CN108931768B - 一种基于信号融合的外辐射源微弱目标定位的方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于外辐射源雷达定位技术领域，涉及一种基于多信号融合的外辐射源微弱目标定位的方法。本发明将接收到的多路回波信号与直达波信号经FDPC处理完成频域脉冲压缩；再通过RFT算法以消除距离徙动；最后对各通道信号做非相参积累，判定峰值点出是否越过阈值。计算机仿真表明本发明与单通道信号做RFT进行积累效果相比，仿真结果表明本发明能够对积累增益增加约1.7dB，可获得系统性能的提升，能有效改善目标检测信噪比。

Description

一种基于信号融合的外辐射源微弱目标定位的方法

技术领域

本发明属于外辐射源雷达定位技术领域，涉及一种基于多信号融合的外辐射源微弱目标定位的方法。

背景技术

外辐射源雷达(图1)，又称无源雷达，是一种自身不发射电磁波信号，而通过利用现有的广播、电视、基站等信号作为照射源的被动雷达系统，具有抗低空突防、生存能力强及反隐身等优点，是目前国内研究的热点之一。现有的外辐射源雷达系统多采用单照射源信号，可利用的信号功率有限、作用距离、定位精度和检测性能等均受到限制。为此，拓展照射源个数，增加可利用的信号功率以改善系统的检测性能，成为外辐射源雷达的一个重要发展方向。

发明内容

本发明的目的是为解决由于单照射源功率有限，造成作用距离、定位精度和检测性能受限的问题，研究了基于RFT变换的多信号融合外辐射源微弱目标定位的方法，实现多信号融合实现外辐射源定位的方法。

为了便于理解，首先对本发明采用的相关技术进行说明：

DVB-S信号是基于卫星的数字视频广播传输系统，它规定了卫星数字广播调制标准。目前DVB-S己成为国际上的主流标准，几乎为所有的卫星广播数字电视系统所采用。

卫星广播电视的频带利用方式通常有SCPC(单路单载波)和MCPC(多路单载波)两种方式。其中，MCPC多路单载波(Multiple Channel Per Carrier)系统，是在上行时，将多套电视节目送到同一个上行站进行汇接后，再统一调制在一个载频上发往卫星；在下行时，一个载波频率传输多路电视信号。由于一个转发器只有一个载波，因此没有多载波的谐波干扰问题，频带和功率的利用率较高。其中，中星九号(转发器为Ku波段)上的节目则都是采用MCPC方法传输。对于MCPC制数字卫星频道电视信号的最大带宽有36MHz、54MHz、72MHz等几种。

对于DVB-S信号采用QPSK调制方式。产生DVB-S信号的步骤主要分为两步，第一步采用MPEG-2码流对信源进行编码，以实现在视频与音频的多路复用后数字电视信号的复用。第二步采用前项纠错编码信道编码并上变频。

DVB-S信号可以表示为：

其中，T是QPSK信号的符号速率的倒数，g(t)是滚进系数为α的平方根升余弦滚进滤波器的冲击响应，其持续时间为T；另外，α通常取值为0.35。ω₀为载波角频率，

为第n个符号的相位，N是符号个数。

对于复包络的DVB-S信号上式可以转换为：

其中，升余弦滤波器的频域传输函数根据定义有：

其中，f_N＝1/2T_s，相位

是一个近似的在值{π/4,3π/4,5π/4,7π/4}下的均匀分布且彼此独立。

对于外辐射源雷达对高速运动目标的探测，其主要需要解决的问题来自于由于长时间的积累，目标运动引起了严重的距离徙动，影响了对目标能量的积累和检测。

目前常用的减小或消除距离走动对目标能量积累影响的方法包括包络插值移位补偿算法、DPD算法、Hough变换法、Radon-Fourier变换法、Keystone变换法等。这些算法各有优缺点，本发明基于快速Radon-Fourier变换法，实现对多照射源信号融合的相参积累。

快速Radon-Fourier变换算法步骤(图2)如下：

(一)对监视天线接收到直达波信号混频到基带得到s_t(t)，对主天线接收到的回波信号混频到基带得到s_r(t)，并且有：

其中，τ₀为目标初始时延，a_τ为时延变化率。

(二)同时对监视天线的接收直达波数据和主天线的接收回波数据进行分段处理：

其中，s_t(n)为接收到的直达波基带数据，直达波数据被均分为M_seg段，每段数据长度为L_seg，对每段数据尾部添加长度为T_{d max}的0，m表示慢时间，

表示快时间。

其中，s_r(n)为接收到的目标回波基带数据，回波数据被均分为M_seg段，每段数据长度为L_seg，对每段数据尾部添加长度为T_{d max}的回波数据，令L_T＝L_seg+T_{d max}为添加后的段长，m表示慢时间，

表示快时间。需满足

T_{d max}>τ_maxf_s其中τ_max为系统最大探测距离对应的时延，f_s为采样率，B为信号带宽，c为光速，v_{d max}为目标最大径向运动速度。

(三)计算

F{·}表示快速傅里叶变换。

(四)计算

我们将步骤(二)(三)(四)称作频域脉冲压缩，步骤如图2所示。

(五)通过RFT频域计算方法补偿距离徙动：

其中，Δa_τ为时延变化率的搜索步长。

(六)沿快时间维做快速傅里叶逆变换,计算得:

(七)对T_RFT(τ,f_d)进行CFAR检测，若T_RFT(i,j)>μ则判为该位置存在目标，否则判为该位置不存在目标，μ为该位置对应的CFAR门限。

本发明技术方案如下：

一种基于多信号融合的外辐射源微弱目标定位的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、设定卫星每个转发器信号在同一本阵下由同一发射天线发射，则监视天线接收到的直达波信号有s_t(t)：

其中，u_k(t)为发送的卫星信号，f_ck为载波频率；K为信号通道数。

以第k＝1个转发器为参照，则对于第k个转发器有f_ck＝f_c+(k-1)Δf_c，忽略

则上式为：

其中，Δf_c为各通道载频间的频率插值。

将直达波信号混频到基带，可以表示为：

对于空域中一动目标，将主天线接收到的回波信号混频到基带得到s_r(t)，其中，目标回波基带信号为：

其中，A为回波信号幅度，τ₀为目标初始时延，a_τ为时延变化率；

S2、对混频后的回波信号与直达波信号，每路信号做分段处理，分为M_seg段，每段长度为L_seg，并将长度扩展T_{d max}(一般取T_{d max}＝L_seg)，即每段长度为L_seg+T_d。段内时间称为快时间t_f，段间时间称为慢时间t_m。其中，直达波信号拓展T_{d max}长的0向量；回波信号拓展T_{d max}长的数据向量。忽略快时间内的相位变化，单路回波信号可以表示为：

可以将信号写为离散形式，表示为：

其中，

为快时间，m为慢时间。

S3、通过FDPC方法实现脉冲频域压缩：

首先对S2中两信号快时间维求傅氏变换，计算：

其中，F{·}为傅里叶变换；

再对两信号做共轭相乘，计算：

S4、通过RFT频域计算方法补偿距离徙动：

其中，Δa_τ为时延变化率的搜索步长。

上述计算通过Chirp-Z+IFFT变换快速实现：

Z_k(f,f_d)＝F^-1{X(z_m)}

其中，F^-1{·}为傅里叶逆变换。

S5、沿快时间维做快速傅里叶逆变换，再沿慢时间维做快速傅里叶变换，即计算：

再通过计算

实现多通道的非相参积累。

进一步的，所述步骤S2、S3中采用频域脉冲压缩的方法实现脉冲压缩，具体为：

同时对监视天线的接收直达波数据和主天线的接收回波数据进行分段处理：

其中，s_t(n)为接收到的直达波基带数据，直达波数据被均分为M_seg段，每段数据长度为L_seg，对每段数据尾部添加长度为T_{d max}的0，m表示慢时间，

表示快时间；

其中，s_r(n)为接收到的目标回波基带数据，回波数据被均分为M_seg段，每段数据长度为L_seg，对每段数据尾部添加长度为T_{d max}的回波数据，令L_T＝L_seg+T_{d max}为添加后的段长，m表示慢时间，

表示快时间，需满足

T_{d max}>τ_maxf_s；其中τ_max为系统最大探测距离对应的时延，f_s为采样率，B为信号带宽，c为光速，v_{d max}为目标最大径向运动速度。

进一步的，所述步骤S4中采用CZT+IFFT算法对回波信号消除距离徙动其具体实现步骤为：

S41、初始化

表示向上取整，M_seg为慢时间维数；

S42、初始化

S43、初始化W₀＝1，计算

S44、计算：

S45、计算：

G(k)＝F{g(n)}

H(k)＝F{h(n)}

V(k)＝G(k)H(k)

S46、计算：

v(m)＝F^-1{V(k)}

并取v(m)的前M_seg点作为权值计算：

S47、计算：

Z_k(f,f_d)＝F^-1{X(z_m)}。

本发明的有益效果为，使用多信号融合的方法实现了对远距离动目标探测的非相参积累；通过拓展照射源个数，增加了可利用的信号功率，从而改善了系统的检测性能。

附图说明

图1为外辐射源雷达双基模型；

图2为RFT算法原理图；

图3为CZT原理图；

图4为本发明流程图；

图5为基于RFT的多信号融合与单信号处理效果图，其中(a)为多通道积累，(b)为单通道积累。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述

实施例

本实施例在接收目标信号信噪比SNR＝-56dB时对目标进行检测。

实施例的方法如附图4所示，雷达系统如附图1所示由一个主天线和一个监视天线组成，监视天线接收信号源直达波，主天线接收目标回波。

考虑信号源使用卫星电视信号(DVB-S信号)，符号率R_s＝27.5MHz，五路QPSK信号载频f_ck＝[500,540,580,620,660]MHz，接收机采样率f_s＝55MHz，积累时间为T＝100ms。

假设目标距离接收站约d_act＝2.181km，相应回波时延约为τ₀＝7.27μs，目标匀速水平向接收站飞行，以第一路信号为参考，设计Δa_τ＝2×10^-8。目标运动对应时延变化率a_τ＝-2.5e-5，实际多普勒频率约为f_dk＝-a_τf_ck，主天线接收到目标回波信号信噪比SNR_r＝-56dB，参考信号信噪比SNR_t＝20dB。

实施例的检测方法包括以下步骤：

(一)假设若每个转发器信号在同一本阵下由同一发射天线发射，则设监视天线接收到的直达波信号混频到基带有s_t(t)：

其中K＝5，以第k＝1个转发器为参照，则对于第k个转发器有f_ck＝f_c+(k-1)Δf_c，Δf_c＝40MHz，f_c＝500MHz。为简单起见，忽略发射信号初相

则上式可写成：

对于空域中一动目标，主天线接收到的回波信号混频到基带得到s_r(t)，其中，目标回波基带信号可以写成：

其中，a_τ＝-2.5e-5，A＝1。

(二)对混频后的回波信号与直达波信号，每路信号做分段处理，直达波信号与回波信号被均分为M_seg＝5500段，每段数据长度为L_seg＝1000，对直达波信号每段数据尾部添加长度为T_{d max}＝1000的0，对回波信号尾部拓展T_{d max}长的数据向量，即每段长度为L_seg+T_{d max}。段内时间称为快时间t_f，段间时间称为慢时间t_m。忽略快时间内的相位变化，单路回波信号可以表示为：

(三)通过FDPC方法实现脉冲频域压缩：

首先对S2中两信号快时间维求傅氏变换，计算：

其中，f为快时间的频域，F{·}为傅里叶变换；

再对两信号做共轭相乘，计算：

(四)通过RFT频域计算方法补偿距离徙动：

其中，上述计算可以通过Chirp-Z变换快速实现，具体步骤如下：

1.初始化

表示向上取整，M_seg为慢时间维数；

2.初始化

3.初始化W₀＝1，计算

4.计算：

5.计算：

G(k)＝F{g(n)}

H(k)＝F{h(n)}

V(k)＝G(k)H(k)

6.计算：

v(m)＝F^-1{V(k)}

并取v(m)的前M_seg点作为权值计算：

7.计算：

Z_k(f,f_d)＝F^-1{X(z_m)}

(五)沿快时间维做快速傅里叶逆变换，再沿慢时间维做快速傅里叶变换，即计算：

(六)对T_k(f_d,τ)进行CFAR检测，若T_k(i,j)>μ(1≤i≤M_seg,1≤j≤L_T)则判为该位置存在目标，估计出该位置对应的多普勒频率

和时延

否则判为该位置不存在目标。μ为该位置对应的CFAR门限。

图5是对实施例的仿真结果，结果可以看出在多通道目标积累增益比单目标积累增益增加约1.7dB，估计出的多普勒频率

时延

与实际值吻合。本发明实现了利用多通道信号融合对动目标积累并提高了积累增益。

Claims (2)

1.一种基于信号融合的外辐射源微弱目标定位的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、设定卫星每个转发器信号在同一本阵下由同一发射天线发射，则用于接收信号源直达波的监视天线接收到的直达波信号混频到基带有s_t(t)：

其中，u_k(t)为发送的卫星信号，f_ck为载波频率，

以第k＝1个转发器为参照，则对于第k个转发器有f_ck＝f_c+(k-1)Δf_c，Δf_c为各通道载频间的频率插值，忽略

则上式为：

对于空域中一动目标，用于接收目标回波的主天线接收到的回波信号混频到基带得到s_r(t)，其中，目标回波基带信号为：

其中，A为回波信号幅度，τ₀为目标初始时延，a_τ为时延变化率；

S2、对混频后的回波信号与直达波信号做分段处理，分为M_seg段，每段长度为L_seg，并将长度扩展T_dmax，取T_dmax＝L_seg，即每段长度为L_seg+T_dmax；段内时间称为快时间t_f，段间时间称为慢时间t_m；其中，直达波信号拓展T_dmax长的0向量；回波信号拓展T_dmax长的数据向量；忽略快时间内的相位变化，单路回波信号可以表示为：

可以将信号写为离散形式，表示为：

其中，

为快时间，m为慢时间；

S3、通过FDPC方法实现脉冲频域压缩：

首先对S2中两信号

和

快时间维求傅氏变换，计算：

其中，f为快时间的频域，F{·}为傅里叶变换；

再对两信号

和

做共轭相乘，计算：

S4、通过RFT频域计算方法补偿距离徙动：

计算方式通过Chirp-Z+IFFT变换快速实现：

Z_k(f,f_d)＝F^-1{X(z_m)}

采用CZT+IFFT算法对回波信号消除距离徙动，其具体实现步骤为：

S41、初始化

表示向上取整，M_seg为慢时间的维数；

S42、初始化

S43、初始化W₀＝1，计算

S44、计算：

S45、计算：

G(k)＝F{g(n)}

H(k)＝F{h(n)}

V(k)＝G(k)H(k)

S46、计算：

v(m)＝F^-1{V(k)}

并取v(m)的前M_seg点作为权值计算：

S47、计算：

Z_k(f,f_d)＝F^-1{X(z_m)}

S5、沿快时间维做快速傅里叶逆变换，再沿慢时间维做快速傅里叶变换，即计算：

再通过计算

实现多通道的非相参积累；

S6、对T_k(f_d，τ)进行CFAR检测，若T_k(i，j)>μ(1≤i≤M_seg，1≤j≤L_T)则判为该位置存在目标，估计出该位置对应的多普勒频率

和时延

否则判为该位置不存在目标；μ为该位置对应的CFAR门限。

2.根据权利要求1所述的基于信号融合的外辐射源微弱目标定位的方法，其特征在于，所述S2、S3中采用频域脉冲压缩的方法实现脉冲压缩，具体为：

同时对监视天线接收的直达波数据和主天线接收的回波数据混频后进行分段处理：

直达波数据被均分为M_seg段，每段数据长度为L_seg，对每段数据尾部添加长度为T_dmax的0，m表示慢时间，

表示快时间；

其中，回波数据被均分为M_seg段，每段数据长度为L_seg，对每段数据尾部添加长度为T_dmax的回波数据，令L_T＝L_seg+T_dmax为添加后的段长，m表示慢时间，

表示快时间，需满足

T_dmax>τ_maxf_s；其中τ_max为系统最大探测距离对应的时延，f_s为采样率，B为信号带宽，c为光速，v_dmax为目标最大径向运动速度。

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