CN111404635A - 基于CA-CFAR的1090MHz扩展电文的报头检测方法 - Google Patents

基于CA-CFAR的1090MHz扩展电文的报头检测方法 Download PDF

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Abstract

一种基于CA‑CFAR的1090MHz扩展电文的报头检测方法。本发明利用报头波形的自相关特征首先对报头进行多脉冲匹配滤波，之后利用当前检测单元临近的报头低电平期间的样本均值估计噪声强度，并根据确定的虚警概率联合构造瞬时CFAR门限，提出一种1090MHz扩展电文报头的恒虚警检测方法。仿真实验结果表明，该方法不受接收信号的信噪比影响，在保持较低虚警概率的前提下可以获得较高的检测概率。同时，由于瞬时CFAR门限的引入，使得CA‑CFAR报头检测方法具有一定的抑制1090ES数据块中的伪报头误检的能力。

Description

基于CA-CFAR的1090MHz扩展电文的报头检测方法
技术领域
本发明属于信息处理技术领域，特别是涉及一种基于单元平均恒虚警率(CellAveraging–Constant False Alarm Rate,CA-CFAR)的1090MHz扩展电文的报头检测方法。
背景技术
广播式自动相关监视(Automatic Dependent Surveillance-Broadcast,ADS-B)技术被国际民航组织(International Civil Aviation Organization，ICAO)推荐为新一代航空运输系统的核心监视技术，业已成为空管二次监视雷达系统的补充或替代监视系统，我国也将在2020年后推动ADS-B系统成为主要航空运输监视手段。机载设备利用地空数据链以广播的形式播报航空器的实时位置及状态信息，ADS-B系统地面站根据接收的电文解译出的航空器信息形成相应的航迹，以实现对航空器的监视。ADS-B系统可用的地空数据链有S模式1090MHz扩展电文(1090MHz Extended Squitter,1090ES)、模式4甚高频数据链(VHF Data Link-Mode 4，VDL-4)和通用访问收发机(Universal Access Transceiver，UAT)三种，其中，S模式1090ES应用最为广泛。
航空器的机载S模式应答机根据1090ES的最低运行性能标准，以不同的重复率发射包含航空器状态信息的ADS-B电文。ADS-B系统地面站接收电文后，需要解译出电文中所包含的航空器位置、速度和呼号等信息。ADS-B系统对1090ES进行解码的前提是实现对1090ES的报头检测。由于ADS-B系统的有效监视区域约为半径500千米范围内，而航空器与接收站间距离存在差异，导致接收的1090ES信号强度具有较大的动态范围，甚至接收信号强度处于噪声水平，这种情况对于星基ADS-B系统尤为突出。对1090ES实现恒虚警率(Constant False Alarm Rate，CFAR)检测对保障ADS-B系统有效监视距离，促进星基ADS-B系统建设具有重要意义。
当前对1090ES的报头检测方法主要分为两类，分别是基于脉冲位置检测的方法和基于匹配滤波的方法。基于脉冲位置检测的方法是首先检测序列中的单个有效脉冲位置，根据这些有效脉冲的位置关系和其中上升沿的数量来判定是否为1090ES的报头，以实现对1090ES报头的检测。但基于脉冲位置检测的方法对接收信号的信噪比要求比较高，在低信噪比环境下，过多的伪上升沿会导致大量虚警的出现，从而严重增大系统后续处理负荷。基于匹配滤波的方法相对较多，其又分为单脉冲匹配滤波方法、多脉冲匹配滤波方法和基于单脉冲与多脉冲匹配滤波联合判决方法三类。基于单脉冲匹配滤波方法有效地解决了采样点位置波动对报头检测的影响，但未考虑报头内各脉冲之间的相互关系。多脉冲匹配滤波方法有效地利用了报头的自相关特征，但其采用的固定门限更适合应用在接收信噪比较高且稳定的环境中。基于单脉冲及多脉冲匹配滤波联合判决的方法通过多次相关处理，有效地利用了报头的自相关特性并消除了采样点位置波动的影响，但该方法复杂度较高，不利于实时处理。另外，由于1090ES的数据块中可能存在伪报头信息，因此该方法同样需要兼顾对数据块中伪报头的抑制，才能降低误检概率，由此达到更好的检测效果。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种基于CA-CFAR的1090MHz扩展电文的报头检测方法。
为了达到上述目的，本发明提供的基于CA-CFAR的1090MHz扩展电文的报头检测方法包括按顺序进行的下列步骤：
(1)利用L波段接收机对1090MHz扩展电文(1090ES)射频信号进行解调，得到采样后的1090ES视频信号的S1阶段；
(2)将本地报头信号沿步骤(1)中得到的1090ES视频信号进行滑动求和，进行多脉冲匹配滤波，获得当前检测单元的多脉冲匹配滤波结果的S2阶段；
(3)将步骤(2)中本地报头信号低电平期间对应的1090ES视频信号的样本提取出来，然后求其均值，并计算出噪声强度的S3阶段；
(4)根据虚警概率，联合步骤(3)中得到的均值及噪声强度共同计算当前检测单元的瞬时CFAR门限的S4阶段；
(5)利用步骤(2)中得到的多脉冲匹配滤波结果对步骤(4)中得到的瞬时CFAR门限进行过门限检测判决，由此确定出1090ES的报头的S5阶段。
在步骤(1)中，所述的利用L波段接收机对1090MHz扩展电文(1090ES)射频信号进行解调，得到采样后的1090ES视频信号的方法是：采用L波段接收机对空间中下行的1090MHz扩展电文射频信号进行接收和解调，经A/D采样后得到1090MHz扩展电文的离散视频信号。
在步骤(2)中，所述的将本地报头信号沿步骤(1)中得到的1090ES视频信号进行滑动求和，进行多脉冲匹配滤波，获得当前检测单元的多脉冲匹配滤波结果的方法是将本地报头信号序列沿步骤(1)中输出的离散视频信号进行滑动求和运算，即自相关运算，由于报头序列中包含多个脉冲，称之为多脉冲匹配滤波，滑动窗的宽度为一个1090MHz扩展电文消息中报头的长度，对当前检测单元进行匹配滤波后，将匹配滤波结果保存在一个序列中，之后滑窗向后移动一个采样点，对下一个检测单元进行匹配滤波运算。
在步骤(3)中，所述的将步骤(2)中本地报头信号低电平期间对应的1090ES视频信号的样本提取出来，然后求其均值，并计算出噪声强度的方法是：对滑动窗内本地报头信号低电平期间对应的接收的1090ES视频信号中的样本进行求均值运算，用以计算出接收信号的噪声强度。
在步骤(4)中，所述的根据虚警概率，联合步骤(3)中得到的均值及噪声强度共同计算当前检测单元的瞬时CFAR门限的方法是：根据CFAR检测理论，瞬时CFAR检测门限将由确定的虚警概率和步骤(3)中计算出的接收信号的噪声强度所确定。
在步骤(5)中，所述的利用步骤(2)中得到的多脉冲匹配滤波结果对步骤(4)中得到的瞬时CFAR门限进行过门限检测判决，由此确定出1090ES的报头的方法是：将步骤(2)中当前检测单元的多脉冲匹配滤波值和步骤(4)中得到的瞬时CFAR检测门限进行比较，如果匹配滤波值高于检测门限，则判定为报头，否则继续后移而对下一个检测单元进行判定。
本发明提供的基于CA-CFAR的1090MHz扩展电文的报头检测方法利用报头波形的自相关特征首先对报头进行多脉冲匹配滤波，之后利用当前检测单元临近的报头低电平期间的样本均值估计噪声强度，并根据确定的虚警概率联合构造瞬时CFAR门限，提出一种1090MHz扩展电文报头的恒虚警检测方法。仿真实验结果表明，该方法不受接收信号信噪比的影响，在保持较低虚警概率的前提下可以获得较高的检测概率。同时，由于瞬时CFAR门限的引入，使得CA-CFAR报头检测方法具有一定的抑制1090ES数据块中的伪报头误检的能力。
附图说明
图1为本发明提供的基于CA-CFAR的1090MHz扩展电文的报头检测方法流程图。
图2为1090ES基带信号波形结构；
图3为本地报头信号的自相关特征；
图4为本发明、脉冲位置检测与3dB门限检测方法对1090ES报头的检测概率曲线图；
图5为本发明、脉冲位置检测与3dB门限检测方法对1090ES报头检测的虚警率曲线图；
图6为本发明、脉冲位置检测与3dB门限检测方法对1090ES数据块中伪报头的误检概率曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实例对本发明提供的基于CA-CFAR的1090MHz扩展电文的报头检测方法进行详细说明。
如图1所示，本发明提供的基于CA-CFAR的1090MHz扩展电文的报头检测方法包括按顺序进行的下列步骤：
(1)利用L波段接收机对1090MHz扩展电文(1090ES)射频信号进行解调，得到采样后的1090ES视频信号的S1阶段：
在此阶段中，需要通过L波段接收机得到采样后的1090ES视频信号。首先描述一下ADS-B系统的1090ES的信号模型。一般地，ADS-B系统的1090ES是采用脉冲位置调制(PulsePosition Modulation，PPM)编码。每条1090ES由4个固定的前导脉冲构成的8μs报头和112比特信息位构成的112μs数据块组成，其基带信号波形结构如图2所示。
1090ES的每个信息位由两个0.5μs位片构成，利用电平跳变方向表示0或1。因此1090ES基带信号的信息位b(t,d)可表示为：
Figure BDA0002392301470000041
式中，t为时间，d为信息位的值，取0或1，Tb为信息位持续时间，根据1090ES标准规定Tb＝1μs，rect(·)表示宽度为Tb/2的矩形脉冲函数，具体表示为：
Figure BDA0002392301470000042
根据式(1)可将报头pa(t)表示为：
pa(t)＝b(t,1)+b(t-Tb,1)+b(t-3Tb,0)+b(t-4Tb,0) (3)
同理，数据块qa(t)可表示为：
Figure BDA0002392301470000043
dk为第k个信息位，因此，由式(3)和(4)可将单条1090ES基带信号表示为：
g(t)＝pa(t)+qa(t) (5)
经过编码后的1090ES基带信号g(t)经1090MHz射频调制后辐射。
ADS-B系统在一段时间内接收的1090ES射频信号经解调后，可以获得相应的视频信号，表示为：
Figure BDA0002392301470000051
式中，K为接收到的1090ES数目，αk为第k个1090ES的复幅度，gk(t)为第k个1090ES的基带信号，τk为k个1090ES的延迟，ea(t)为系统接收噪声，可建模为方差为σ2的零均值高斯白噪声。
采样后，式(5)可离散化为：
s(n)＝sa(nTs) (6)
式中，Ts为采样周期。s(n)即为从L波段接收机得到的1090ES视频信号，后续步骤将从1090ES视频信号s(n)中提取1090ES的报头。
(2)将本地报头信号沿步骤(1)中得到的1090ES视频信号进行滑动求和，进行多脉冲匹配滤波，获得当前检测单元的多脉冲匹配滤波结果的S2阶段：
构造的本地报头信号为p(n)＝pa(nTs)，将本地报头信号p(n)沿1090ES视频信号s(n)滑动求和，获得当前检测单元的多脉冲匹配滤波结果：
Figure BDA0002392301470000052
式中，M为8μs期间对应的采样点数。在本地报头信号p(n)沿1090ES视频信号s(n)滑动求和的过程中，由于本地报头信号p(n)具有一定的波形特征，其自相关特性会在过程中体现出来，在没有噪声的情况下，本地报头信号p(n)在滑动过程中会出现9个自相关峰，其自相关特征如图3所示。显然，当本地报头信号p(n)与1090ES视频信号s(n)中的报头重合时，当前检测单元的多脉冲匹配滤波结果sc(n)取最大值。
(3)将步骤(2)中本地报头信号低电平期间对应的1090ES视频信号的样本提取出来，然后求其均值，并计算出噪声强度的S3阶段：
步骤(2)中获得的当前检测单元的多脉冲匹配滤波结果sc(n)会受到噪声强度影响，由于噪声背景存在着起伏，因此，相应的检测门限应当随着噪声强度的变化而改变，为实现CFAR检测，首先应当估计噪声强度。
ADS-B系统接收1090ES所包含的噪声可看作在电文持续期间是平稳的，且样本间是独立同分布的，因此，可以利用报头的低电平期间所接收的样本对噪声强度进行估计，即抽取当前检测单元附近特定位置的样本，取这些样本的均值，可称为临近单元平均(CellAveraging,CA)。因为噪声样本包络|e(n)|服从折叠正态分布(the folded normaldistribution)，其均值为：
Figure BDA0002392301470000061
由式(8)可以看出，噪声样本包络的均值μ|e|与噪声强度σ为线性比例关系，因此可以用噪声样本包络的均值估计噪声强度。报头低电平期间接收的样本包络均值的估计值为：
Figure BDA0002392301470000062
其中
Figure BDA0002392301470000063
为1090ES报头中的高电平样本数，
Figure BDA0002392301470000064
表示向下取整操作。当接收信号仅为噪声时，即|s(n)|＝|e(n)|＝|ea(nTs)|时，
Figure BDA0002392301470000065
是均值μe的无偏估计值。
由式(8)和式(10)可得对噪声强度σ的实时估计值：
Figure BDA0002392301470000066
(4)根据虚警概率，联合步骤(3)中得到的均值及噪声强度共同计算当前检测单元的瞬时CFAR门限的S4阶段：
当接收信号仅为噪声时，式(7)所示的当前检测单元的多脉冲匹配滤波结果可表示为：
Figure BDA0002392301470000067
由于噪声样本e(n)服从零均值，方差为σ2的高斯分布，因此，式(12)的当前检测单元的多脉冲匹配滤波结果sc0(n)也服从高斯分布，且均值为零，方差为r1σ2。
给定虚警概率Pfa，由当前检测单元的多脉冲匹配滤波结果sc0(n)的概率累积函数可得瞬时CFAR门限：
Figure BDA0002392301470000068
式中，Φ-1(·)为标准高斯分布累积函数的逆函数。由式(13)可见，当给定虚警概率Pfa后，系统的瞬时CFAR门限与噪声强度σ成正比。将步骤(3)的输出式(11)代入式(13)即可得第n时刻的瞬时CFAR门限η(n)：
Figure BDA0002392301470000071
(5)利用步骤(2)中得到的多脉冲匹配滤波结果对步骤(4)中得到的瞬时CFAR门限进行过门限检测判决，由此确定出1090ES的报头的S5阶段：
若步骤(2)中输出的当前检测单元的多脉冲匹配滤波结果sc(n)高于当前检测单元的瞬时CFAR门限η(n)，则当前检测单元采样点输出为1090ES报头第一个脉冲的起点；否则继续后移而对下一个检测单元进行判定。
下面详细说明对1090ES报头的检测概率与对1090ES数据块中伪报头的误检概率的计算过程：
当接收信号为1090ES叠加噪声时，式(7)可表示为：
Figure BDA0002392301470000072
式中，gk(n,τk)为第k个1090ES基带信号gk(t)的离散信号。当本地报头信号p(n)与1090ES视频信号s(n)中的报头重合时，式(15)可简化为：
sc1(n)＝αkr1+sc0(n) (16)
显然，式(16)的当前检测单元的多脉冲匹配滤波结果sc1(n)也服从高斯分布，但均值为αkr1，方差为r1σ2。
由给定虚警概率Pfa确定的瞬时CFAR门限η(n)可计算出相应的报头的检测概率：
Figure BDA0002392301470000073
定义第k个1090ES基带信号的信噪比为：
Figure BDA0002392301470000075
将式(14)和(18)代入式(17)得：
Figure BDA0002392301470000074
由式(19)可见，随着信噪比的增大，报头的检测概率也相应地提高。
由式(3)和(4)可见，无论1090ES的报头pa(t)还是数据块qa(t)，均由信息位b(t,d)所表示，因此，数据块中可能包含类似于报头格式的伪报头信息。另外，报头pa(t)仅对8μs报头中的4个信息位进行规定，所以，数据块内的信息位只要有4个信息位与报头相符，就有可能构成伪报头，即数据块中的11X00XXX(X可取0或1)信息位组合构成伪报头。由于伪报头的存在，可能导致报告检测的误检。
当本地报头信号p(n)与接收的1090ES数据块中伪报头重合时，本地报头信号p(n)低电平所对应的样本的均值可表示为：
Figure BDA0002392301470000081
式中，k为与报头匹配的数据块首个信息位在数据块中的序号。式(20)可进一步表示为：
Figure BDA0002392301470000082
式中，|αk+e(n+m)|服从折叠正态分布，其均值为：
Figure BDA0002392301470000083
对式(21)求期望值得：
Figure BDA0002392301470000084
将式(22)和(8)代入式(23)得：
Figure BDA0002392301470000085
其中，
Figure BDA0002392301470000086
因此，第n时刻的瞬时CFAR门限η(n)为：
Figure BDA0002392301470000087
从而，伪报头的误检概率为：
Figure BDA0002392301470000088
仿真实验
本发明提供的基于CA-CFAR的1090MHz扩展电文的报头检测方法的效果可以通过以下仿真数据实验进一步说明。
实验中1090ES的采样频率为22MHz，因此，报头期间的采样点数M＝176，报头期间高电平样本数r1＝44。在不同信噪比下进行20000次蒙特卡罗实验，统计不同虚警概率Pfa条件下本发明方法的检测概率Pd随信噪比的变化，并与脉冲位置检测方法和3dB门限(半峰值)检测方法相比较，结果如图4所示。由图4可见，本发明方法的蒙特卡罗实验结果很好地契合相应的理论值，在一定虚警概率Pfa条件下，检测概率Pd随信噪比的增大而升高，直至Pd＝1。在低信噪比区间，相同信噪比条件下，较低的虚警概率Pfa使得恒虚警门限过高，进而使得检测概率Pd较低，但对于高信噪比区间，虚警概率Pfa大小对检测概率Pd几乎没有影响。脉冲位置检测方法在0dB信噪比以下时，其检测概率Pd优于基于本发明方法，但信噪比高于0dB时，脉冲位置检测方法的检测概率Pd相对较低，只有在较高信噪比条件下，其检测概率Pd才趋于1。3dB门限检测方法的检测概率Pd较高，在较低的信噪比条件下就可实现Pd＝1。
评价系统检测性能需要在一定的虚警概率基础上比较检测概率的大小。由图4可见，脉冲位置检测方法和3dB门限检测方法在一定信噪比范围内相应的检测概率均有可能优于本发明方法，但由于这两类方法不是恒虚警方法，相应的虚警概率随信噪比的变化情况如图5所示。脉冲位置检测方法和3dB门限检测方法的检测门限与信噪比相关，从而使相应的虚警概率也随信噪比的不同而不同。20000次蒙特卡罗实验的统计结果如图5所示。由图5可见，在较低信噪比时，脉冲位置检测方法和3dB门限检测方法的虚警概率远高于本发明方法的虚警概率。当信噪比达到1dB附近时，3dB门限检测方法的虚警概率才低于10-4。对比图4可见，虚警概率Pfa＝10-4的本发明方法在信噪比达低于1dB时，其检测概率就与3dB门限检测方法相当，但虚警概率远低于后者。同时，对于脉冲位置检测方法也有相似的结果。显然，由图4与图5可见，对于脉冲位置检测方法和3dB门限检测方法，虽然在一定信噪比范围内检测概率优于本发明方法，但相应的虚警概率显著高于本发明方法的虚警概率，从而使检测出的报头置信度偏低，而且由于大量虚警的存在，会加重后续1090ES解码单元的负荷。
此外，1090ES的数据块中可能包含类似于报头格式的伪报头信息，仿真实验分析了不同检测方法对伪报头信息误检的抑制能力。考虑利用不同的报头检测方法确定的检测门限分别对真实报头信息和伪报头信息进行检测，计算两者检测概率的差值，即Pd-Pe。根据20000次蒙特卡罗实验数据进行统计，相应结果如图6所示。由图6可见，对虚警概率要求越严格，本发明方法的检测概率与误检概率的差值Pd-Pe可能达到的最大值越大。表明当恒虚警门限越高，在一定的信噪比范围内，真实报头被检测与伪报头未被检测同时发生的可能性越高，即本发明方法对伪报头的抑制能力越强。由图6中还可以看出，随着虚警概率要求严格，本发明方法有效抑制伪报头的信噪比区域也向高端移动。对于特定的虚警概率，本发明方法在信噪比的低端及高端区域Pd-Pe的值均为零，即本发明方法不能有效地抑制伪报头检测。这种情况发生的原因在于，当信噪比较低时，恒虚警门限相对1090ES信号较高，无论是检测概率还是误检测概率均很低，导致两者的差异性很小。当信噪比较高时，恒虚警门限相对1090ES信号较低，此时检测概率和误检测概率均接近于1，从而导致两者差异性也很小。由图6还可看出，对于脉冲位置检测方法和3dB门限检测方法，相应的Pd-Pe值始终为零，即这两种方法对于伪报头不具备抑制能力。

Claims (6)

1.一种基于CA-CFAR的1090MHz扩展电文的报头检测方法，其特征在于，所述的基于CA-CFAR的1090MHz扩展电文的报头检测方法包括按顺序进行的下列步骤：
(1)利用L波段接收机对1090MHz扩展电文射频信号进行解调，得到采样后的1090ES视频信号的S1阶段；
(2)将本地报头信号沿步骤(1)中得到的1090ES视频信号进行滑动求和，进行多脉冲匹配滤波，获得当前检测单元的多脉冲匹配滤波结果的S2阶段；
(3)将步骤(2)中本地报头信号低电平期间对应的1090ES视频信号的样本提取出来，然后求其均值，并计算出噪声强度的S3阶段；
(4)根据虚警概率，联合步骤(3)中得到的均值及噪声强度共同计算当前检测单元的瞬时CFAR门限的S4阶段；
(5)利用步骤(2)中得到的多脉冲匹配滤波结果对步骤(4)中得到的瞬时CFAR门限进行过门限检测判决，由此确定出1090ES的报头的S5阶段。
2.根据权利要求1所述的基于CA-CFAR的1090MHz扩展电文的报头检测方法，其特征在于：在步骤(1)中，所述的利用L波段接收机对1090MHz扩展电文射频信号进行解调，得到采样后的1090ES视频信号的方法是：采用L波段接收机对空间中下行的1090MHz扩展电文射频信号进行接收和解调，经A/D采样后得到1090MHz扩展电文的离散视频信号。
3.根据权利要求1所述的基于CA-CFAR的1090MHz扩展电文的报头检测方法，其特征在于：在步骤(2)中，所述的将本地报头信号沿步骤(1)中得到的1090ES视频信号进行滑动求和，进行多脉冲匹配滤波，获得当前检测单元的多脉冲匹配滤波结果的方法是：将本地报头信号序列沿步骤(1)中输出的离散视频信号进行滑动求和运算，即自相关运算，由于报头序列中包含多个脉冲，称之为多脉冲匹配滤波，滑动窗的宽度为一个1090MHz扩展电文消息中报头的长度，对当前检测单元进行匹配滤波后，将匹配滤波结果保存在一个序列中，之后滑窗向后移动一个采样点，对下一个检测单元进行匹配滤波运算。
4.根据权利要求1所述的基于CA-CFAR的1090MHz扩展电文的报头检测方法，其特征在于：在步骤(3)中，所述的将步骤(2)中本地报头信号低电平期间对应的1090ES视频信号的样本提取出来，然后求其均值，并计算出噪声强度的方法是：对滑动窗内本地报头信号低电平期间对应的接收的1090ES视频信号中的样本进行求均值运算，用以计算出接收信号的噪声强度。
5.根据权利要求1所述的基于CA-CFAR的1090MHz扩展电文的报头检测方法，其特征在于：在步骤(4)中，所述的根据虚警概率，联合步骤(3)中得到的均值及噪声强度共同计算当前检测单元的瞬时CFAR门限的方法是：根据CFAR检测理论，瞬时CFAR检测门限将由确定的虚警概率和步骤(3)中计算出的接收信号的噪声强度所确定。
6.根据权利要求1所述的基于CA-CFAR的1090MHz扩展电文的报头检测方法，其特征在于：在步骤(5)中，所述的利用步骤(2)中得到的多脉冲匹配滤波结果对步骤(4)中得到的瞬时CFAR门限进行过门限检测判决，由此确定出1090ES的报头的方法是：将步骤(2)中当前检测单元的多脉冲匹配滤波值和步骤(4)中得到的瞬时CFAR检测门限进行比较，如果匹配滤波值高于检测门限，则判定为报头，否则继续后移而对下一个检测单元进行判定。
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