數(shù)字地面多媒體廣播外輻射源雷達(dá)微多普勒效應(yīng)實(shí)驗(yàn)

萬(wàn)顯榮,邵啟紅,夏　鵬,但陽(yáng)鵬

(武漢大學(xué)電子信息學(xué)院,湖北 武漢 430072)

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數(shù)字地面多媒體廣播外輻射源雷達(dá)微多普勒效應(yīng)實(shí)驗(yàn)

萬(wàn)顯榮,邵啟紅,夏鵬,但陽(yáng)鵬

(武漢大學(xué)電子信息學(xué)院,湖北 武漢 430072)

論述了利用武漢大學(xué)新近研制的多通道外輻射源雷達(dá)系統(tǒng)開展基于地面數(shù)字多媒體廣播(digital terrestrial multimedia broadcasting,DTMB)外輻射源雷達(dá)微多普勒效應(yīng)實(shí)驗(yàn)的研究結(jié)果。首先建立了外輻射源雷達(dá)目標(biāo)微動(dòng)信號(hào)模型,接著簡(jiǎn)要闡述了信號(hào)處理的主要關(guān)鍵技術(shù),最后重點(diǎn)介紹了實(shí)驗(yàn)開展的情況,包括系統(tǒng)配置、目標(biāo)微多普勒效應(yīng)實(shí)驗(yàn)典型結(jié)果及分析,從實(shí)驗(yàn)上證實(shí)了利用DTMB信號(hào)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)微多普勒效應(yīng)探測(cè)的技術(shù)可行性。

外輻射源雷達(dá); 數(shù)字地面多媒體廣播; 微多普勒效應(yīng)

0　引　言

外輻射源雷達(dá)是一種基于非合作電磁輻射源(如廣播、通信、衛(wèi)星信號(hào))的目標(biāo)探測(cè)系統(tǒng),具有節(jié)約頻譜資源、綠色環(huán)保、雙基地反隱身、抗摧毀能力強(qiáng)、易于部署和組網(wǎng)的特點(diǎn)。數(shù)字廣播技術(shù)的推廣與應(yīng)用為外輻射源雷達(dá)提供了契機(jī),使之成為近十年來(lái)新體制雷達(dá)的研究熱點(diǎn)之一,并具有系統(tǒng)配置網(wǎng)絡(luò)化、多波段綜合一體化、承載平臺(tái)多樣化、應(yīng)用場(chǎng)景多元化的發(fā)展趨勢(shì)[1]。我國(guó)2006年推出的數(shù)字地面電視多媒體廣播(digital television/terrestrial multimedia broadcasting,DTMB)標(biāo)準(zhǔn)是世界上第4個(gè)具有獨(dú)立知識(shí)產(chǎn)權(quán)數(shù)字電視國(guó)際標(biāo)準(zhǔn),采用了時(shí)域同步正交頻分復(fù)用(time domain synchronous-orthogonal frequency division multiplexing，TDS-OFDM)調(diào)制、幀結(jié)構(gòu)與自然日周期同步的新技術(shù),具有頻譜效率高、抗多徑能力強(qiáng)、適用于移動(dòng)接收的特點(diǎn)[2]。當(dāng)前,我國(guó)DTMB廣播網(wǎng)覆蓋范圍已超過(guò)300個(gè)城市,這為基于該波形的新體制雷達(dá)提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)條件,國(guó)內(nèi)多家研究單位已就基于DTMB的外輻射源雷達(dá)展開研究并取得了一系列成果,包括信號(hào)的模糊函數(shù)特性分析[3]、參考信號(hào)的提純與重構(gòu)[4-5]、直達(dá)波干擾的抑制方法[6]以及目標(biāo)探測(cè)外場(chǎng)實(shí)驗(yàn)對(duì)比[7]等。然而,到目前為止還未見到國(guó)內(nèi)進(jìn)行外輻射源雷達(dá)微多普勒效應(yīng)及非合作目標(biāo)識(shí)別研究的公開報(bào)道。

雷達(dá)目標(biāo)微多普勒是目標(biāo)微小運(yùn)動(dòng)對(duì)雷達(dá)信號(hào)的一種調(diào)制效應(yīng),體現(xiàn)在回波頻譜產(chǎn)生多普勒邊帶,該效應(yīng)主要由目標(biāo)除質(zhì)心平動(dòng)之外的轉(zhuǎn)動(dòng)、加速以及振動(dòng)引起[8]。由于微動(dòng)屬于目標(biāo)的精細(xì)結(jié)構(gòu),通常被認(rèn)為是目標(biāo)獨(dú)一無(wú)二的運(yùn)動(dòng)狀態(tài),因此微多普勒效應(yīng)提供了目標(biāo)散射截面積之外的特征信息,對(duì)雷達(dá)目標(biāo)特征提取與分類識(shí)別具有重要價(jià)值。文獻(xiàn)[9]提出在時(shí)頻分析的基礎(chǔ)上,結(jié)合Hough變換進(jìn)行微多普勒特征提取;而文獻(xiàn)[10]利用多輸入多輸出(multiple-input multiple-output,MIMO)雷達(dá)的多視角特性,實(shí)現(xiàn)了目標(biāo)三維微動(dòng)特征的提取。文獻(xiàn)[11]建立了卡車微動(dòng)模型,為卡車微多普勒特征提取及識(shí)別研究打下基礎(chǔ)。文獻(xiàn)[12]則通過(guò)經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解提取空中飛機(jī)目標(biāo)旋轉(zhuǎn)部件產(chǎn)生的微多普勒特征,使用支持矢量機(jī)分類器在較高信噪比條件下獲得了較高的正確識(shí)別率。

基于數(shù)字廣播信號(hào)的外輻射源雷達(dá)由于其體制上的特點(diǎn),在微多普勒效應(yīng)探測(cè)及其利用等方面具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)和吸引力:①該體制雷達(dá)相干積累時(shí)間可以很長(zhǎng),從而可記錄多個(gè)連續(xù)的回波閃爍,同時(shí)也提高了對(duì)低雷達(dá)散射截面(radar cross section,RCS)目標(biāo)的探測(cè)與識(shí)別能力;②采用連續(xù)波作為機(jī)會(huì)照射源可避免頻率混疊;③收發(fā)分離的雙基結(jié)構(gòu)提供了采集目標(biāo)信息更多自由度,從而避免盲速,以及防止位于零點(diǎn)或較低位置上的單基RCS[8];④外輻射源雷達(dá)通常利用的外部照射源信號(hào)帶寬較窄,而微多普勒特征的開發(fā)利用不必要求距離高分辨,這一突出特點(diǎn)為低分辨雷達(dá)的目標(biāo)分類識(shí)別提供了新途徑。

本文圍繞DTMB外輻射源雷達(dá)微多普勒效應(yīng)實(shí)驗(yàn)研究情況展開討論,首先建立外輻射源雷達(dá)目標(biāo)微小運(yùn)動(dòng)信號(hào)模型,接著闡述了外輻射源雷達(dá)探測(cè)機(jī)理和信號(hào)處理相關(guān)關(guān)鍵技術(shù),最后介紹了實(shí)驗(yàn)環(huán)境和配置,并給出了目標(biāo)微多普勒效應(yīng)探測(cè)典型結(jié)果。

1　外輻射源雷達(dá)目標(biāo)微動(dòng)信號(hào)模型

外輻射源雷達(dá)接收系統(tǒng)最少需要兩個(gè)通道:參考通道和監(jiān)測(cè)通道,分別用來(lái)接收參考信號(hào)和目標(biāo)回波信號(hào)。通過(guò)對(duì)參考信號(hào)和監(jiān)測(cè)信號(hào)進(jìn)行互相關(guān)模糊函數(shù)處理來(lái)獲取距離多普勒譜,據(jù)此實(shí)現(xiàn)目標(biāo)檢測(cè)。在特高頻(ultra high frequency,UHF)頻段,典型的外輻射源雷達(dá)監(jiān)測(cè)通道信號(hào)模型(經(jīng)匹配濾波后)可表示為

(1)

式中,τ,η分別是快時(shí)間和慢時(shí)間;Pr(τ)是距離包絡(luò);Ad,τd分別是直達(dá)波幅度和時(shí)延;Cn,τcn分別為第n條多徑的幅度和時(shí)延;Nc為多徑條數(shù);A0,R(η)分別是目標(biāo)幅度和雙基目標(biāo)距離;f0是發(fā)射信號(hào)中心頻率;c是光速。

當(dāng)目標(biāo)或目標(biāo)組成部分包含微動(dòng)時(shí),式(1)需要做如下修正

(2)

式中,ΦR(η)=2πf0R(η)/c為目標(biāo)主體運(yùn)動(dòng)相位項(xiàng);A(η)，ΦmD(η)分別為目標(biāo)微動(dòng)產(chǎn)生的幅度和相位調(diào)制項(xiàng),其表達(dá)形式為

(3)

式中,L,Ω分別為葉片長(zhǎng)度和旋轉(zhuǎn)速率;β為雙基地角;δ為方位角,定義為旋轉(zhuǎn)平面與雙基地角平分線之間的夾角;φ0為初始相位。

對(duì)于具有N個(gè)葉片的旋翼,其N個(gè)不同的初始旋轉(zhuǎn)角為

(4)

則總的接收信號(hào)模型變?yōu)?/p>

(5)

假定不考慮直達(dá)波和多徑雜波的影響,對(duì)式(5)沿慢時(shí)間維進(jìn)行傅里葉變換[13],得

(6)

可見,調(diào)制譜是由一系列譜線間隔為Δf=NΩ/2π的譜線組成。其中，Cm為譜線幅度,由Bessel函數(shù)確定;fd為目標(biāo)主體多普勒頻移;M為調(diào)制譜的譜線個(gè)數(shù),其表達(dá)式為

(7)

由此可得微多普勒信號(hào)帶寬為

(8)

式中，Vtip=L·Ω為葉尖速度。

本節(jié)將結(jié)合DTMB外輻射源雷達(dá)微多普勒效應(yīng)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景,通過(guò)式(5)表示的信號(hào)模型對(duì)目標(biāo)微多普勒特征進(jìn)行仿真,仿真參數(shù)設(shè)置為:信號(hào)載頻754 MHz,葉片長(zhǎng)度為0.75 m,葉片數(shù)為3,葉片轉(zhuǎn)動(dòng)速率為290 rpm和240 rpm,雙基地角為33°,方位角為25°。

圖1(a)為葉片轉(zhuǎn)動(dòng)速率為290 rpm時(shí)仿真的回波信號(hào)功率譜,可見功率譜是由一系列譜線構(gòu)成的,根據(jù)前述信號(hào)模型計(jì)算可得譜線間隔Δf=14.5 Hz,譜線條數(shù)M=6,微多普勒帶寬B=87 Hz。圖1(b)為利用短時(shí)傅里葉變換表示的聯(lián)合時(shí)頻微多普勒特征,從圖中微多普勒樣式關(guān)于平均多普勒頻率不對(duì)稱的特點(diǎn)可知葉片數(shù)為奇數(shù),另外從聯(lián)合時(shí)頻圖中還可同時(shí)估計(jì)出葉片轉(zhuǎn)動(dòng)周期和微多普勒帶寬。圖2(a)、圖2(b)分別為葉片轉(zhuǎn)動(dòng)速率為240 rpm時(shí)的功率譜和聯(lián)合時(shí)頻微多普勒特征,通過(guò)理論計(jì)算可得譜線間隔Δf=12 Hz,譜線條數(shù)M=6,微多普勒帶寬B=72 Hz。從以上兩個(gè)仿真實(shí)例可以看出,理論計(jì)算值與仿真結(jié)果具有非常好的一致性。

圖1　目標(biāo)轉(zhuǎn)速為290 rpm的仿真結(jié)果Fig.1　Simulation results of the target with a rotation rate of 290 rpm

圖2　目標(biāo)轉(zhuǎn)速為240 rpm的仿真結(jié)果Fig.2　Simulation results of the target with a rotation rate of 240 rpm

2　信號(hào)處理關(guān)鍵技術(shù)

2.1參考信號(hào)獲取

外輻射源雷達(dá)參考通道通過(guò)定向天線指向發(fā)射站來(lái)獲取參考信號(hào),實(shí)際應(yīng)用中參考通道信號(hào)不可避免地存在多徑和噪聲干擾,參考信號(hào)的純凈程度直接決定雷達(dá)探測(cè)性能的好壞,因此純凈參考信號(hào)的獲取是外輻射源雷達(dá)目標(biāo)探測(cè)的重要環(huán)節(jié)。本文參考信號(hào)獲取采用文獻(xiàn)[4]中提出的參考信號(hào)重構(gòu)方法,該方法針對(duì)我國(guó)DTMB信號(hào)特有的結(jié)構(gòu)特征而提出,重構(gòu)流程需要經(jīng)過(guò)同步、信道估計(jì)、譯碼糾錯(cuò)等步驟得到發(fā)送端傳送的二進(jìn)制比特流,然后根據(jù)DTMB信號(hào)調(diào)制原理,重新生成發(fā)射端傳送的時(shí)域信號(hào)?；趯?shí)測(cè)數(shù)據(jù)處理結(jié)果表明了其對(duì)DTMB外輻射源雷達(dá)的實(shí)用性[5]。

2.2多徑雜波抑制

依據(jù)式(5)所表示的監(jiān)測(cè)通道信號(hào)模型,監(jiān)測(cè)通道中含有不希望的直達(dá)波和多徑雜波(為描述方便,統(tǒng)稱多徑雜波),由于廣播信號(hào)以連續(xù)波形式主要向地面輻射,多徑雜波功率很強(qiáng),使得實(shí)際有用信號(hào)要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于多徑雜波,即便經(jīng)過(guò)相干匹配,雜波仍可能產(chǎn)生較高的多普勒和距離副瓣,這些副瓣會(huì)掩蓋目標(biāo)信號(hào)。因此，多徑雜波抑制是外輻射源雷達(dá)目標(biāo)探測(cè)必須解決的關(guān)鍵問(wèn)題。本文選擇文獻(xiàn)[14-15]中提出的基于分載波空域處理方法,該方法專門針對(duì)OFDM調(diào)制方式而提出,它可以在抑制主路徑雜波的同時(shí)抑制弱多徑雜波。分載波空域處理先將外輻射源雷達(dá)陣列接收的時(shí)域信號(hào)變換到頻域(子載波域),然后通過(guò)對(duì)各載波信號(hào)分別求取干擾協(xié)方差矩陣和空間自適應(yīng)系數(shù)以濾除多徑雜波。

3　實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1實(shí)驗(yàn)環(huán)境和配置

武漢大學(xué)利用新近研制的UHF波段多通道外輻射源雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)于2014年8月上旬在武漢大學(xué)外輻射源雷達(dá)實(shí)驗(yàn)觀測(cè)研究站開展了目標(biāo)微多普勒效應(yīng)探測(cè)實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景配置如圖3所示。武漢地區(qū)DTMB(信號(hào)中心頻率754 MHz,帶寬8 MHz,垂直極化)發(fā)射站位于龜山電視塔,實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地距發(fā)射站距離大約7.9 km,目標(biāo)到接收站距離大約為3 m。圖3中的小圖為實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)照片,8單元均勻圓形陣列配置為監(jiān)測(cè)通道,實(shí)驗(yàn)用一風(fēng)扇來(lái)模擬微動(dòng)目標(biāo),風(fēng)扇葉片數(shù)為3,葉片長(zhǎng)度為0.75 m,實(shí)驗(yàn)分別在葉片轉(zhuǎn)速約為280～290 rpm和230～240 rpm兩種條件下采集數(shù)據(jù)。

圖3　實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景Fig.3　Experimental scenario

3.2結(jié)果分析

圖4為葉片轉(zhuǎn)速約為280～290 rpm時(shí)所采集到的一組數(shù)據(jù)的處理結(jié)果。其中圖4(a)為多徑雜波抑制前的距離多普勒譜,可見零多普勒處存在強(qiáng)的多徑雜波,目標(biāo)回波被掩蓋。利用分載波空域處理后的結(jié)果如圖4(b)所示,可見經(jīng)雜波抑制后沿多普勒軸在零多普勒周圍呈周期出現(xiàn)了多次諧波副峰,這是因?yàn)轱L(fēng)扇沒(méi)有平移運(yùn)動(dòng),旋轉(zhuǎn)的風(fēng)扇葉片在雷達(dá)回波中產(chǎn)生了額外的頻率調(diào)制,表現(xiàn)在頻譜上的特征就是在零多普勒周圍產(chǎn)生諧波譜線。為了進(jìn)一步分析頻率調(diào)制特性,圖4(c)顯示了葉片回波信號(hào)的功率譜,功率譜由一系列間隔為Δf=98.4/6=16.4 Hz的諧波譜線組成,

譜線條數(shù)M=6,微多普勒帶寬B=98.4 Hz。對(duì)比圖1(a)中的仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)，二者形態(tài)特征具有高度一致性,但是實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)譜線間隔與微多普勒帶寬要略大于仿真結(jié)果,相對(duì)誤差大約為13%,這是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)當(dāng)天風(fēng)速很大,豎直面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)的風(fēng)扇葉片類似于風(fēng)力發(fā)電機(jī),容易受到風(fēng)速的影響。圖4(d)為利用短時(shí)傅里葉變換表示的旋轉(zhuǎn)葉片聯(lián)合時(shí)頻微多普勒特征,由于殘余雜波及環(huán)境噪聲的影響,圖中微多普勒特征發(fā)生了一定程度的畸變,對(duì)比圖1(b)仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)，二者還是具有非常高的相似性。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果的可靠性,進(jìn)行了第二次試驗(yàn),圖5為葉片轉(zhuǎn)速約為230～240 rpm時(shí)所采集到的另一組數(shù)據(jù)的處理結(jié)果。其中圖5(a)、圖5(b)分別為多徑雜波抑制前、后的距離多普勒譜,可見經(jīng)多徑雜波抑制后目標(biāo)微多普勒特征凸顯出來(lái),直觀上可發(fā)現(xiàn)圖5(b)的微多普勒擴(kuò)展范圍小于圖4(b),這符合預(yù)期,因?yàn)樽畲笪⒍嗥绽疹l率依賴于葉尖速度。圖5(c)為微多普勒信號(hào)功率譜,其形態(tài)特征與圖2(a)仿真結(jié)果非常類似,進(jìn)一步從圖中提取譜線間隔Δf=13.67 Hz,譜線條數(shù)M=6,微多普勒帶寬B=82.02 Hz。由于風(fēng)速的影響,譜線間隔與微多普勒帶寬同樣要略大于仿真結(jié)果,相對(duì)誤差大約為14%。圖5(d)顯示了微多普勒信號(hào)的聯(lián)合時(shí)頻特征,與圖2(b)中的仿真結(jié)果基本一致。

圖4　目標(biāo)轉(zhuǎn)速為290 rpm時(shí)處理結(jié)果Fig.4　Experimental results of the target with a rotation rate of 290 rpm

圖5　目標(biāo)轉(zhuǎn)速為240 rpm時(shí)處理結(jié)果Fig.5　Experimental results of the target with a rotation rate of 240 rpm

4　結(jié)　論

本文從外輻射源雷達(dá)目標(biāo)微動(dòng)信號(hào)模型、信號(hào)處理關(guān)鍵技術(shù)、實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景及結(jié)果分析等幾個(gè)方面闡述了利用DTMB外輻射源雷達(dá)開展微多普勒效應(yīng)實(shí)驗(yàn)的情況。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)處理結(jié)果與仿真分析基本相符證明了DTMB外輻射源雷達(dá)用于目標(biāo)微多普勒效應(yīng)探測(cè)的可行性。后續(xù)工作將包括直升機(jī)、螺旋槳飛機(jī)等機(jī)動(dòng)目標(biāo)微多普勒效應(yīng)探測(cè)實(shí)驗(yàn),并研究基于微多普勒特征的外輻射源雷達(dá)目標(biāo)識(shí)別方法,相關(guān)工作將使得外輻射源雷達(dá)功能得到拓展,其整體性能也將得到提升。

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Experimentation on micro-Doppler effect with passive radar based on digital terrestrial multimedia broadcasting

WAN Xian-rong,SHAO Qi-hong,XIA Peng,DAN Yang-peng

(School of Electronic Information,Wuhan University,Wuhan 430072,China)

The experimental research of micro-Doppler effect in digital terrestrial multimedia broadcasting (DTMB)based passive radar is presented by using the newly-developed multichannel passive radar system of Wuhan University.Firstly,the passive radar micro-motion model is established.Secondly,the key techniques in signal processing are briefly discussed.Finally,the experimental progress is highlighted,including system introduction,illustration and analysis of typical experimental results of micro-Doppler effect,which proves the technical feasibility of using DTMB for micro-Doppler effect detection.

passive radar; digital terrestrial multimedia broadcasting (DTMB); micro-Doppler effect

2015-09-17；

2016-07-03；網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先出版日期：2016-07-18。

國(guó)家自然科學(xué)基金(61271400,61331012,61371197,U1333106)；國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2016YFB0502403)；湖北省支撐項(xiàng)目(2015BCE075)資助課題

TN 958.97

ADOI:10.3969/j.issn.1001-506X.2016.11.08

萬(wàn)顯榮(1975-),男,教授,博士研究生導(dǎo)師,博士,主要研究方向?yàn)橥廨椛湓蠢走_(dá)系統(tǒng)、高頻雷達(dá)系統(tǒng)與雷達(dá)信號(hào)處理。

E-mail:xrwan@whu.edu.cn

邵啟紅(1982-),男,博士研究生,主要研究方向?yàn)橥廨椛湓蠢走_(dá)與超視距雷達(dá)信號(hào)處理。

E-mail:qihongshao@163.com

夏鵬(1986-),男,博士研究生,主要研究方向外輻射源雷達(dá)成像與目標(biāo)識(shí)別。

E-mail:xiapeng@whu.edu.cn

但陽(yáng)鵬(1993-),男,博士研究生,主要研究方向?yàn)橥廨椛湓蠢走_(dá)波形分析、SAR成像。

E-mail:ypd@whu.edu.cn

網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/11.2422.TN.20160718.1039.006.html