相关，同一距离元作FFT完成，避免了CMMB信号结构中的信标、循环前缀和保护间隔产生的副峰；累积时间为53个OFDM符号（25ms），速度分辨率为9m/s。

本实施例中，峰值检测采用距离多普勒二维遍历峰值，找出所有疑似目标。

本实施例中，恒虚警检测采用有序统计CFAR，其根据恒定的虚警率自适应的调整检测门限，若峰值大于检测门限则判断为目标。其中恒虚警率为2E-5，距离元维保护单元个数为1，多普勒维保护单元个数为2，距离维和多普勒维参考样本半长度均为10。

本发明实施例的效果可通过探测飞机的外场实验进一步说明：

图7是直达波抑制前的双基地距离多普勒谱。可见多径很严重，强直达波使基底抬高淹没了目标。

图8是直达波抑制和数字波束形成后的双基地距离多普勒谱。可见经直达波抑制和数字波束形成后基底降低，目标凸显出来，可探测到双基地距离80多公里的目标。

图9是目标轨迹图。连续处理1分钟数据，将获得的目标参数信息输出在距离多普勒谱图上。可见由于CMMB单频网布置，一个目标可能对应不同的发射站产生不同的双基地距离和多普勒，通过跟踪算法可以有效的解决。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (5)

1.一种利用CMMB信号探测目标的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，由多通道模拟接收前端通过接收天线接收多通道接收信号，并将多通道接收信号进行混频、放大滤波；

步骤2，超高稳低相噪晶振输出固定赫兹时钟，为多通道数据采集板卡提供采样时钟；多通道数据采集板卡接收完成步骤1的混频、放大滤波后多通道接收信号，并将其进行中频采样、数字下变频后变为多通道基带I/Q信号；并将该多通道基带I/Q信号依次通过光纤接口信号处理板卡、PCI-E光纤接口卡、磁盘阵列以及交换机传输给信号处理机进行信号处理；

步骤3，信号处理机选择步骤2中的多通道基带I/Q信号中的一个通道基带I/Q信号，并利用该通道基带I/Q信号完成信号重构，并将该完成的重构信号作为参考信号；

步骤4，信号处理机对步骤2中的多通道基带I/Q信号的直达波抑制执行下述选择步骤：

选择步骤1：若使用空域直达波抑制，则信号处理机对步骤2中的多通道基带I/Q信号进行通道相位校正，并将通道相位校正后的多通道基带I/Q信号进行空域直达波抑制，并利用数字波束形成合成监测信号后，执行步骤5；

选择步骤2：若使用时域直达波抑制，则信号处理机对步骤2中的多通道基带I/Q信号进行通道相位校正，并将通道相位校正后的多通道基带I/Q信号结合步骤3中的参考信号进行时域直达波抑制后，最后利用数字波束形成合成监测信号后，执行步骤5；

步骤5，信号处理机计算步骤4中的监测信号和步骤3中的参考信号互模糊函数得到距离多普勒谱；

步骤6，信号处理机对步骤5中的距离多普勒谱进行峰值检测，检测出距离多普勒谱中的所有峰值，并对所有峰值进行恒虚警检测，去除虚假目标得到需要跟踪的目标；

步骤7，信号处理机对步骤6中的目标进行定位跟踪并输出目标信息。

2.根据权利要求1所述的一种利用CMMB信号探测目标的方法，其特征在于，所述信号重构包括以下步骤：

步骤1，利用同步符号对上述需要重构的基带I/Q信号进行粗同步；

步骤2，对步骤1中粗同步后的基带I/Q信号进行频偏估计，包括小数倍频偏估计和整数倍频偏估计；

步骤3，利用步骤2中得到的频偏估计值补偿基带I/Q信号，并利用同步符号完成精同步；

步骤4，利用步骤3中得到的同步起点取出OFDM符号有效数据部分，并进行FFT变换得到频域信号；

步骤5，利用连续导频和离散导频通过插值算法完成信道估计；

步骤6，利用步骤5中的信道估计值均衡步骤4中的频域信号，并通过解星座映射、解比特交织、LDPC解码、解字节交织、RS解码完成信道解码，得到比特流；

步骤7，对步骤6中的比特流通过RS编码、字节交织、LDPC编码、比特交织、星座映射完成信道编码，并通过OFDM调制生成参考信号。

3.根据权利要求2所述的一种利用CMMB信号探测目标的方法，其特征在于，所述选择步骤1中，空域直达波抑制和数字波束形成同时完成，包括以下步骤：

步骤1，取出经通道相位校正后的多通道基带I/Q信号中OFDM符号有效数据部分，并进行FFT变换到频域；

步骤2，对步骤1中的频域OFDM符号每个子载波进行MVDR波束形成；

步骤3，将步骤2中的波束形成结果进行IFFT变换到时域，得到经空域直达波抑制和数字波束形成的监测信号。

4.根据权利要求2所述的一种利用CMMB信号探测目标的方法，其特征在于，所述选择步骤2中，时域直达波抑制包括以下步骤：

步骤1，利用重构获得的参考信号S_ref(n)构造矩阵X=[S_ref(n)S_ref(n-1)…S_ref(n-K)],其中S_ref(n)为N×1的向量，K为直达波最大延迟点数；

步骤2，将每个通道基带I/Q信号S_surv(n)投影到与X正交的子空间，即(I_N-X(X^HX)^-1X^H)S_surv(n)，其中S_surv(n)为N×1的向量，I_N为N×N的单位矩阵，得到经时域直达波抑制的信号。

5.根据权利要求2所述的一种利用CMMB信号探测目标的方法，其特征在于，所述互模糊函数运算基于OFDM符号分段相关，同一距离元作FFT完成。

Images