一种数字音频广播外辐射源雷达目标探测系统与方法

摘要

本发明公开了一种数字音频广播外辐射源雷达目标探测系统与方法，系统包括信号接收单元、信号处理单元和终端显示单元；信号接收单元包括天线模块、模拟接收机和数字接收机，用于接收并采集工作于模数混播模式或纯数字模式下的调频频段数字音频广播CDR信号；信号处理单元包括模数分离模块、CDR处理模块、FM处理模块和模数融合模块，用于实现模数混播模式或纯数字模式下的目标检测和融合；终端显示单元用于显示同步峰值、参考信号重构质量、杂波抑制效果、目标信息融合结果。本发明适用于CDR模数混播模式或纯数字模式；具有较广的覆盖范围、较高的距离分辨率和较好的低空覆盖性能；对运动目标具有有效的检测和分析能力。

说明书

技术领域

本发明属于外辐射源雷达技术领域，涉及一种数字音频广播外辐射源雷达系统及信号处理方法。

背景技术

外辐射源雷达是一种自身不发射信号、依靠第三方照射源进行目标探测跟踪的新体制双(多)基地雷达。典型的第三方照射源是调频广播，因其发射功率大、覆盖范围广等优良特性，基于调频广播信号的外辐射源雷达一直备受学术界重视，得到了最为广泛和深入的研究。然而由于FM信号频谱不稳定，FM外辐射源雷达探测性能不太稳定。

自上世纪90年代以来，受不断增长的用户需求激励，国外商业调频广播信号从模拟向数字不断演进。比模拟广播频谱更为稳定、内容更加丰富的数字音频广播应运而生，如DAB、DRM/DRM+、HD Radio。与此同时，国外外辐射源雷达系统也从利用模拟信号逐步向利用数字信号过渡，当数字音频广播作为外辐射源雷达的机会照射源可行性得到验证后，这类探测性能比FM外辐射源雷达更稳定的外辐射源雷达获得了迅猛的发展。我国模拟音频广播数字化发展相对滞后，2013年10月首个CDR数字音乐广播在深圳开播，标志着我国数字音频广播CDR的正式使用。对外辐射源雷达而言，亟待验证CDR作为机会照射源可行性，为我国广播频段外辐射源雷达的发展奠定基础。

CDR是我国自主研发的数字音频广播系统，该系统借鉴了中国移动多媒体广播(CMMB，俗称手机电视)等系统的经验，并根据现有调频广播频段频谱特性，频谱分配方式灵活，支持模数混播(与FM模拟广播同台、同频)和纯数字播放模式，支持多种子带分配方式，传输容量更高且频谱稳定，可应用于单频网和多频网工作模式。当被用于机会照射源时，将给外辐射源雷达带来诸多新的机遇和挑战。

发明内容

本发明提出了一种数字音频广播外辐射源雷达目标探测系统与方法，验证了中国数字音频广播信号作为机会照射源的可行性，为新照射源下的运动目标探测分析提供了一种高性能、鲁棒性好的解决方案。

本发明的系统所采用的技术方案是：一种数字音频广播外辐射源雷达目标探测系统，其特征在于：包括信号接收单元、信号处理单元和终端显示单元；

所述信号接收单元包括顺序连接的天线模块、模拟接收机和数字接收机，用于接收并采集工作于模数混播模式或纯数字模式下的调频频段数字音频广播CDR信号；

使用调频频段数字音频广播CDR信号作为机会照射源，该信号为中国自主研发的数字化调频频段广播信号，支持模数混播或纯数字两种工作模式。

天线模块包括参考天线和监测天线，参考天线指向CDR发射站，监测天线指向观测方向；经天线模块接收的信号送至模拟接收机，进行限幅、放大、混频、滤波处理后变换至特定中频信号，送至数字接收机进行AD采样、数字下变频处理，获得模数混播模式或纯数字模式下的基带信号。

所述信号处理单元包括模数分离模块、CDR处理模块、FM处理模块和模数融合模块，用于实现模数混播模式或纯数字模式下的目标检测和融合；

信号处理单元，能同时利用同频同台工作的CDR信号和FM信号探测目标，用于实现模数混播模式或纯数字模式下的目标检测和融合过程，包括模数分离模块、CDR处理模块、FM处理模块和数据融合模块，其中CDR处理模块包括参考信号提纯子模块、杂波抑制子模块、数字边带频谱合成子模块、匹配滤波子模块、目标检测子模块和目标距离精估计子模块；

所述终端显示单元即雷达显示界面，用于显示同步峰值、参考信号重构质量、杂波抑制效果、目标信息融合结果。

本发明的方法所采用的技术方案是：一种外辐射源雷达目标探测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：系统参数初始化，包括信号处理参数、检测参数和跟踪参数；初始化信号接收单元各参数，包括模拟接收机和数字接收机各项参数；初始化数据传输协议；

步骤2：天线模块接收的信号送至模拟接收机，进行限幅、放大、混频、滤波处理后变换至特定中频信号，送至数字接收机进行AD采样、数字下变频处理，获得模数混播模式或纯数字模式下的基带信号；最终送至上位机存储至硬盘；

步骤3：信号处理单元首先分离出数字基带信号中的CDR和FM信号并分别处理，获得两种信号中的目标信息后予以合成；

具体实现包括以下子步骤：

步骤3.1：从频谱仪中可得CDR频谱模式，可确定CDR工作于模数混播模式还是纯数字模式，进一步构造合适滤波器用于模数分离；

模数分离模块根据CDR频谱确定CDR的工作频谱模式，若为模数混播模式，使用高通滤波器可快速有效的分离出位于模拟调频广播信号两侧、频谱稳定的CDR信号；若为纯数字模式，则不需模数分离，后续也不必处理FM信号。

步骤3.2：FM信号采用FM处理模块处理后，获得目标信息(包括距离、速度等)；

步骤3.3：CDR信号经过CDR处理模块处理后，获得目标信息(包括距离、速度等)；

步骤3.3.1：对参考信号提纯，获得有导频均衡的参考信号和无导频均衡的参考信号；

参考信号提纯子模块，用于确定CDR传输模式、频谱模式、子帧分配方式等参数，并提纯参考信号，生成有导频均衡和无导频均衡的参考信号，主要包括以下步骤：

(1)对物理层CDR信号同步，确定物理层信号帧的起点和小数倍频偏、整数倍频偏；

当传输模式未知时，借助数据辅助法确定传输模式，即分别用本地产生的传输模式1、传输模式2、传输模式3的同步信号与参考通道CDR信号相关，根据相关峰的个数确定传输模式并保存以待下次同步；

当传输模式已知后，由于CDR的同步信号结构与中国移动数字电视广播CMMB的同步信号结构类似，可采用CMMB的同步方法来对CDR信号同步，即依次对参考信号中信标的两个同步信号进行粗同步、小数倍频偏估计、整数倍频偏估计操作，再利用本地同步信号和信标进行精同步操作；

(2)根据CDR频谱可确定频谱模式及包含的上半子带或下半子带个数，然后构造一个物理层子帧对应的子载波矩阵，补偿频偏后，利用本地离散导频对子载波矩阵作信道估计，提取出系统信息并予以解调，获得子帧分配方式、当前物理层信号帧的位置和当前子帧位置等信息；

(3)根据子帧分配方式，将积累时间内的物理层信号帧还原为逻辑层信号帧，对逻辑层信号帧解OFDM调制后，构造1个逻辑帧对应的子载波矩阵，对其信道估计、解交织后提取出1个逻辑帧内的三种元素(业务数据、业务描述信息、系统信息)，分别对三种元素解星座映射；

(4)若CDR信噪比小于或等于重构门限，三种元素的星座图发散，需经过符号流重构来提纯参考信号，即对解星座映射后的三种元素解前向纠错码，获得比特流后按照调制步骤进行再编码、星座映射、交织、星座映射、OFDM调制、子帧分配就可获得纯净的参考信号。星座映射时，导频均衡和无导频均衡分别对应不同的离散导频功率归一化因子，再调制后分别生成有导频均衡的参考信号、无导频均衡的参考信号；

(5)若CDR信噪比大于重构门限，三种元素的星座图集中，类似于星座图的硬解码，可采用非符号流重构来提纯参考信号，即对解星座映射后的三种元素直接进行星座映射、OFDM调制、子帧分配就可获得纯净的参考信号，能在一定程度上减少信号处理流程。和步骤(4)一样，也生成有导频均衡的参考信号、无导频均衡的参考信号。

步骤3.3.2：将无导频均衡的参考信号与监测信号输入至杂波抑制子模块，根据信道质量，选取合适的参数，包括抑制距离元个数和多普勒频率扩展范围，抑制监测信号中的强杂波和多径杂波；

杂波抑制子模块，针对外辐射源雷达回波中强直达波可能淹没弱目标的特点，利用提纯的无导频均衡的参考信号在多普勒维、距离维上的扩展，抑制监测信号中的直达波和多径杂波；

步骤3.3.3：将有导频均衡的参考信号和杂波抑制后的参考信号输入至数字边带合成子模块，根据频谱模式确定边带的个数和各个边带的标称频谱，进一步合成参考信号和监测信号中的所有数字边带；

数字边带频谱合成子模块，针对模数混播模式下彼此隔开的数字边带导致外辐射源雷达距离分辨率较低的特点，数字边带频谱合成模块将数字边带合成，包括以下步骤：

(1)时域补偿参考通道和监测通道上、下半子带的标称频率，即将上半子带和下半子带频谱搬移到基带，获得每个通道的上、下半基带信号；

(2)采用时域低通滤波的方式滤除上、下半基带信号在基带外的频率成分；

(3)将滤波后的上、下半基带信号相加，并加汉明窗。

步骤3.3.4：将子带合成后的参考信号和监测信号输入至匹配滤波子模块，获得距离多普勒谱后，检测出其中的目标并获得目标时延和多普勒频率；

匹配滤波子模块，针对信标长度不同于OFDM符号长度导致分块时同一距离单元慢时间维信号不一致的问题，采用非均匀采样的相干积累方法，对数字子带合成后的监测信号和有导频均衡的参考信号进行匹配滤波操作，获得距离多普勒谱。通过以下步骤实现；

(1)不考虑信标和循环前缀，将监测信号和参考信号的OFDM数据体分块后，获得快时间维相关值，再对慢时间维上的非均匀采样值加汉明窗；

(2)将每个子帧的慢时间维上的非均匀采样值分段后补零做DFT，并进行fftshift操作；

(3)子段频谱乘以相位因子后相干叠加。

步骤3.3.5：获取距离多普勒谱中每个目标的信息后进行距离精估计操作，获得准确的目标距离；

目标距离精估计子模块，针对数字边带频谱合成过程引入的目标幅度调制效应，目标距离精估计用于抵消这种幅度调制效应，准确估计目标的位置。包括以下步骤：

(1)检测出距离多普勒谱中的峰值，得到所有目标的时延和多普勒频率；

(2)对某个目标，构造与该目标多普勒频率有关的搜索参考信号，并设立含有该目标时延的时延搜索范围；

(3)针对搜索范围内的任一时延值，构造搜索监测信号，并计算搜索监测信号和搜索参考信号的距离谱，记录距离谱峰值的位置，若正好等于此时延值，记录主峰与副峰的比值，反之主、副峰比值为0；

(4)寻找主、副峰比值的最大值对应的时延，此时延即为此目标时延；

(5)精估计其他目标的距离时，重复步骤(2)~(5)。

步骤3.4：使用模数融合子模块有效融合两种信号的目标信息；

具体实现包括以下步骤：

(1)根据雷达方程，确定CDR信号和FM信号的共同覆盖范围，进一步确定模数融合中的双基地距离范围；

(2)基于双基地雷达模型，使用扩展卡尔曼滤波算法和全局最近邻域方法，分别跟踪FM、CDR信号中检测到的目标；

(2)判断各个目标的轨迹是否重合，若重合则判断为同一目标。

步骤4：处理结果呈现在终端显示单元上，包括同步峰值、信号星座图、参考信号重构质量、杂波抑制效果、目标信息融合结果。

本发明具有如下优点：

1. 验证了中国调频频段数字音频广播CDR作为外辐射源雷达的机会照射源的可行性；

2. 适用于模数混播模式或纯数字模式，具有较广的覆盖范围、较高的距离分辨率和较好的低空覆盖性能；

3. 具有准确度高、鲁棒性好且结构简单、适合移植到硬件系统的信号处理模块；

4. 对空中飞行目标具有有效的检测和分析能力。

附图说明

图1为本发明实施例的系统结构原理图；

图2为本发明实施例中的CDR处理模块流程图；

图3为本发明实施例的系统实施例图；

图4为本发明实施例中武汉CDR频谱图；

图5为本发明实施例中两种重构方式(符号流重构、非符号流重构)下，武汉地区CDR的三种元素的误码率随信噪比变化关系；

图6为本发明实施例中实测数据三种元素的星座图；

图7为本发明实施例中的CDR处理模块中的参考信号提纯子模块流程图；

图8为本发明实施例中重构前、后CDR信号的频谱；

图9为本发明实施例中无导频均衡的参考信号与监测信号的距离多普勒谱；

图10为本发明实施例中子带杂波抑制原理框图；

图11为本发明实施例中子带杂波抑制后的距离多普勒谱；

图12为本发明实施例中频谱合成的原理图；

图13为本发明实施例中频谱合成后的距离多普勒谱；

图14为本发明实施例中距离精估计结果和距离多普勒谱；

图15是本发明实施例中FM信号和CDR信号探测性能预估图；

图16为本发明实施例中FM信号和CDR信号探测到同一目标的结果。

具体实施方式

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

参见图1，本发明的系统包括信号接收单元、信号处理单元和终端显示单元，其中信号处理单元分为模数分离模块、CDR处理模块、FM处理模块和模数融合模块。CDR处理模块包括信号重构子模块、杂波抑制子模块、数字边带合成子模块、匹配滤波子模块、目标检测子模块和目标距离精估计子模块，如图2所示。

本实施例详细阐述了一种数字音频广播外辐射源雷达目标探测系统与方法，图3为本发明针对武汉CDR的外源雷达信号处理具体实施例。发射站位于武汉龟山电视塔，接收站位于武汉大学外辐射源雷达观测站，距离发射站7.5km，观测目标为低空民航飞机。图4为接收站的CDR信号频谱，表明CDR工作于模数混播模式下，数字边带分布于中心频率为102.6MHz的模拟调频广播两侧，分别距离中心频率[150, 200]kHz、[-200, -150]kHz，且两个数字边带带宽均为50kHz。参照调频频段数字音频广播专利可知武汉地区CDR工作在频谱模式9。图5为符号流重构、非符号流重构方式下，武汉地区CDR的三种元素误码率随信噪比的变化关系，当信噪比小于6dB时非符号流重构出现误码率，必须采用符号流重构，因此重构门限为6dB。

本实施例中，外辐射源雷达信号接收单元包括两个八木天线、AD9361采集板和上位机，其中AD9361采集板内部集成有模拟接收机、数字接收机和USB3.0传输芯片。两个天线收到的模数混播信号经模拟接收机放大、混频、滤波后直接变为模拟基带信号，再经高速率ADC采样、数字下变频后获得数字基带信号，进一步缓存至FPGA后通过USB3.0传输至上位机，最终将数据存放在硬盘中。基带信号分为参考信号和监测信号两种，其中参考信号由指向武汉龟山电视塔的垂直极化八木天线获取，监测信号由指向感兴趣观测区域的垂直极化八木天线获取。

本实施例中，首先初始化基本CDR参数，输入信号处理参数，其中信号处理参数包括6个逻辑子帧、积累时间为0.96s、采样率816kHz、子帧长度130560和频谱模式9对应的子带个数为1，通道个数为2包含参考通道和监测通道；

本实施例中，初始化AD9361中两个通道的增益、采样时钟频率后，初始化USB3.0传输协议，采集数据完毕后启动信号处理单元；

本实施例中，针对武汉CDR工作于频谱模式9，确定信号处理单元中模数分离子模块采用高通滤波器，FIR高通滤波器的各项参数分别为：采样率为816kHz，阻带频率为 100kHz，通带频率为140kHz，阻带衰减为0.0001，通带波纹值为0.00057564620966，密度因子取20。将上述参数输入至MatLab中的FDATool工具箱，创建FIR高通滤波器并分离出参考信号和监测信号中的FM和CDR信号。

本实施例中，FM信号采用成熟的方法处理，获得目标的距离、多普勒频率信息；

本实施例中，获取CDR信号后首先提纯参考信号，图7是实例中参考信号提纯的一种实施方案。对参考信号提纯时：

(1) 采用数据辅助法获得CDR的传输模式为模式1后，初始化CDR有关参数，如OFDM数据体长度2048、循环前缀长度为240、子载波频率间隔为398.4375Hz、信标长度2342、每个子帧的OFDM符号个数为56等；

(2) 将本地传输模式1的同步信号用于同步操作，并解调一个物理子帧的系统信息，获得子帧分配方式为方式1，依据这种方式将物理层信号帧直接依次映射为逻辑层信号帧；

(3) 从图4获得参考通道的SNR约为16dB，显然大于重构门限6dB，因此采用非符号流重构的方法提纯参考信号——直接对子载波矩阵中的三种元素硬判决、再作星座映射、调制、子帧分配获得参考信号，最终生成导频均衡参考信号和无导频均衡参考信号，分别用于匹配滤波和多径杂波抑制。

本实施例中，图6为非符号流重构前子载波矩阵中三种元素的星座图，图8给出了重构前后CDR信号的频谱，重构后信号变得更加纯净。

本实施例中，匹配滤波采用类似CMMB匹配滤波的非均匀采样的相干积累方法，即“快时间维相关-慢时间维分块FFT”算法，取6个逻辑子帧信号，不考虑信标和循环前缀，对每个子帧按OFDM数据体长度分块，维度为336×2048维；将6个子帧块的非均匀采样值分别补零后做长度为356的DFT，并进行fftshift操作；将6个子帧块的频谱乘以相位因子后相干叠加就获得距离多普勒谱。

图9为无导频均衡的参考信号与监测信号相关获得的距离多普勒谱，此时直达波和杂波很强，覆盖了运动目标。

本实施例中，图10为杂波抑制方案实例，选择无导频均衡的参考信号和子带杂波抑制方法，抑制监测信号中杂波距离元个数为1000个，杂波多普勒扩展范围为[-1.04，1.04]Hz。

图11是子带杂波抑制后的距离多普勒谱，可见经过杂波抑制后距离多普勒谱中的基底降低，目标凸显出来，但目标谱峰较宽，杂波抑制后的信号输入至数字边带频谱合成模块来增大距离分辨率。

本实例中，图12给出了数字边带频谱合成的一种实现方式，上半子带的标称频率149.8kHz、下半自带的标称频率-149.8kHz；构造时域低通滤波，设各个参数分别为采样率为816kHz，通带频率为60kHz，阻带频率100kHz，阻带衰减为0.0001，通带波纹值为0.00057564620966，密度因子取20；将两个通道的上、下半基带信号时域相加后加汉明窗。

图13是数字边带频谱合成后的距离多普勒谱，可见目标的谱峰宽度相比图9减小了一倍，但目标的幅度受到了调制。频谱合成后的信号输入至距离精估计模块，可取出幅度调制效应，确定目标真实位置。

本实例中，图14是CDR信号距离精估计结果。距离精估计时，距离多普勒谱中单个目标的距离元为38和多普勒频率为-81.9Hz，并设立含有该目标距离元的搜索范围[20,60]；从搜索范围的最小值开始，每隔0.1的步长增加距离元值；寻找主、副峰值比的最大值对应的距离元37.5，此距离元即为此目标距离元。

图15是当检测门限为13.8dB时，根据雷达方程获得的FM信号和CDR信号探测性能预估图，表明模数融合的最大距离范围约为50km，对应双基地距离元约270。图16给出了实测数据中两种信号对同一目标的探测结果，两种信号的目标峰值位置相同，不过CDR的目标峰值更加集中。根据这两个目标的峰值位置，可融合为同一目标。

上述结果表明，本发明验证了中国调频频段数字音频广播作为外辐射源雷达机会照射源的可行性，验证了模数混播模式下外辐射源雷达对运动目标的探测性能。

本发明对基于调频频段数字音频广播CDR外辐射源雷达系统和信号处理的有关关键技术展开了全面研究，分析并解决了CDR工作于模数混播模式下导致的若干问题，验证了CDR作为机会照射源的可行性，为CDR外辐射源雷达的信号处理和分析创建了详细的信号处理方案，具有准确度高、鲁棒性好、结构简单、适合移植到硬件平台等优点。

应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。

应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。