CN102761512B - 基于单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单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。本发明不仅能够有效的抑制时间维副峰，而且在破坏各帧帧头相关性时，只改变了帧头的相位信息，而保留了各段帧头的幅度信息，不会导致因为处理前后能量变化而引起的频率维副峰，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

基于单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单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，可以选择国标单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。帧头部分在整个数据传输过程中会周期性的重复出现，并且各帧的帧头使用相同的PN序列，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，采用参考信号与回波信号进行在二维相关计算后，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，会造成假目标，严重影响了目标检测时的正确性。

发明内容

有鉴于此，本发明针对国标单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单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。

该方案为：在外辐射源雷达系统接收站对直接接收自发射站的单载波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。

其中，所述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的步骤具体包括：

步骤一：从接收到的作为参考信号的单载波数字电视信号中截获一段设定长度L的数据，该设定长度L大于或等于L₀+L₁，L₀为采样后的单载波数字电视信号一个信号帧的长度，L₁为采样后的单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：用与已知的帧头序列与截获的所述设定长度的数据进行互相关，找出相关峰位置M，M为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。

其中，较佳地，当单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：

步骤二采用的所述帧头序列是先产生PN帧头序列，再对这个PN帧头序列进行4QAM调制、对调制后的帧头进行插值和下抽取后产生的频率为基带采样率F₁的帧头序列；

所述步骤三中，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，则从第二个数据组开始，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长度为L₁的数据序列，采用已知的帧头序列分别与获取的5个数据序列进行点积运算，将得到5个点积结果中的最大值对应的数据序列的起始点作为新的偏移位置，更新偏移位置M，并且根据更新后的偏移位置M从数据组中提取帧头信息和系统信息。

较佳地，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，在不影响整体信号能量的情况下，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。

同时，本发明没有改变帧头信息的幅度，只是改变了帧头部分的相位信息，不会因处理前后的能量差导致频率维副峰的产生。

(2)本发明采用数字电视信号的帧长对参考信号进行分组处理，根据第一个数据组通过相关计算得到了帧头在数据组中的偏移位置，但是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，且确定方式是采用部分数据与帧头进行点积计算，从而大大减小了峰值搜索运算量，以达到实时处理的要求。

(3)本发明采用乒乓操作存储数据组，从而边进行帧头搜索边提取下一个数据组，从而节省了很多处理时间。

附图说明

图1：外辐射源雷达系统示意图；

图2：国标单载波数字电视信号帧结构；

图3：未进行幅峰抑制时的参考信号自相关结果；

图4：未进行幅峰抑制时的参考信号与回波信号互相关时的时间维副峰位置；

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6：参考信号与PN序列相关时各位置的对应关系；

图7：参考信号处理前后比较示意；

图8：第二帧开始的帧头位置搜索；

图9：参考信号乒乓操作；

图10：幅峰抑制后的参考信号自相关；

图11：幅峰抑制后的参考信号与回波信号互相关时的时间维副峰位置。

图12为本发明流程图。

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单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：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，在不影响整体信号能量的情况下，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。

下面举两个实施例，对本发明进行详细描述，两个实施例中均以去除PN595序列帧头引起的时间维副峰为例进行说明。

实施例一

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PN595序列为帧头的信号帧数据长度为4375(帧头部分595+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4375。

本实施例中用到的国标单载波数字电视信号帧头使用了PN595序列，故PN序列即帧头的长度应为595，系统信息的长度为36，则经采样后的PN595序列长度L₁和系统信息长度L₂之和为595+36＝631。

在此基础上，本发明的具体实现步骤如下：

步骤一：从接收到的作为参考信号的数字电视信号中截获一段长度为L(＝L₀+L₁+L₂＝4375+631)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，该帧同步信号之后会以4375为周期重复出现，将参考信号按照每4375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需要大于或等于采样后一个信号帧长度，因为如果帧头在信息帧的尾部则需要附加一段数据以进行相关运算，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。

步骤二：用已知的帧头序列与截获的所述设定长度的数据进行互相关，找出相关峰位置M，M为帧头在数据组中的偏移位置。

本步骤中，待处理的参考信号存入RAM中可以与ROM中已存储的PN595序列进行互相关，具体为，如图6所示，采用一个长度为595的窗口，以1为步长，在RAM中存储的截获数据上滑动，针对每一个滑动位置，采用PN595序列与窗口中的数据进行点积运算，最后得到4375个点积运算结果，取其最大值就即相关峰对应的滑动位置的起始值作为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。

本步骤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631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PN595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

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＝9MHz。

在信道编码后以PN595序列为帧头的信息帧数据长度为4375(帧头部分595+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9MHz，则经过采集后的帧数据长度L₀应为4375*9/7.56＝5208.33，由于在FPGA中定点无法表示小于1的个数，现对5208.33四舍五入为整数，暂设定9MHz基带采样率下的帧数据长度为5028。未经过PN帧头去相关的参考信号做自相关，可以发现每相距5208点，就会有一个相关峰出现，该相关峰是各帧信号PN帧头的相关性引起的。从图3可以看出，零频的主峰与最高的副峰相差了约9dB。如图4所示，将参考信号与回波信号做互相关，时延范围5200～5220，频率范围-1000～1000，从图中可以看到副峰的出现，左右两侧是频率维副峰，距主峰约691个频率点。

本实施例中用到的国标单载波数字电视信号帧头使用了PN595序列，由于基带采样率为9MHz，故PN序列的长度应为595*9/7.56＝708.33，现四舍五入取整后设定采样后PN序列长度L₁为708，采样后PN序列和系统信息的总长度则为L₁+L₂＝(595+36)*9/7.56＝751.19，现暂设定为751。

在此基础上，本发明的具体实现步骤如下：

步骤一：从接收到的作为参考信号的数字电视信号中，截获一段长度为(5208+751)的一段参考信号，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，该帧同步信号之后会以5208为周期重复出现，将参考信号按照每5208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。如图5描述了截获一段参考信号并为后续信号加入帧同步脉冲信号。

步骤二：存入RAM中的数据与ROM中已存储的PN序列进行互相关运算，找到相关峰位置M即为帧头在数据组中的偏移位置。

其中，ROM中存储的PN序列并不是PN595序列本身，而是根据F₁构建出的一段序列，其构建方式是先产生PN595帧头序列，然后对这个序列进行4QAM调制(国标单载波数字电视信号的帧头采用4QAM调制)，对调制后帧头进行50插值(即将采样频率提高到378MHz)，最后对插值后的数据进行42倍的下抽取产生9MHz采样频率下的帧头数据序列，存储到ROM中。

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。

需要说明的是，步骤二中的操作是基于数字电视信号帧头按5208点周期性出现的，而在之前的介绍中提到，本实施例中由于大部分接收系统并不是同步采集的，在9MHz的基带采样率下，导致采集的一帧信号数据并不是整数点，而是每帧长度为5208.33，如果设5208点为一帧的长度，则在实际的处理中，每3帧就会让帧头位置错开一个点，所得到的帧头相对偏移位置就和帧同步脉冲信号没有上述的周期性固定关系，故在实时处理过程中，若始终按照每5208点确定帧头的位置，就会导致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。

基于上述讨论，在本实施例中，对每两个帧同步信号之间的数据组进行帧头查找和相位修改时，均需要对每一数据组都进行一次帧头重新确认，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。于是便提出了实时处理中帧头重新确认的方案。

该帧头重新确认的方案为：

仍然以5208为一帧的帧长度，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0.33，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，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，需要对偏移位置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708的数据序列，采用已知的帧头序列分别与获取的5个数据序列进行点积运算，将5个点积运算结果中的最大值对应的数据序列的起始点在当前数据组中的偏移作为新的偏移位置，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。

在上述实施例中，基带采样率是9MHz，刚好使得采样前的信号帧长度L₀₁乘以F₁再除以F₀计算结果为小数，即4375*9/7.56＝5208.33，需要进行四舍五入取整。在实际中，基带采样率还可以是其他数值，如果采样前的信号帧长度L₀₁乘以F₁再除以F₀的计算结果刚好是一个整数，则没有必要进行上述M的确认操作了。

为了加快处理速度，可以按照5208的长度，对参考信号进行截取，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。

对完成上述帧头去相关处理后的参考信号进行自相关，可以发现副峰降低了很多，从图10能够发现，零频的主峰与最高的副峰相差了约18dB。将PN帧头去相关处理后的参考信号和其相对的回波信号进行互相关，时延范围5200～5220，频率范围-1000～1000，如图11可以看出，副峰被抑制了。

以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施实例而已，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 (2)

1.一种基于国标单载波数字电视信号的外辐射源雷达的时间维副峰抑制方法，其特征在于，在外辐射源雷达系统接收站对直接接收自发射站的单载波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,从而达到在不影响整体信号质量的情况下对副峰进行抑制；

其具体步骤为:

步骤一：从接收到的作为参考信号的单载波数字电视信号中截获一段设定长度L的数据，该设定长度L大于或等于L₀+L₁，L₀为采样后的单载波数字电视信号一个信号帧的长度，L₁为采样后的单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：用与已知的帧头序列与截获的所述设定长度的数据进行互相关，找出相关峰位置M，M为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；

特别的,当单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：

步骤二采用的所述帧头序列是先产生PN帧头序列，再对这个PN帧头序列进行4QAM调制、对调制后的帧头进行插值和下抽取后产生的频率为基带采样率F₁的帧头序列；

所述步骤三中，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，则从第二个数据组开始，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长度为L₁的数据序列，采用已知的帧头序列分别与获取的5个数据序列进行点积运算，将得到5个点积结果中的最大值对应的数据序列的起始点作为新的偏移位置，更新偏移位置M，并且根据更新后的偏移位置M从数据组中提取帧头信息和系统信息。

2.根据权利要求1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。