CN103698759A - 一种基于单频网的外辐射源雷达系统及其信号处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于单频网的外辐射源雷达系统及其信号处理方法。系统所利用的多个照射源同时同频发射相同信号，即工作于单频网体制；多个发射站与一个或多个接收站组成MISO（多发一收）或MIMO（多发多收）探测系统，MIMO系统设置有融合中心，其与各接收站间通过通信链路进行通信和数据传输，并对各接收站处理结果进行融合，整个系统工作于同一频率，各发射站形式相同，各接收站形式相同；所述信号处理方法采用一站式空域处理和单频网解模糊方法。本发明在不干扰广播的情况下利用了现有广播单频网，克服了单频网所带来的严重杂波和单频网模糊问题，使单频网探测在频率功率节约、硬件节约、探测稳定性和跟踪连续性方面的优势得以发挥。

Description

一种基于单频网的外辐射源雷达系统及其信号处理方法

技术领域

本发明涉及外辐射源雷达技术领域，尤其涉及一种利用单频网数字广播电视照射源探测目标的系统和方法，具体为一种基于单频网的外辐射源雷达系统及其信号处理方法。

背景技术

外辐射源雷达（又称无源雷达）是一种既古老又新兴的雷达体制，其核心特点是无需自配发射源，而是利用第三方发射的电磁信号探测目标，故具有低成本、隐蔽性好、抗干扰能力强、电磁兼容性好等诸多优势。早在1935年，英国ArnodWilkins进行的Davertry试验正是利用第三方辐射信号（BBC短波无线电广播信号）探测到了附近飞行的轰炸机，但由于诸多方面的原因，外辐射源雷达的发展历经了数次起伏。伴随着数字化水平的提高以及人们对外辐射雷达优越性认识的加深，上世纪90年代以来外辐射源雷达体制的优势和可行性逐步得到多所高校和科研机构的验证，外辐射源雷达的发展进入了一个崭新阶段。在万显荣的论文（基于低频段数字广播电视信号的外辐射源雷达发展现状与趋势，雷达学报，2012，Vol.1，No.2，pp.1-15）中对外辐射源雷达的发展现状与趋势有详细阐述。

目前较为成熟的外辐射源雷达系统主要是基于单发单收的双基地几何架构，接收站同时收集照射源的直达波信号（称参考信号）和目标散射信号（称监测信号），两者匹配处理实现目标检测，然后通过跟踪获取目标状态信息。但双基地架构存在着分辨率强烈依赖于几何位置以及目标散射截面受目标姿态影响大等问题，从而导致该几何架构在探测稳定性和跟踪连续性上表现出不足。为提高目标检测概率和探测稳定性，一个新的研究方向是考虑采用多发多收（或多发射接收对）的分布式探测体制。

非合作辐射源信号的选择是外辐射源雷达研究最为基础的问题，外部辐射源的特性决定了该型雷达的体系构架、处理方案及探测性能。无线电频率是重要的战略资源，随着我国市场经济和国防建设的快速发展，无线电频率资源的供需矛盾日益突出。单频网技术（Single Frequency Network，缩写SFN）即在预期覆盖区域内布置多个小功率发射台，同时以同一频率播出相同的节目，彻底改变了传统广播网络通过一部大功率发射机以实现远距离覆盖的思想，从而实现了频率和功率的节约，中国CMMB/DTMB/CDR、欧洲DAB/DVB-T、日本ISDB-T等数字广播电视标准均采用了该项新技术。此外，它还结合先进的信道传输（如OFDM）和信道纠错编码(如LDPC)等技术大大提高了广播系统的传输效率和可靠性。需要补充说明的是，与单频网相对的概念就是传统的多频网，早期的广播电视均采用模拟照射源，各发射站通过频率区分而避免互扰，故称之为多频网覆盖体制。多频网中，为了实现对一定区域的有效覆盖，频率和功率资源是一对矛盾体，而单频网技术则有效调和了这一对矛盾。

经调研探索发现，单频网技术在用于广播通信的同时亦可为雷达探测服务。利用已有的发射单频网易组建多收发对探测网络，契合提高探测性能的发展需求，同时单频网作为今后广播通信中大范围推广的一项基本技术，发展单频网外辐射源雷达将极富应用前景和实用价值。然而单频网分布式外辐射源雷达在享有诸多优势的同时，也因单频网的引入带来一系列常规外辐射源雷达中不曾遇到或虽遇到却无此突出的新问题。这些核心问题主要体现在：1）单频网中各站同频发射相同连续波信号，所有站的直达波、多径杂波及地物杂波等均汇集于接收通道，比单站的杂波更为严重，影响目标检测；2）同样，各站照射到目标所产生的目标散射回波均被接收，相关检测后形成多个量测，各量测与发射站的对应关系先验未知，导致目标定位模糊，称之为单频网模糊问题。

发明内容

针对背景技术存在的问题，本发明提出了一种利用单频网实现目标探测的系统及其信号处理方法，为外辐射源雷达提供了一种新的解决方案。

为达到上述目的，本发明的技术方案是：

一种基于单频网的外辐射源雷达系统，包括两个以上的发射站、一个或者两个以上的接收站；两个以上的发射站基于单频网组网体制；两个以上的发射站与一个接收站组成MISO多发一收探测系统；两个以上的发射站与两个以上的接收站组成MIMO多发多收探测系统；发射站辐射电磁信号作用于感兴趣的目标，目标散射信号由接收站接收后进行处理；

所述单频网是指网内各发射站同频同步发射相同信号；单频网中的发射站包括已经存在的第三方辐射源或者根据需要而自备的辐射源中的一种；整个系统工作于同一频率，各发射站形式相同，各接收站形式相同。

两个以上的发射站与两个以上的接收站组成MIMO多发多收探测系统时，还设置有一个融合中心；融合中心与各接收站间通过通信链路进行通信和数据传输，并对各接收站处理结果进行融合。

所述接收站对接收到的信息进行通道校准后，采用一站式空域处理方法抑制掉监测通道中的直达波、多径杂波及地物杂波，检测目标信号，并估计目标信号的双基距离、多普勒频率和到达角信息；然后利用单频网解模糊获得目标回波与发射站的对应关系，从而综合多站信息改善目标定位和跟踪精度，完成目标跟踪。

所述融合中心对接收站获得的目标跟踪信息进行单频网解模糊和航迹融合处理，之后再进行显控和态势评估。

所述一站式空域处理方法包括以下步骤，

步骤1）估计阵列协方差矩阵，并进行空域投影；

步骤2）将投影后信号与参考信号进行二维互相关得距离多普勒谱，数字波束形成后进行恒虚警检测，估计双基距离和多普勒频率；

步骤3）对所检测出的距离多普勒单元上的疑似目标，利用投影后信号做空间谱估计得到达角信息。

所述单频网解模糊是利用一种基于降维处理思想的关联假设判决法解决单频网模糊问题；单频网模糊问题是指因各个发射站信号相同而使得各发射站照射得到的目标散射回波无法在接收端直接区分，从而导致检测所得量测与发射站间的关联产生模糊；

单频网解模糊具体包括以下步骤：

步骤1）输入量测信息；

降维处理的实现和关联假设的构造基于单频网解模糊条件的探讨，二维情况下采用三组量测与三组发射接收对关联形成关联假设，三维情况下采用三组或四组量测与三组或四组发射接收对关联形成关联假设；

步骤2）将各量测转换到直角坐标，根据彼此是否临近进行关联假设预选；

步骤3）依据参数估计方程和结果构造χ²检验统计量对预选通过的关联假设进行判决；

步骤4）以“同一量测只能源自一个目标和一个发射接收对”为约束对步骤3）中所接受的关联假设进行信息整合得二次量测；

步骤5）输出二次量测；

二次量测可用于跟踪起始阶段的航迹头形成、起始关联，亦可用于跟踪保持阶段。

与现有技术相比，本发明除具备常规外辐射源雷达的低成本、隐蔽性好、抗干扰能力强、电磁兼容性好等一般优势外，还结合单频网的特性呈现出新特点：

1）在不干扰广播的情况下利用了现有广播单频网，大幅扩展了雷达在低频段（HF/VHF/UHF）的工作频带，同时依靠广播信号良好的低空覆盖而具有低空目标探测优势；

2）多发多收系统工作于同一频率，硬件设备大大简化，同时发射设备成本低，可自备可扩充，组网灵活；

3）利用一站式空域处理、单频网解模糊等一系列措施和信号处理方法，克服了单频网所带来的严重杂波和单频网模糊问题，使组网探测在探测稳定性和跟踪连续性方面的优势得以发挥。

附图说明

图1为本发明系统框图。

图2为本发明系统流程图。

图3为本发明方法中一站式空域处理实施方案流程图。

图4为本发明方法中单频网解模糊实施方案流程图。

图5为本发明实施例中一站式空域处理前监测信号的距离多普勒谱。

图6为本发明实施例中一站式空域处理后监测信号的距离多普勒谱。

图7为本发明实施例中单频网解模糊前的目标跟踪轨迹图。

图8为本发明实施例中单频网解模糊后的目标跟踪轨迹图。

具体实施方式

下面以具体实施例结合附图对本发明作进一步说明。

参见图1，本发明包括M个发射站（构成单频网）、N个接收站、融合中心、通信链路。M个发射站构成单频网，同时同频发射相同信号；N个接收站分布式布置，独立接收信号，单个接收站与M个发射站可独立构成MISO系统；当N大于1时，另设一融合中心，融合中心与各接收站间通过通信链路进行通信和数据传输。系统工作时，M个发射站辐射电磁信号作用于感兴趣的目标，目标对电磁波形成散射，散射电磁波经不同路径到达各个接收站，接收站与融合中心共同完成信号和数据处理。

图2是系统流程图。每个接收站都独立进行一站式空域处理、单频网解模糊及目标跟踪处理；各接收站将检测和参数估计结果、单频网解模糊及目标跟踪处理结果上传到融合中心；融合中心进一步对各个接收站的上传数据进行单频网解模糊和航迹融合处理，所得结果用于显控和态势评估，并将结果下传至各个接收站，各接收站综合融合中心的下传结果可改善其处理结果。

本实施例中，单频网发射站选取武汉地区的CMMB广播单频网，中心频率658MHz，带宽8MHz，其中包括至少10个发射站；接收采用单接收站，从而构成MISO模式。该模式下无需融合中心和通信链路。

图3是一站式空域处理方法的实施流程图。称其为一站式空域处理是因为在该方法中，监测通道中直达波、多径杂波、地物杂波的抑制和目标回波的到达角估计均基于空域信息。为此，一站式空域处理将常规的自适应波束形成方法拆分为两步。常规自适应波束形成可表示为

Z(t)＝W^HX(t)    （1）

其中，X(t)为阵列接收信号向量，W为自适应权向量。

由于W可表示为

其中α为归一化常量，a(θ₀)为期望信号导向矢量，R_X为阵列接收信号协方差矩阵。故一站式空域处理将（1）式拆分为两步：空域投影和波束形成。

空域投影即为

$Y\left(t\right)=R_X^{-1}X\left(t\right)---\left(2\right)$

波束形成为

Z(t)＝α^*a^H(θ₀)Y(t)    （3）

空域投影后，处理分两支进行，一分支用于信号检测，包括二维互相关、数字波束形成、恒虚警检测、双基距离和多普勒频率估计；另一分支用于到达角估计。信号经空域投影后再进行到达角估计的有效性与单频网中所采用的OFDM调制紧密相关。

本实施例中，空域投影分载波进行，分载波空域处理的原理及性能可参考易建新和万显荣的论文（Subcarrier-based processing for clutter rejection in CP-OFDMsignal-based passive radar using SFN configuration[J].Journal of Radars,2013,2(1):1-13）；到达角估计采用MUSIC（多重信号分类）算法，并进行空域平滑处理，估计时信号子空间维数取为2，取空间谱的最大峰对应的角度为目标到达角。

图4给出了单频网解模糊的实施流程图。所提关联假设判决法主要包括三个步骤，即关联假设预选、关联假设判决和关联假设整合。输入端为监测所得的量测信息，输出为二次量测，二次量测中包含有目标的状态和获得该状态所用到的量测及发射接收对。

从所有量测中选取若干组量测和发射接收对，并假设一种一一对应关系，即构造了一组关联假设。关联假设判决法作为一种降维处理方法，其特点是在构造关联假设时无需用到所有发射接收对。一般地，对于二维情况，采用三组量测与三组发射接收对关联形成三元组关联假设；三维情况下，若量测中的到达角包括方位角和仰角，则可采用三组（或四组）量测与三组（或四组）发射接收对关联形成三元组（或四元组）关联假设，若量测中只包括方位角，那么必须采用四组或以上量测与相应组发射接收对关联形成关联假设。尽管如此，由此构造的关联假设仍数量众多，须有一种方法快速筛选出可能性大的关联假设，这是关联假设预选所做的工作。

关联假设预选包括如下几个步骤：

1）穷尽所有单组量测与单组发射接收对关联的一元组，对每一种一元组，将量测从量测坐标系变换到直角坐标系；

2）在直角坐标系，采用门限判决（门限较宽）判定两个一元组是否临近，从彼此临近的一元组集合中选取所需的若干组构造关联假设即完成预选。

本实施例中，考虑三维情况，且量测中包括方位角和仰角，选取三元组构造关联假设，预选判决门限为800m。

关联假设判决是比关联假设预选更为精细的关联判决步骤。与关联假设预选阶段采用一元组得到目标状态信息不同，关联假设判决阶段采用关联假设中的全部关联信息得到目标状态的估计，并利用此估计构造检验统计量。

不失一般性，以本实施例中所考虑的情况为例，设量测为z⁽ⁿ⁾，n＝1,2,3，z⁽ⁿ⁾包括双基距离

双基速度（多普勒频率可转化为双基速度）

方位角

和仰角θ⁽ⁿ⁾。根据关联假设中量测与发射接收对的对应关系，可得三组量测方程，即

$\left\{\begin{array}{c}{z}^{\left(1\right)}=h_1\left(x\right)+w_1\\ z^{\left(2\right)}=h_2\left(x\right)+w_2\\ z^{\left(3\right)}=h_3\left(x\right)+w_3\end{array}\right.---\left(4\right)$

其中，x为目标状态，w_n，n＝1,2,3为量测噪声，假设相互独立并服从高斯分布，h_n(x)，n＝1,2,3为量测函数。

为此，利用三组双基距离和仰角信息估计目标位置

估计方法可选用最大似然法或最小二乘法。得目标位置估计后，代入双基速度量测方程即可得目标速度矢量估计

目标位置和速度构成目标状态

将目标状态估计代入量测函数可得目标状态估计所对应的量测估计，根据实际量测值与量测估计的残差所满足的统计关系可构造检验统计量。具体地，对于本实施例，所构造的检验统计量为

其中，分别为双基距离、仰角、方位角的残差矢量，Cov(r_b)和Cov(θ)分别为双基距离和仰角量测的协方差矩阵，

为方位角残差矢量的协方差矩阵，其中

为方位角量测的协方差矩阵，

为方位角量测的雅克比矩阵，1＝[1,1,1]^T。该检验统计量服从自由度为6的χ²分布。根据χ²分布的性质，检验门限可由所设定的关联概率求得。实际关联判决时，首先计算出检验统计量，若统计量小于检验门限，则接受该关联假设，否则直接拒绝该关联假设。

上述检验统计量的构造方法同样适用于二维情况下的三元组关联假设以及三维情况下的四元组关联假设或更高元组关联假设。

本实施例中，所选关联概率为0.95，对应检验门限为12.5916。

经关联假设判决后，绝大部分错误关联假设被剔除、正确关联假设被保留。然而，此时可能出现的一个情况是：多个关联假设实际上对应的是同一个目标，若不加处理而进入后续跟踪，会导致同一个目标出现多条类似航迹，增加了跟踪的复杂性且不利于信息解译。为此，专门引入关联假设整合步骤用于解决冗余关联假设问题。关联假设整合的依据即为“同一量测只能源自一个目标和一个发射接收对”，将所估计状态一致且关联关系不矛盾的关联假设整合在一起，并用整合后的量测和发射接收对对应关系提高状态估计精度。

此外，关联假设整合还具备进一步剔除虚假量测的潜力。其原理在于：当某一量测与某一目标和发射接收对以很高概率相关联后，对于其他关联假设中出现该量测的可以被剔除。

本发明实施例的效果可通过空中目标探测的外场实验进一步说明。

图5是一站式空域处理前监测信号的距离多普勒谱。其明显特征是零多普勒位置存在多处强杂波，源于单频网的贡献。杂波强度强，其旁瓣淹没了非零多普勒位置的目标。

图6是一站式空域处理后监测信号的距离多普勒谱。可见零多普勒位置的杂波干扰得到有效抑制，目标突显于基底之上。目标峰较为集中，部分目标峰是由单频网中多发射站照射而导致。

若不进行单频网解模糊处理，而任意选定发射站，将会导致众多的多径虚假航迹，图7给出了该组实测数据未经解模糊处理的结果，可见航迹数量众多且杂乱，与ADS-B所记录的参考航迹不相符。

图8是经单频网解模糊后所得的目标航迹，可见实测航迹与参考航迹一致，验证了本发明所提系统和方法的有效性。同时，对比图7和图8，可以看到综合单频网照射信息的航迹更为连续，证实了单频网外辐射源雷达在探测稳定性和跟踪连续性上的优势。

Claims (6)

1.一种基于单频网的外辐射源雷达系统，其特征在于：包括两个以上的发射站、一个或者两个及以上的接收站；两个以上的发射站基于单频网组网体制；两个以上的发射站与一个接收站组成MISO多发一收探测系统；两个及以上的发射站与两个以上的接收站组成MIMO多发多收探测系统；发射站辐射电磁信号作用于感兴趣的目标，目标散射信号由接收站接收后进行处理；

所述单频网是指网内各发射站同频同步发射相同信号；单频网中的发射站包括已经存在的第三方辐射源或者根据需要而自备的辐射源中的一种；整个系统工作于同一频率，各发射站形式相同，各接收站形式相同。

2.根据权利要求1所述的一种基于单频网的外辐射源雷达系统，其特征在于：两个以上的发射站与两个以上的接收站组成MIMO多发多收探测系统时，还设置有一个融合中心；融合中心与各接收站间通过通信链路进行通信和数据传输，并对各接收站处理结果进行融合。

3.一种基于权利要求1或2所述的系统进行的信号处理方法，其特征在于：所述接收站对接收到的信息进行通道校准后，采用一站式空域处理方法抑制掉监测通道中的直达波、多径杂波及地物杂波，检测目标信号，并估计目标信号的双基距离、多普勒频率和到达角信息；然后利用单频网解模糊获得目标回波与发射站的对应关系，从而综合多站信息改善目标定位和跟踪精度，完成目标跟踪。

4.一种基于权利要求2所述的系统进行的信号处理方法，其特征在于：所述融合中心对接收站获得的目标跟踪信息进行单频网解模糊和航迹融合处理，之后再进行显控和态势评估。

5.根据权利要求3所述的信号处理方法，其特征在于：所述一站式空域处理方法包括以下步骤，

步骤1）估计阵列协方差矩阵，并进行空域投影；

步骤2）将投影后信号与参考信号进行二维互相关得距离多普勒谱，数字波束形成后进行恒虚警检测，估计双基距离和多普勒频率；

步骤3）对所检测出的距离多普勒单元上的疑似目标，利用投影后信号做空间谱估计得到达角信息。

6.根据权利要求3所述的信号处理方法，其特征在于：所述单频网解模糊是利用一种基于降维处理思想的关联假设判决法解决单频网模糊问题；单频网模糊问题是指因各个发射站信号相同而使得各发射站照射得到的目标散射回波无法在接收端直接区分，从而导致检测所得量测与发射站间的关联产生模糊；单频网解模糊具体包括以下步骤：

步骤1）输入量测信息；

降维处理的实现和关联假设的构造基于单频网解模糊条件的探讨，二维情况下采用三组量测与三组发射接收对关联形成关联假设，三维情况下采用三组或四组量测与三组或四组发射接收对关联形成关联假设；

步骤2）将各量测转换到直角坐标，根据彼此是否临近进行关联假设预选；

步骤3）依据参数估计方程和结果构造χ²检验统计量对预选通过的关联假设进行判决；

步骤4）以“同一量测只能源自一个目标和一个发射接收对”为约束对步骤3）中所接受的关联假设进行信息整合得二次量测；

步骤5）输出二次量测；

二次量测可用于跟踪起始阶段的航迹头形成、起始关联，亦可用于跟踪保持阶段。

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