寬帶外輻射源雷達系統(tǒng)設(shè)計與原理實驗

(1.武漢大學(xué)電子信息學(xué)院， 湖北武漢 430072； 2.同方電子科技有限公司， 江西九江 332007)

0 引言

外輻射源雷達是利用第三方發(fā)射的電磁信號探測跟蹤目標(biāo)的雙/多基地雷達系統(tǒng)[1-2]，具有綠色環(huán)保、隱蔽性強、易于部署和組網(wǎng)等優(yōu)點。現(xiàn)階段外輻射源雷達可利用的第三方照射源主要包括FM廣播、數(shù)字音頻廣播DAB、數(shù)字視頻廣播(DVB-T，CMMB，DTMB)、全球定位系統(tǒng)信號GPS、WiFi信號、第四代移動通信LTE等，涵蓋HF、VHF和UHF等多個頻段。目前比較成熟的外輻射源雷達系統(tǒng)多是針對單個頻段定制的實驗系統(tǒng)，利用單一頻率照射源進行目標(biāo)探測，系統(tǒng)探測范圍受收發(fā)站幾何位置約束，可用信號功率有限，存在探測盲區(qū)。如何優(yōu)化雷達覆蓋范圍，提高目標(biāo)檢測性能，是當(dāng)今外輻射源雷達領(lǐng)域的研究熱點。

利用多個不同頻率的信號進行外輻射源雷達目標(biāo)探測，可以提高探測性能，國內(nèi)外就此方向已有諸多研究。文獻[3]利用多個GSM發(fā)射站信號以提高外輻射源雷達目標(biāo)定位精度。文獻[4]討論了一種多頻WiFi外輻射源雷達信號帶寬合成方法，仿真證實該方法可以改善輸出信噪比和提高距離分辨率。文獻[5-7]研究多調(diào)頻廣播外輻射源雷達相位補償方法，通過理論分析和外場實驗論證多調(diào)頻廣播可以提高目標(biāo)檢測概率。文獻[8-10]通過實驗驗證多個頻率的DVB-T信號相比單個頻率能顯著增強目標(biāo)檢測性能。文獻[11-12]指出可以利用同一個發(fā)射站的不同頻率信號提高外輻射源雷達SAR/ISAR成像分辨率。文獻[13-14]介紹了一種多基地多頻段遠程外輻射源雷達系統(tǒng)，該系統(tǒng)可同時利用FM廣播、數(shù)字音頻廣播DAB(VHF)和數(shù)字視頻廣播DVB-T(UHF)三個頻段多個不同頻率信號進行目標(biāo)探測，實驗結(jié)果表明該系統(tǒng)能夠較好地捕獲和跟蹤機動地面目標(biāo)、戰(zhàn)斗機以及慢速小型飛機。

本文基于外輻射源雷達多頻探測需求，研究和設(shè)計了一款小型化寬帶外輻射源雷達系統(tǒng)，介紹了該系統(tǒng)的總體架構(gòu)以及關(guān)鍵模塊的設(shè)計，給出了系統(tǒng)的主要性能參數(shù)。最后重點介紹了利用本系統(tǒng)開展雙頻DTMB信號目標(biāo)探測實驗的情況，主要包括實驗場景、信號處理流程以及初步實驗結(jié)果等。

1 系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

外輻射源雷達系統(tǒng)至少要包含2個通道：監(jiān)測通道和參考通道，分別用來接收目標(biāo)回波信號和直達波信號。本文設(shè)計的雙通道外輻射源雷達系統(tǒng)由天線、接收機和上位機組成。其中接收機主要包括高集成度AD9371射頻芯片、可編程邏輯器件FPGA和萬兆以太網(wǎng)傳輸接口等核心模塊。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。下面詳細介紹各模塊的設(shè)計方案。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

為滿足多頻探測需求，本文所設(shè)計寬帶外輻射源雷達系統(tǒng)應(yīng)滿足以下要求：1)工作頻率范圍廣，盡可能覆蓋絕大部分外輻射源第三方照射源頻段，充分兼顧不同頻段照射源在距離覆蓋、分辨率性能和地域上的獨特優(yōu)勢，實現(xiàn)多波段綜合一體化[1]。2)工作帶寬寬且可調(diào)，能夠同時采集同一頻段多個不同頻率的寬帶電臺信號，實現(xiàn)外輻射源雷達多頻探測，改善雷達覆蓋范圍、距離和方位分辨率、檢測信噪比等性能。基于以上兩點要求，本文選用ADI公司的AD9371射頻芯片完成信號的采集，該芯片可工作在300 MHz～6 GHz寬頻率范圍，支持高達100 MHz接收帶寬。芯片采用零中頻接收機架構(gòu)，內(nèi)部具有兩個完全相同的接收通道，可完成射頻信號的放大、混頻、采樣、濾波和數(shù)字下變頻等過程。芯片內(nèi)部提供直流失調(diào)校正、正交誤差校正功能，噪聲系數(shù)低、動態(tài)范圍大、鏡像抑制度高、通道隔離性能良好，能夠滿足雷達信號處理的要求。

實際工作中雷達接收遠距離目標(biāo)回波強度很弱，由于AD9371芯片內(nèi)部最大增益只有約17 dB，遠遠達不到要求，本系統(tǒng)采用Mini Circuit公司CMA-63+芯片和DVGA2-33A+芯片對前端信號進行兩級放大，前者可提供20 dB固定增益，后者提供約30 dB范圍可調(diào)增益。靈活的增益控制使系統(tǒng)能夠適用于各種復(fù)雜環(huán)境。

為滿足雷達高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性和準確性，本系統(tǒng)采用FPGA作為主控芯片，完成系統(tǒng)配置和數(shù)據(jù)傳輸。綜合考慮資源、性能、價格等因素，系統(tǒng)選用Xilinx Kintex-7系列FPGA。考慮計算復(fù)雜性，F(xiàn)PGA內(nèi)部僅完成AD芯片配置、數(shù)據(jù)接收與組幀、緩存模塊讀寫控制等功能，信號處理部分交由上位機完成。上位機與接收機之間通過標(biāo)準萬兆以太網(wǎng)接口實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，主要包括兩方面的內(nèi)容：一是將上位機軟件設(shè)置的參數(shù)配置信息，包括帶寬、采樣率、混頻器中心頻率、增益等傳送至接收機；二是將采集到的寬帶高速數(shù)據(jù)傳輸至上位機。萬兆以太網(wǎng)接口不僅能夠滿足傳輸速率的要求，并且可以實現(xiàn)遠距離傳輸，結(jié)構(gòu)簡單，具有良好的通用性。

AD9371采用高速串行JESD204B接口實現(xiàn)基帶數(shù)據(jù)傳輸，該接口需設(shè)計時鐘同步電路以實現(xiàn)發(fā)送端(AD9371)和接收端(FPGA)數(shù)據(jù)同步。系統(tǒng)的時鐘同步方案設(shè)計如圖2所示，其中晶振芯片CVHD-950作為系統(tǒng)參考源時鐘，時鐘分配芯片選型為AD9528，該芯片內(nèi)部集成JESD204B SYSREF發(fā)生器，具有多路低抖動、低相噪、高性能時鐘輸出，可實現(xiàn)完全靈活的時序?qū)R。

圖2 時鐘同步方案

系統(tǒng)整體工作流程如下：從天線接收的兩路信號可直接通過電纜進入接收機，經(jīng)低噪放后進入AD9371射頻芯片，AD9371芯片將射頻模擬信號轉(zhuǎn)變?yōu)榛鶐?shù)字信號，再經(jīng)高速串行JESD204B接口傳輸至FPGA，F(xiàn)PGA接收數(shù)據(jù)并按照萬兆以太網(wǎng)幀格式將數(shù)據(jù)傳送至上位機，最后在上位機中對數(shù)據(jù)進行處理實現(xiàn)目標(biāo)檢測和跟蹤。表1給出了系統(tǒng)的主要性能參數(shù)。

表1 系統(tǒng)基本技術(shù)參數(shù)

2 外場實驗

2.1 實驗場景

數(shù)字電視地面廣播(Digital Television Terrestrial Multimedia Broadcasting，DTMB)是我國提出的具有自主知識產(chǎn)權(quán)的數(shù)字地面電視廣播標(biāo)準，采用正交頻分復(fù)用調(diào)制技術(shù)，抗多徑能力強，信號帶寬大，距離分辨率高。目前DTMB信號已覆蓋全國300多個城市，為開展DTMB外輻射源雷達探測研究提供了良好的條件。國內(nèi)多家研究機構(gòu)已就DTMB信號模糊函數(shù)分析[15]、參考信號重構(gòu)[16-18]、雜波抑制[19-21]等方面進行了詳細理論分析，眾多合作/非合作目標(biāo)探測實驗結(jié)果證明了DTMB信號作為外輻射源雷達機會照射源的可行性[22-24]。據(jù)調(diào)研，利用多頻DTMB信號進行外輻射源雷達目標(biāo)探測研究尚少見報道。

為驗證本文所設(shè)計寬帶外輻射源雷達系統(tǒng)的性能，開展了雙頻DTMB信號目標(biāo)探測外場實驗。實驗站位場景圖如圖3所示，其中接收站位于四川省廣漢機場附近，兩個DTMB信號發(fā)射站分別位于廣漢市和成都市，信號中心頻率分別為634 MHz和626 MHz，帶寬均為8 MHz。本次實驗采用兩副八木天線分別指向兩個發(fā)射站，經(jīng)功率合成器合為一路后送入接收機參考通道，監(jiān)測通道采用單副八木天線指向目標(biāo)所在區(qū)域。實驗過程中還同時存儲了民航飛機所發(fā)射的廣播式自動相關(guān)監(jiān)視(Automatic Dependent Surveyllance-Broadcast，ADS-B)信號，視作非合作目標(biāo)的真實狀態(tài)信息，可與雷達處理結(jié)果進行比對和驗證。系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置如表2所示。

圖3 實驗場景圖

參數(shù)參數(shù)值中心頻率630MHz帶寬16MHz采樣率25MHz數(shù)據(jù)率200MB/s

2.2 信號處理流程

本次實驗同時接收兩個發(fā)射站不同頻率的DTMB信號，信號處理過程如下：首先將兩個發(fā)射站的信號通過濾波器分離出來，然后對每個頻率單獨進行分析與處理，最后將兩個頻率的結(jié)果進行比較和綜合。單個頻率的信號處理流程與傳統(tǒng)外輻射源雷達信號典型處理流程相同，如圖4所示，其中參考通道不可避免會混入多徑雜波和噪聲，需對直達波進行提純以獲得純凈的參考信號。針對數(shù)字廣播電視信號易于編解碼等特點，本文采用的是基于重構(gòu)技術(shù)的參考信號獲取方法。監(jiān)測通道除了弱目標(biāo)回波信號之外，還會引入較強的直達波以及多徑雜波(統(tǒng)稱雜波干擾)，需要對雜波干擾進行抑制以防止目標(biāo)回波信號被掩蓋。雜波干擾抑制方法有很多種，大致可分為兩類，時域方法和空域方法，本文采用的是一種時域雜波對消方法[25-26]。提純后的參考信號與雜波干擾抑制后的監(jiān)測信號進行互模糊處理得到距離多普勒譜，在距離-多普勒二維平面上進行恒虛警檢測(CFAR)得到目標(biāo)點跡信息，將連續(xù)多場數(shù)據(jù)的點跡信息進行整合得到完整航跡，最后與ADS-B記錄的航跡信息進行比對。

圖4 信號處理流程

2.3 實驗結(jié)果

接收信號頻譜如圖5所示，從頻譜上可以清晰看到2個頻率的DTMB信號，廣漢發(fā)射站距離接收站位置較近，接收信號功率大于成都發(fā)射站。圖6(a)、(b)、(c)、(d)分別是626 MHz、634 MHz雙基距離和雙基速度比對結(jié)果，與ADS-B記錄信息吻合的有目標(biāo)5、10、12、13、21，其中目標(biāo)5只有在626 MHz比對結(jié)果中被檢測到。圖7展示了收發(fā)站相對位置以及ADS-B記錄的上述5個目標(biāo)真實飛行航跡，航跡末端用箭頭指示。觀察并比較同一目標(biāo)在兩個頻率的點跡比對結(jié)果和該目標(biāo)在不同時段的實際航行位置，可以發(fā)現(xiàn)：

圖5 信號頻譜圖

(a) 626 MHz雙基距離比對結(jié)果

(b) 626 MHz雙基速度比對結(jié)果

(c) 634 MHz雙基距離比對結(jié)果

(d) 634 MHz雙基速度比對結(jié)果圖6 雙頻探測實驗比對結(jié)果

圖7 目標(biāo)實際航跡

1) 在方向1上，即目標(biāo)5第120～170 s時段、目標(biāo)10第60～120 s時段，626 MHz檢測點跡連續(xù)，634 MHz未檢測到有效點跡。目標(biāo)5在120 s之前、目標(biāo)10在60 s之前飛行位置處于天線波束范圍之外，未被檢測到。

2) 在方向2上，即目標(biāo)10第130～170 s時段、目標(biāo)13第15～80 s時段，634 MHz檢測結(jié)果明顯優(yōu)于626 MHz檢測結(jié)果。目標(biāo)10第120～130 s時段以及目標(biāo)13在前15 s處于轉(zhuǎn)彎時期，雙基速度變化大，檢測點跡較少。

3) 在方向3上，即目標(biāo)13第100～170 s時段、目標(biāo)12第0～50 s時段、目標(biāo)21第120～170 s時段，兩個頻率檢測結(jié)果均較連續(xù)。目標(biāo)12在50 s之后、目標(biāo)21在100 s之前均處于天線波束范圍外，未被檢測到。

對本次實驗其他多組數(shù)據(jù)進行處理，所得結(jié)果與上述分析一致。從實驗結(jié)果可以看出，兩個頻率信號在不同方向上的目標(biāo)檢測結(jié)果存在較大差異，其可能原因有：1)目標(biāo)飛行軌跡、姿態(tài)、信號相對入射和散射方向等原因?qū)е履繕?biāo)散射截面RCS不同；2)接收信號功率、天線方向圖、雜波環(huán)境等因素綜合導(dǎo)致目標(biāo)信噪比不同。

從比對結(jié)果來看，兩個頻率均可以良好地檢測到目標(biāo)，為了定量描述兩個頻率目標(biāo)探測的性能，對上述目標(biāo)多個檢測時刻的樣本進行統(tǒng)計分析，得到如表3所示的統(tǒng)計結(jié)果。從表中可知：同一目標(biāo)在不同頻率信號中的目標(biāo)檢測點數(shù)有所差異，并且具有良好的互補性，將兩個頻率結(jié)果融合后，檢測點數(shù)顯著增多，即多頻探測可以彌補單頻在某些時刻上的檢測損失，使檢測結(jié)果更連續(xù)。

表3 目標(biāo)檢測統(tǒng)計結(jié)果

實驗結(jié)果表明，相比于單個頻率，多頻探測方案可以顯著提高目標(biāo)的檢測能力，提升外輻射源雷達探測的穩(wěn)健性。

3 結(jié)束語

本文研究和設(shè)計了一種高集成度、低成本、小型化寬帶外輻射源雷達接收系統(tǒng)，為驗證系統(tǒng)性能開展了雙頻DTMB信號目標(biāo)探測原理實驗，實驗結(jié)果初步論證了外輻射源雷達多頻探測的優(yōu)勢，即能夠擴大雷達探測覆蓋范圍，提高目標(biāo)檢測能力，這為外輻射源雷達在空域監(jiān)視等領(lǐng)域推廣使用提供了一定的參考價值。后續(xù)圍繞本系統(tǒng)開展了多頻外輻射源雷達SAR/ISAR成像研究實驗，相關(guān)工作將進一步拓展外輻射源雷達多頻探測的優(yōu)勢。