CN104931947A - 北斗地基增强和调频广播信号联合目标检测与参数估计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种北斗地基增强和调频广播信号联合目标检测与参数估计方法，方法针对传统基于调频广播信号等机会照射源的外辐射源雷达由于模糊函数非理想的图钉状和干扰剩余导致存在较大虚警和漏警的问题，引入北斗地基增强信号与调频广播信号进行联合探测，通过利用北斗地基进行目标检测，减少漏警和虚警率，然后利于调频广播信号源进行目标参数估计，提高参数估计性能，从而在降低虚警和漏警的同时不会导致目标参数估计精度下降。

Description

北斗地基增强和调频广播信号联合目标检测与参数估计方法

技术领域

本发明属于雷达技术领域，具体涉及一种北斗地基增强和调频广播信号联合目标检测与参数估计方法。

背景技术

随着低空突袭兵器机动性能的提高和隐身技术的广泛采用,以及各种反辐射弹药和电子对抗手段的层出不穷，具有四抗(抗低空与超低空突防、反辐射导弹、隐身飞机以及电子干扰)能力的探测系统将是未来军事装备的重点对象，而传统的单基地有源雷达由于收发置于同一个地方，探测目标过程中需要本身辐射信号，因此很难满足现代战争需要的四抗探测能力要求。而基于机会照射源的外辐射源雷达系统由于发射源泛光辐射可探测低空目标，隐蔽探测可免遭反辐射攻击和电子干扰，低频段和双基地体制可探测隐身目标，组网探测探测弱小目标，是一种典型的具有四抗潜力的低成本探测系统，因此其是未来国内外发展的重点军事装备。

但是传统的外辐射源雷达都是基于单机会照射源，由于外辐射源的照射源信号并不是专门为雷达所设计，因此各种照射源进行单独探测时都存在较大的性能缺陷，主要表现在以下几各方面：

1、基于FM信号等模拟照射源具有发射功率大、探测距离远等优点，但由于获得的基站直达波信号受多径污染导致相消以后存在干扰剩余，同时模拟信号的模糊函数主副瓣比较低，从而小目标可能被大目标和干扰剩余的副瓣掩盖，漏警比较严重，以及干扰副瓣被当作目标检测，产生虚警。

2、数字信号照射源的发射信号稳定，并且具有白噪声信号特性，因此其探测性能稳定，模糊函数主副瓣比较高，漏警相对较少。但是也有其自身的性能缺陷，如数字电视是单频网发射，干扰相对比较严重同时目标-照射源基站配准也相对比较困难；CDMA等移动通信网信号是一种蜂窝结构，同频干扰严重，探测距离短；卫星信号则由于其能量较弱，利用其作为机会照射源目前还处在研究阶段。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种北斗地基增强和调频广播信号联合目标检测与参数估计方法。该方法针对传统基于调频广播信号等机会照射源的外辐射源雷达由于模糊函数非理想的图钉状和干扰剩余导致存在较大虚警和漏警的问题，引入北斗地基增强信号与调频广播信号进行联合探测，通过利用北斗地基进行目标检测，减少漏警和虚警率，然后利于调频广播信号源进行目标参数估计，提高参数估计性能，从而在降低虚警和漏警的同时不会导致目标参数估计精度下降。

技术方案

一种北斗地基增强和调频广播信号联合目标检测与参数估计方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：参考天线接收联合信号R，所述的联合信号R包括辐射源基站发射的调频广播和北斗地基增强；回波天线接收回波信号S，所述的回波信号S包括运动目标反射的调频广播和北斗地基增强联合信号、基站发射的调频广播和北斗地基增强联合信号以及多径信号；

步骤2：将联合信号R分成两路，将其中的一路进行滤波和数字下变频操作得到数字基带的调频广播直达波信号R_fm(n)，将另一路进行滤波和数字下变频操作得到数字基带的北斗地基增强直达波信号R_sa(n)；同样将回波信号S也分两路，将其中的一路进行滤波和数字下变频操作得到数字基带的调频广播回波信号S_fm(n)，将另一路进行滤波和数字下变频操作得到数字基带的北斗地基增强回波信号S_sa(n)；

步骤3：采用LMS算法对数字基带的北斗地基增强回波信号S_sa(n)进行时域干扰相消得到相消以后的回波信号S_rm(n)，将干扰相消以后的回波信号S_rm(n)与北斗地基增强直达波R_fm(n)作距离-多普勒二维相关：

$y_1(f_d,t)=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{S}_{\mathrm{rm}}\left(n\right){R_{\mathrm{fm}}}^{*}(n-r_1)e^{j2\mathrm{\π}{f}_{1}n/N}$

其中f₁表示相关时刻多普勒频移单元，r表示相关时刻时延单元，j表示为-1的平方根；

步骤4：采用恒虚警检测算法对相关以后的信号y₁(f_d,t)进行目标检测得到目标检测结果y_sa(f_sa,r_sa)，其中f_sa和r_sa为仅利用北斗地基增强信号得到的目标检测结果y_sa(f_sa,r_sa)所在的多普勒和距离单元值；

步骤5：采用LMS算法对数字基带的调频广播回波信号S_fm(n)进行时域干扰相消、相消后与R_fm(n)作距离-多普勒二维相关，得到多普勒值f_sa和距离值r_sa附近的相关结果为X_fm(f_sa,r_sa+h)，h＝-H,-H+1,…,H，其中H为需要搜索总的距离单元数；

步骤6：求取X_fm(f_sa,r_sa+h)的最大值X_fm(f_fm,r_fm)：

X_fm(f_fm,r_fm)＝max(X_fm(f_sa,r_sa+h)),h＝-H,-H+1,…,H

其中f_fm和r_fm为X_fm(f_fm,r_fm)所在的多普勒值和距离单元值，从而经过北斗地基增强和调频广播信号联合检测和参数估计以后，得到目标y_sa(f_sa,r_sa)真实多普勒和距离单元值分别为f_fm和r_fm。

有益效果

本发明提出的一种北斗地基增强和调频广播信号联合目标检测与参数估计方法，具有以下有益效果：

(1)可减少目标检测虚警和漏警概率。本发明中针对北斗地基增强信号具有理想的图钉形状，因此利用北斗地基增强信号进行目标检测，可以大幅度减少由干扰副瓣引起的虚警，同时也可以减少弱目标被干扰副瓣掩盖的概率，从而也可以减少漏警。

(2)可提高目标参数估计性能。针对北斗地基增强信号发射带宽和功率较小导致参数估计精度较低的问题，本发明在利用北斗地基增强辐射源探测到目标以后，利用调频广播辐射进行目标参数估计，从而可以充分利用调频广播信号具有较大带宽和功率的优势，提高参数估计性能。

附图说明

图1是本发明的系统框图；

图2是本发明利用北斗地基增强信号获得的距离-多普勒二维相关结果图；

图3是本发明利用北斗地基增强信号获得的恒虚警检测结果图；

图4是本发明利用调频广播信号获得的距离-多普勒二维相关结果图；

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

步骤1：利用参考天线接收辐射源基站发射的调频广播和北斗地基增强联合信号R，回波天线指向运动目标方向接收回波信号S，该回波信号S包括运动目标反射的调频广播和北斗地基增强联合信号、基站发射的调频广播和北斗地基增强联合信号以及多径信号。

步骤2：对参考天线接收的联合信号R分两路分别依次进行滤波和数字下变频操作得到数字基带的调频广播直达波信号R_fm(n)和数字基带的北斗地基增强直达波信号R_sa(n)，同样对回波天线接收的回波信号S也分两路分别依次进行滤波和数字下变频操作得到数字基带的调频广播回波信号S_fm(n)和数字基带的北斗地基增强回波信号S_sa(n)。

步骤3：利用LMS算法对数字基带的北斗地基增强回波信号S_fm(n)进行时域干扰相消得到相消以后的回波信号S_rm(n)，所述的LMS算法按照如下步骤进行：

(3a)初始化迭代时刻n＝1，相消权值w(0)＝0以及加权因子其中一般取为0.1；

(3b)按照如下式子进行n时刻干扰相消：

S_rm(n)＝S_fm(n)-w^H(n-1)S_fm(n)

(3c)分别按照如下两式进行n时刻相消权值w(n)和加权因子μ更新：

w(n)＝w(n-1)+μS_fm(n)S_rm ^*(n)

$\mathrm{\μ}=\tilde{u}/{\left|\right|S_{\mathrm{fm}}\left(n\right)\left|\right|}^2$

其中*表示取共轭；

(3d)判断n否小于N，如果小于则进行迭代时刻更新n＝n+1，然后转入步骤(3b)运行，否则干扰相消迭代结束，其中N表示信号总长度。

步骤4：利用北斗地基增强直达波R_fm(n)与干扰相消以后的剩余信号S_rm(n)按照如下式子作距离-多普勒二维相关：

$y_1(f_d,t)=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{S}_{\mathrm{rm}}\left(n\right){R_{\mathrm{fm}}}^{*}(n-r_1)e^{j2\mathrm{\π}{f}_{1}n/N}$

其中f₁表示相关时刻多普勒频移单元，r表示相关时刻时延单元，j表示为-1的平方根。

步骤5：利用恒虚警检测算法对相关以后的信号y₁(f_d,t)进行目标检测得到目标检测结果y_sa(f_sa,r_sa)，其中f_sa和r_sa为仅利用北斗地基增强信号得到的目标检测结果y_sa(f_sa,r_sa)所在的多普勒和距离单元值。

步骤6：然后按照步骤(3)的LMS算法和步骤(4)的距离-多普勒二维相关算法对数字基带的调频广播回波信号S_fm(n)进行时域干扰相消、距离-多普勒二维相关，得到多普勒值f_sa和距离值r_sa附近的相关结果为X_fm(f_sa,r_sa+h)，h＝-H,-H+1,…,H，其中H为需要搜索总的距离单元数。

步骤7：求得X_fm(f_sa,r_sa+h)的最大值为X_fm(f_fm,r_fm)，也即：

其中f_fm和r_fm为X_fm(f_fm,r_fm)所在的多普勒值和距离单元值，从而经过北斗地基增强和调频广播信号联合检测和参数估计以后，得到目标y_sa(f_sa,r_sa)真实多普勒和距离单元值分别为f_fm和r_fm。

本发明的效果可通过以下仿真结果进一步说明：

仿真条件：

本仿真采用93MHz调频广播基站发射的调频广播信号和北斗地基增强信号作为外辐射源雷达的机会照射源，数据采样率为200kHz，干扰相消算法利用阶数为200的LMS自适应时域干扰相消算法，距离-多普勒两维相关积累中时距离维取100个单元，多普勒维取-1kHz～1kHz。

实验效果：

图2是对北斗地基增强信号作为照射源进行目标探测时获得回波信号进行LMS自适应时域干扰相消和距离-多普勒两维相关积累以后得到距离-多普勒两维图，从图中可以看出整个距离-多普勒图上只有目标回波引起的一个尖峰(如图中箭头所示)，这说明直达波和多径等干扰信号已经得到明显抑制。

图3是对图2中距离-多普勒相关后的数据利用恒虚警算法得到的目标检测结果，从图中可以看出只有目标回波信号被检测了出来，这说明利用北斗地基增强信号探测目标的虚警和漏警都相对较小。

图4是对调频广播信号作为照射源进行目标探测时获得回波信号进行LMS自适应时域干扰相消和距离-多普勒两维相关积累以后得到距离-多普勒两维图，从图中可以看出整个距离-多普勒图上不仅包括目标回波引起的尖峰，还包括了由剩余的直达波和多径干扰引起的尖峰，如果利用调频广播信号检测将会引起较多的虚警。

表1为仿真了不同距离段的4个目标，然后单独利用北斗地基信号进行目标距离参数估计和利用本发明中联合参数估计方法得到结果对比(总共进行了100次蒙特卡洛实验)：

表1距离参数估计精度对比

目标真实距离值/km	1	15	30	100
					单独北斗地基增强信号估计方法/km	2.3	2.2	1.9	2.1
本发明联合检测与参数估计方法距离估计方差/m	0.96	0.85	0.86	0.88

从表1可以看出利用本发明目标距离估计精度可以大大优于单独利用北斗地基增强信号目标距离估计精度。

Claims (1)

1.一种北斗地基增强和调频广播信号联合目标检测与参数估计方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：参考天线接收联合信号R，所述的联合信号R包括辐射源基站发射的调频广播和北斗地基增强；回波天线接收回波信号S，所述的回波信号S包括运动目标反射的调频广播和北斗地基增强联合信号、基站发射的调频广播和北斗地基增强联合信号以及多径信号；

步骤2：将联合信号R分成两路，将其中的一路进行滤波和数字下变频操作得到数字基带的调频广播直达波信号R_fm(n)，将另一路进行滤波和数字下变频操作得到数字基带的北斗地基增强直达波信号R_sa(n)；同样将回波信号S也分两路，将其中的一路进行滤波和数字下变频操作得到数字基带的调频广播回波信号S_fm(n)，将另一路进行滤波和数字下变频操作得到数字基带的北斗地基增强回波信号S_sa(n)；

步骤3：采用LMS算法对数字基带的北斗地基增强回波信号S_sa(n)进行时域干扰相消得到相消以后的回波信号S_rm(n)，将干扰相消以后的回波信号S_rm(n)与北斗地基增强直达波R_fm(n)作距离-多普勒二维相关：

$y_1(f_d,t)=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{S}_{\mathrm{rm}}\left(n\right){R_{\mathrm{fm}}}^{*}(n-r_1)e^{j2\mathrm{\π}{f}_{1}n/N}$

其中f₁表示相关时刻多普勒频移单元，r表示相关时刻时延单元，j表示为-1的平方根；

步骤4：采用恒虚警检测算法对相关以后的信号y₁(f_d,t)进行目标检测得到目标检测结果y_sa(f_sa,r_sa)，其中f_sa和r_sa为仅利用北斗地基增强信号得到的目标检测结果y_sa(f_sa,r_sa)所在的多普勒和距离单元值；

步骤5：采用LMS算法对数字基带的调频广播回波信号S_fm(n)进行时域干扰相消、相消后与R_fm(n)作距离-多普勒二维相关，得到多普勒值f_sa和距离值r_sa附近的相关结果为X_fm(f_sa,r_sa+h)，h＝-H,-H+1,…,H，其中H为需要搜索总的距离单元数；

步骤6：求取X_fm(f_sa,r_sa+h)的最大值X_fm(f_fm,r_fm)：

X_fm(f_fm,r_fm)＝max(X_fm(f_sa,r_sa+h)),h＝-H,-H+1,…,H

其中f_fm和r_fm为X_fm(f_fm,r_fm)所在的多普勒值和距离单元值，从而经过北斗地基增强和调频广播信号联合检测和参数估计以后，得到目标y_sa(f_sa,r_sa)真实多普勒和距离单元值分别为f_fm和r_fm。