數字地面多媒體廣播外輻射源雷達微多普勒效應實驗

萬顯榮,邵啟紅,夏　鵬,但陽鵬

(武漢大學電子信息學院,湖北 武漢 430072)

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數字地面多媒體廣播外輻射源雷達微多普勒效應實驗

萬顯榮,邵啟紅,夏鵬,但陽鵬

(武漢大學電子信息學院,湖北 武漢 430072)

論述了利用武漢大學新近研制的多通道外輻射源雷達系統開展基于地面數字多媒體廣播(digital terrestrial multimedia broadcasting,DTMB)外輻射源雷達微多普勒效應實驗的研究結果。首先建立了外輻射源雷達目標微動信號模型,接著簡要闡述了信號處理的主要關鍵技術,最后重點介紹了實驗開展的情況,包括系統配置、目標微多普勒效應實驗典型結果及分析,從實驗上證實了利用DTMB信號實現目標微多普勒效應探測的技術可行性。

外輻射源雷達; 數字地面多媒體廣播; 微多普勒效應

0　引　言

外輻射源雷達是一種基于非合作電磁輻射源(如廣播、通信、衛星信號)的目標探測系統,具有節約頻譜資源、綠色環保、雙基地反隱身、抗摧毀能力強、易于部署和組網的特點。數字廣播技術的推廣與應用為外輻射源雷達提供了契機,使之成為近十年來新體制雷達的研究熱點之一,并具有系統配置網絡化、多波段綜合一體化、承載平臺多樣化、應用場景多元化的發展趨勢[1]。我國2006年推出的數字地面電視多媒體廣播(digital television/terrestrial multimedia broadcasting,DTMB)標準是世界上第4個具有獨立知識產權數字電視國際標準,采用了時域同步正交頻分復用(time domain synchronous-orthogonal frequency division multiplexing，TDS-OFDM)調制、幀結構與自然日周期同步的新技術,具有頻譜效率高、抗多徑能力強、適用于移動接收的特點[2]。當前,我國DTMB廣播網覆蓋范圍已超過300個城市,這為基于該波形的新體制雷達提供了堅實的基礎條件,國內多家研究單位已就基于DTMB的外輻射源雷達展開研究并取得了一系列成果,包括信號的模糊函數特性分析[3]、參考信號的提純與重構[4-5]、直達波干擾的抑制方法[6]以及目標探測外場實驗對比[7]等。然而,到目前為止還未見到國內進行外輻射源雷達微多普勒效應及非合作目標識別研究的公開報道。

雷達目標微多普勒是目標微小運動對雷達信號的一種調制效應,體現在回波頻譜產生多普勒邊帶,該效應主要由目標除質心平動之外的轉動、加速以及振動引起[8]。由于微動屬于目標的精細結構,通常被認為是目標獨一無二的運動狀態,因此微多普勒效應提供了目標散射截面積之外的特征信息,對雷達目標特征提取與分類識別具有重要價值。文獻[9]提出在時頻分析的基礎上,結合Hough變換進行微多普勒特征提取;而文獻[10]利用多輸入多輸出(multiple-input multiple-output,MIMO)雷達的多視角特性,實現了目標三維微動特征的提取。文獻[11]建立了卡車微動模型,為卡車微多普勒特征提取及識別研究打下基礎。文獻[12]則通過經驗模態分解提取空中飛機目標旋轉部件產生的微多普勒特征,使用支持矢量機分類器在較高信噪比條件下獲得了較高的正確識別率。

基于數字廣播信號的外輻射源雷達由于其體制上的特點,在微多普勒效應探測及其利用等方面具有得天獨厚的優勢和吸引力:①該體制雷達相干積累時間可以很長,從而可記錄多個連續的回波閃爍,同時也提高了對低雷達散射截面(radar cross section,RCS)目標的探測與識別能力;②采用連續波作為機會照射源可避免頻率混疊;③收發分離的雙基結構提供了采集目標信息更多自由度,從而避免盲速,以及防止位于零點或較低位置上的單基RCS[8];④外輻射源雷達通常利用的外部照射源信號帶寬較窄,而微多普勒特征的開發利用不必要求距離高分辨,這一突出特點為低分辨雷達的目標分類識別提供了新途徑。

本文圍繞DTMB外輻射源雷達微多普勒效應實驗研究情況展開討論,首先建立外輻射源雷達目標微小運動信號模型,接著闡述了外輻射源雷達探測機理和信號處理相關關鍵技術,最后介紹了實驗環境和配置,并給出了目標微多普勒效應探測典型結果。

1　外輻射源雷達目標微動信號模型

外輻射源雷達接收系統最少需要兩個通道:參考通道和監測通道,分別用來接收參考信號和目標回波信號。通過對參考信號和監測信號進行互相關模糊函數處理來獲取距離多普勒譜,據此實現目標檢測。在特高頻(ultra high frequency,UHF)頻段,典型的外輻射源雷達監測通道信號模型(經匹配濾波后)可表示為

(1)

式中,τ,η分別是快時間和慢時間;Pr(τ)是距離包絡;Ad,τd分別是直達波幅度和時延;Cn,τcn分別為第n條多徑的幅度和時延;Nc為多徑條數;A0,R(η)分別是目標幅度和雙基目標距離;f0是發射信號中心頻率;c是光速。

當目標或目標組成部分包含微動時,式(1)需要做如下修正

(2)

式中,ΦR(η)=2πf0R(η)/c為目標主體運動相位項;A(η)，ΦmD(η)分別為目標微動產生的幅度和相位調制項,其表達形式為

(3)

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

對于具有N個葉片的旋翼,其N個不同的初始旋轉角為

(4)

則總的接收信號模型變為

(5)

假定不考慮直達波和多徑雜波的影響,對式(5)沿慢時間維進行傅里葉變換[13],得

(6)

可見,調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函數確定;fd為目標主體多普勒頻移;M為調制譜的譜線個數,其表達式為

(7)

由此可得微多普勒信號帶寬為

(8)

式中，Vtip=L·Ω為葉尖速度。

本節將結合DTMB外輻射源雷達微多普勒效應實驗場景,通過式(5)表示的信號模型對目標微多普勒特征進行仿真,仿真參數設置為:信號載頻754 MHz,葉片長度為0.75 m,葉片數為3,葉片轉動速率為290 rpm和240 rpm,雙基地角為33°,方位角為25°。

圖1(a)為葉片轉動速率為290 rpm時仿真的回波信號功率譜,可見功率譜是由一系列譜線構成的,根據前述信號模型計算可得譜線間隔Δf=14.5 Hz,譜線條數M=6,微多普勒帶寬B=87 Hz。圖1(b)為利用短時傅里葉變換表示的聯合時頻微多普勒特征,從圖中微多普勒樣式關于平均多普勒頻率不對稱的特點可知葉片數為奇數,另外從聯合時頻圖中還可同時估計出葉片轉動周期和微多普勒帶寬。圖2(a)、圖2(b)分別為葉片轉動速率為240 rpm時的功率譜和聯合時頻微多普勒特征,通過理論計算可得譜線間隔Δf=12 Hz,譜線條數M=6,微多普勒帶寬B=72 Hz。從以上兩個仿真實例可以看出,理論計算值與仿真結果具有非常好的一致性。

圖1　目標轉速為290 rpm的仿真結果Fig.1　Simulation results of the target with a rotation rate of 290 rpm

圖2　目標轉速為240 rpm的仿真結果Fig.2　Simulation results of the target with a rotation rate of 240 rpm

2　信號處理關鍵技術

2.1參考信號獲取

外輻射源雷達參考通道通過定向天線指向發射站來獲取參考信號,實際應用中參考通道信號不可避免地存在多徑和噪聲干擾,參考信號的純凈程度直接決定雷達探測性能的好壞,因此純凈參考信號的獲取是外輻射源雷達目標探測的重要環節。本文參考信號獲取采用文獻[4]中提出的參考信號重構方法,該方法針對我國DTMB信號特有的結構特征而提出,重構流程需要經過同步、信道估計、譯碼糾錯等步驟得到發送端傳送的二進制比特流,然后根據DTMB信號調制原理,重新生成發射端傳送的時域信號。基于實測數據處理結果表明了其對DTMB外輻射源雷達的實用性[5]。

2.2多徑雜波抑制

依據式(5)所表示的監測通道信號模型,監測通道中含有不希望的直達波和多徑雜波(為描述方便,統稱多徑雜波),由于廣播信號以連續波形式主要向地面輻射,多徑雜波功率很強,使得實際有用信號要遠遠低于多徑雜波,即便經過相干匹配,雜波仍可能產生較高的多普勒和距離副瓣,這些副瓣會掩蓋目標信號。因此，多徑雜波抑制是外輻射源雷達目標探測必須解決的關鍵問題。本文選擇文獻[14-15]中提出的基于分載波空域處理方法,該方法專門針對OFDM調制方式而提出,它可以在抑制主路徑雜波的同時抑制弱多徑雜波。分載波空域處理先將外輻射源雷達陣列接收的時域信號變換到頻域(子載波域),然后通過對各載波信號分別求取干擾協方差矩陣和空間自適應系數以濾除多徑雜波。

3　實驗結果

3.1實驗環境和配置

武漢大學利用新近研制的UHF波段多通道外輻射源雷達探測系統于2014年8月上旬在武漢大學外輻射源雷達實驗觀測研究站開展了目標微多普勒效應探測實驗,實驗場景配置如圖3所示。武漢地區DTMB(信號中心頻率754 MHz,帶寬8 MHz,垂直極化)發射站位于龜山電視塔,實驗場地距發射站距離大約7.9 km,目標到接收站距離大約為3 m。圖3中的小圖為實驗現場照片,8單元均勻圓形陣列配置為監測通道,實驗用一風扇來模擬微動目標,風扇葉片數為3,葉片長度為0.75 m,實驗分別在葉片轉速約為280～290 rpm和230～240 rpm兩種條件下采集數據。

圖3　實驗場景Fig.3　Experimental scenario

3.2結果分析

圖4為葉片轉速約為280～290 rpm時所采集到的一組數據的處理結果。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的多徑雜波,目標回波被掩蓋。利用分載波空域處理后的結果如圖4(b)所示,可見經雜波抑制后沿多普勒軸在零多普勒周圍呈周期出現了多次諧波副峰,這是因為風扇沒有平移運動,旋轉的風扇葉片在雷達回波中產生了額外的頻率調制,表現在頻譜上的特征就是在零多普勒周圍產生諧波譜線。為了進一步分析頻率調制特性,圖4(c)顯示了葉片回波信號的功率譜,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M=6,微多普勒帶寬B=98.4 Hz。對比圖1(a)中的仿真結果發現，二者形態特征具有高度一致性,但是實測數據譜線間隔與微多普勒帶寬要略大于仿真結果,相對誤差大約為13%,這是因為實驗當天風速很大,豎直面內轉動的風扇葉片類似于風力發電機,容易受到風速的影響。圖4(d)為利用短時傅里葉變換表示的旋轉葉片聯合時頻微多普勒特征,由于殘余雜波及環境噪聲的影響,圖中微多普勒特征發生了一定程度的畸變,對比圖1(b)仿真結果發現，二者還是具有非常高的相似性。

為了進一步驗證試驗結果的可靠性,進行了第二次試驗,圖5為葉片轉速約為230～240 rpm時所采集到的另一組數據的處理結果。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,可見經多徑雜波抑制后目標微多普勒特征凸顯出來,直觀上可發現圖5(b)的微多普勒擴展范圍小于圖4(b),這符合預期,因為最大微多普勒頻率依賴于葉尖速度。圖5(c)為微多普勒信號功率譜,其形態特征與圖2(a)仿真結果非常類似,進一步從圖中提取譜線間隔Δf=13.67 Hz,譜線條數M=6,微多普勒帶寬B=82.02 Hz。由于風速的影響,譜線間隔與微多普勒帶寬同樣要略大于仿真結果,相對誤差大約為14%。圖5(d)顯示了微多普勒信號的聯合時頻特征,與圖2(b)中的仿真結果基本一致。

圖4　目標轉速為290 rpm時處理結果Fig.4　Experimental results of the target with a rotation rate of 290 rpm

圖5　目標轉速為240 rpm時處理結果Fig.5　Experimental results of the target with a rotation rate of 240 rpm

4　結　論

本文從外輻射源雷達目標微動信號模型、信號處理關鍵技術、實驗場景及結果分析等幾個方面闡述了利用DTMB外輻射源雷達開展微多普勒效應實驗的情況。實測數據處理結果與仿真分析基本相符證明了DTMB外輻射源雷達用于目標微多普勒效應探測的可行性。后續工作將包括直升機、螺旋槳飛機等機動目標微多普勒效應探測實驗,并研究基于微多普勒特征的外輻射源雷達目標識別方法,相關工作將使得外輻射源雷達功能得到拓展,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；網絡優先出版日期：2016-07-18。

國家自然科學基金(61271400,61331012,61371197,U1333106)；國家重點研發計劃(2016YFB0502403)；湖北省支撐項目(2015BCE075)資助課題

TN 958.97

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

萬顯榮(1975-),男,教授,博士研究生導師,博士,主要研究方向為外輻射源雷達系統、高頻雷達系統與雷達信號處理。

E-mail:xrwan@whu.edu.cn

邵啟紅(1982-),男,博士研究生,主要研究方向為外輻射源雷達與超視距雷達信號處理。

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成像與目標識別。

E-mail:xiapeng@whu.edu.cn

但陽鵬(1993-),男,博士研究生,主要研究方向為外輻射源雷達波形分析、SAR成像。

E-mail:ypd@whu.edu.cn

網絡優先出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/11.2422.TN.20160718.1039.006.html