利用多轉(zhuǎn)發(fā)器直播衛(wèi)星信號的外輻射源目標(biāo)探測技術(shù)*

于欽添，彭華峰，孫正波，吳永強(盲信號處理重點實驗室,成都610041)

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利用多轉(zhuǎn)發(fā)器直播衛(wèi)星信號的外輻射源目標(biāo)探測技術(shù)*

于欽添**，彭華峰，孫正波，吳永強
(盲信號處理重點實驗室,成都610041)

Foundation Item:The National Natural Science Foundation of China(No. 61172140)

**通信作者:15882325579@163. com Corresponding author:15882325579@163. com

摘 要:根據(jù)某直播衛(wèi)星實際信號的特點,分析了該直播衛(wèi)星信號作為外輻射源的最大探測距離以及距離走動、頻率擴散對目標(biāo)探測的影響。通過實際信號的原理驗證實驗,進(jìn)一步證明了該目標(biāo)探測手段的可行性。提出了利用該直播衛(wèi)星多路轉(zhuǎn)發(fā)器信號實現(xiàn)相參積累的方法,并介紹了相參積累的原理。最后,利用對模糊函數(shù)的輸出進(jìn)行二維插值的方法,推導(dǎo)并仿真了相參積累的算法。仿真結(jié)果表明:利用該直播衛(wèi)星信號作為外輻射源的7路轉(zhuǎn)發(fā)器信號實現(xiàn)相參積累,檢測信噪比可以提高8 dB。關(guān)鍵詞:外輻射源雷達(dá)；目標(biāo)探測；直播衛(wèi)星；多轉(zhuǎn)發(fā)器；相參積累

1 引 言

外輻射源雷達(dá)利用非合作的外部照射源實現(xiàn)目標(biāo)的定位與跟蹤,該領(lǐng)域的研究近年來在國內(nèi)外所受的關(guān)注度越來越高[1]。調(diào)頻廣播、數(shù)字地面多媒體廣播、GPS衛(wèi)星、直播衛(wèi)星等均可以作為外輻射源。“沉默哨兵”是國內(nèi)外最為著名的外輻射源雷達(dá)系統(tǒng)之一,由美國的洛克希德·馬丁公司研制,其有效探測距離可達(dá)200 km以上,在同時接收多部電臺信號的情況下,探測距離可達(dá)300 km。但是,類似于“沉默哨兵”的地基外輻射源雷達(dá)由于其信號覆蓋范圍受限,導(dǎo)致其應(yīng)用場景受到限制。近些年來,基于衛(wèi)星信號的外輻射源雷達(dá)因其信號覆蓋范圍廣、應(yīng)用場景廣泛等特點受到了廣泛關(guān)注[2-3]。

探測距離是外輻射源雷達(dá)系統(tǒng)研制的一個重要指標(biāo),在外輻射源類型選定的情況下,往往探測距離也是存在瓶頸的。因此,如何充分利用外輻射源信號的特點,有效提高探測距離與分辨率是外輻射源雷達(dá)研究的一個重點。文獻(xiàn)[4]提出了利用多個調(diào)頻廣播電臺進(jìn)行相參合成的技術(shù),其方法可以應(yīng)用于分辨距離相近的多目標(biāo)。文獻(xiàn)[5]提出了利用多路廣播電臺實現(xiàn)相參積累提高檢測信噪比的思路,可以有效提高調(diào)頻廣播外輻射源的探測距離。然而,這些研究都是基于窄帶模型的,而在寬帶模型下,以直播衛(wèi)星外輻射源為例,其信號的頻帶寬、頻率高,這將導(dǎo)致運動目標(biāo)的多普勒頻移很大,相參積累時必須從時間和頻率二維補償才能夠?qū)崿F(xiàn),并且還要考慮由不同轉(zhuǎn)發(fā)器之間頻差導(dǎo)致的回波多普勒分辨單元走動現(xiàn)象[6]。

本文以直播衛(wèi)星作為外輻射源,分析了直播衛(wèi)星外輻射源的目標(biāo)探測性能。對星上多路轉(zhuǎn)發(fā)器信號建立了相參積累模型,分析了利用多路轉(zhuǎn)發(fā)器信號實現(xiàn)相參積累的可行性,推導(dǎo)了相參積累的算法;通過仿真分析驗證了算法的有效性,為后續(xù)進(jìn)一步的研究以及實驗驗證打下了基礎(chǔ)。

2 直播衛(wèi)星外輻射源雷達(dá)目標(biāo)探測

2. 1 直播衛(wèi)星外輻射源目標(biāo)探測性能

相對于常規(guī)地基外輻射源雷達(dá)應(yīng)用范圍的局限性,衛(wèi)星外輻射源雷達(dá)因其覆蓋范圍廣、便于接收等優(yōu)點,使其能夠應(yīng)用于天基以及?；脚_,具備難以替代的優(yōu)勢[7]。利用直播衛(wèi)星外輻射源進(jìn)行目標(biāo)探測,以位于同步軌道的某直播電視衛(wèi)星為例,其基本參數(shù)如表1所示,其全向輻射功率最大可達(dá)55 dBW,信號位于Ku頻段,利用1. 2 m口徑的拋物面天線接收時,直達(dá)波信噪比可達(dá)13 dB以上。

表1 某直播電視衛(wèi)星外輻射源基本參數(shù)Tab. 1 The parameters of a broadcasting satellite

直播電視衛(wèi)星作為外輻射源的優(yōu)勢在于,相對其他衛(wèi)星,其頻帶較寬,信號為連續(xù)信號,采用QPSK調(diào)制,并且在信號質(zhì)量較好的情況下不插導(dǎo)頻,具備較好的模糊函數(shù)尖峰特性。圖1為實測信號的頻譜,可以看出,其每路轉(zhuǎn)發(fā)器帶寬為36 MHz,單段信號全部可利用信號帶寬大于400 MHz,在相同的積累時間內(nèi),可以實現(xiàn)更高的積累增益。

圖1 某直播電視衛(wèi)星信號頻譜Fig. 1 The frequency spectrum of signal from a broadcasting satellite

通過雙基地雷達(dá)模型以及衛(wèi)星鏈路計算,可以得到目標(biāo)回波信號的功率范圍。圖2為回波天線為增益60 dB時,利用星上單路36 MHz轉(zhuǎn)發(fā)器信號探測不同目標(biāo)時所需的積累時間。從圖中可以看出,積累時間1 s,可以探測距接收站75 km,雷達(dá)散射截面積(Radar Cross Section,RCS)為10 m2的目標(biāo)。針對類似民航飛機的目標(biāo),目標(biāo)RCS取100 m2,積累時間1 s,探測距離大于200 km。

圖2 衛(wèi)星外輻射源雷達(dá)最大探測距離隨積累時間關(guān)系Fig. 2 The relationship between the maximum detection distance and integrated time

2. 2 實際信號原理驗證實驗

為了更好地分析直播電視衛(wèi)星外輻射源目標(biāo)探測的可行性,開展了實際信號的原理驗證試驗。采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖3所示,天線接收到Ku頻段的直達(dá)波以及目標(biāo)回波信號經(jīng)下變頻后進(jìn)行I、Q兩路正交采集,再將采集的信號進(jìn)行后端的信號處理。本次實驗選用不同口徑的拋物面天線,參考天線對準(zhǔn)直播衛(wèi)星,回波天線對準(zhǔn)附近建筑物以及民航飛機接收不同路徑的回波信號,展開原理驗證實驗。

圖3 直播衛(wèi)星外輻射源實驗流程Fig. 3 The procedure of passive radar experiment using broadcasting satellite signal

實驗結(jié)果如圖4和5所示。從圖4中可以看到在距離單元50 m、75 m、125 m處可以看到由靜止目標(biāo)反射的回波。從圖5中可以看出:在機場附近檢測到疑似剛起飛的民航飛機回波,速度為58 m/ s,距離3. 8 km,與實際場景吻合。

圖4 實際目標(biāo)探測處理結(jié)果Fig. 4 The result of real target detection

圖5 直達(dá)波抑制后處理結(jié)果Fig. 5 The result after direct signal deduce

本次實驗初步驗證了利用直播電視衛(wèi)星外輻射源探測目標(biāo)的可行性,為后續(xù)的運動目標(biāo)探測實驗研究打下了基礎(chǔ)。

3 多轉(zhuǎn)發(fā)器直播衛(wèi)星外輻射源相參積累

3. 1 多轉(zhuǎn)發(fā)器信號相參積累模型

在利用衛(wèi)星外輻射源雷達(dá)探測中近程、低中速目標(biāo)時,在積累時間內(nèi),假設(shè)目標(biāo)處于勻速運動狀態(tài),因此不存在多普勒能量擴散,則經(jīng)I、Q兩路采樣后的多轉(zhuǎn)發(fā)器直達(dá)波與回波的基帶信號模型由式(1)和式(2)所示:

式中:u代表直播電視衛(wèi)星的基帶信號;fi代表第i路轉(zhuǎn)發(fā)器信號的載頻;多普勒頻移fdi=2vrfi/ c;τi代表第i路轉(zhuǎn)發(fā)器目標(biāo)回波信號的到達(dá)時間;τd為直達(dá)波信號的到達(dá)時間;A為回波信號相對于直達(dá)波的幅度;ej·φi為信道不一致性引入的相位,包括收發(fā)天線位置不一致性、信道參數(shù)不一致性等。直播電視衛(wèi)星的多載波信號均有一個天線由多工的模式發(fā)出,減少了不同通道帶來的額外相位差,接收信號時可以采用單通道寬帶采集的方法。因此,該項相位參數(shù)的不一致性可以忽略。

當(dāng)利用模糊函數(shù)對單路轉(zhuǎn)發(fā)器信號的直達(dá)波與回波信號進(jìn)行檢測時,檢測結(jié)果如式(3)所示:

式中:φ= A·e-j2πfi(τi-τd)·e-j2π·fdi·τi·ej·φi。

當(dāng)采用N路轉(zhuǎn)發(fā)器信號進(jìn)行積累時,模糊函數(shù)的輸出為

式中:

τt=τi-τd為直達(dá)波與目標(biāo)回波到達(dá)接收天線的時間差。當(dāng)對每路信號所產(chǎn)生的相位差e-j2π(τt+2vr/ c·τi)((i-1)Δfi)ej·φi進(jìn)行補償后,就可以實現(xiàn)對多路轉(zhuǎn)發(fā)器信號的相參積累。

3. 2 相參積累增益分析

當(dāng)信號處在高斯白噪聲的信道下時,利用N路轉(zhuǎn)發(fā)器信號實現(xiàn)相參積累,檢測信噪比可以提高N倍;而在進(jìn)行非相參積累時,無法達(dá)到理想的性能提升,并且嚴(yán)重影響參數(shù)估計精度。當(dāng)N較大時,積累增益僅為。

圖6為目標(biāo)速度以及距接收站距離參數(shù)先驗的情況下,對7路等帶寬轉(zhuǎn)發(fā)器信號進(jìn)行理想相參積累的檢測結(jié)果。從圖6中可以看出,相參積累能夠帶來額外7 dB以上的增益,而多轉(zhuǎn)發(fā)器信號非相參積累相對于單路信號,檢測信噪比僅提高約1 dB。

圖6 多轉(zhuǎn)發(fā)器相參積累性能對比時延維截面Fig. 6 The time dimension result of coherent accumulation

4 多轉(zhuǎn)發(fā)器信號相參積累方法

4. 1 相參積累方法推導(dǎo)

利用多路轉(zhuǎn)發(fā)器信號進(jìn)行相參積累的流程如圖7所示,不同轉(zhuǎn)發(fā)器信號積累結(jié)果的相位差與時延和目標(biāo)速度有關(guān),在未知目標(biāo)速度以及時延的情況下,是無法估計的。因此,在利用多路轉(zhuǎn)發(fā)器信號進(jìn)行相參積累時,必須同時考慮時延、速度導(dǎo)致的相位差的補償。

圖7 多轉(zhuǎn)發(fā)器相參補償過程Fig. 7 The process of coherent accumulation

當(dāng)模糊函數(shù)頻率單元在fd、時延單元在τ時,由式fdi=2vr/ c·fi可得,假設(shè)在模糊函數(shù)在(τ,fd)處取得峰值,則可以推導(dǎo)出此時刻目標(biāo)的2vr/ c=fd/ fi,此時需要對積累結(jié)果進(jìn)行的相參補償如式(5)所示:

當(dāng)模糊函數(shù)在(τ,fd)時不取最大值時,仍然對回波信號多普勒頻移項進(jìn)行了補償,但由于直達(dá)波與回波具有強相關(guān)性,在不匹配的點添加相位項后,依然處于不相關(guān)狀態(tài),不影響模糊函數(shù)結(jié)果,但相關(guān)峰處的多普勒頻移已經(jīng)實現(xiàn)了補償。進(jìn)行相參補償后的模糊函數(shù)可以改寫成“時頻二維插值模糊函數(shù)”( Time - Frequency dimensional interpolation of Ambiguity function,TFIAF),其表達(dá)式如式(6)所示:

則多路轉(zhuǎn)發(fā)器信號相參積累的結(jié)果如式(7)所示:

4. 2 仿真驗證

下面對本文算法進(jìn)行仿真,具體參數(shù)如表2所示。為了便于驗證算法,本文考慮目標(biāo)距接收站較近的情況,假設(shè)積累時間內(nèi)的距離單元走動已經(jīng)進(jìn)行了補償。

表2 仿真參數(shù)Tab. 2 The simulation parameters

仿真結(jié)果如圖8和圖9所示,表明:本文的算法在未知目標(biāo)速度以及回波時延參數(shù)的情況下,有效補償了多載波衛(wèi)星外輻射源的相位差,檢測信噪比的提升達(dá)到了理想性能。利用某直播衛(wèi)星多轉(zhuǎn)發(fā)器實現(xiàn)相參合成,相比單路信號積累,可以將檢測信噪比提高8 dB以上。在探測距離相同的目標(biāo)時,可以有效節(jié)省積累時間,減少距離走動以及多普勒走動對檢測的影響。從圖8和圖9中可以看出,本文算法在一定程度上提高了距離分辨率,有利于更好地分辨近距離的目標(biāo)。

圖8 TFIAF算法性能仿真分析時延維截面Fig. 8 The time dimension result of TFIAF algorithm

圖9 TFIAF算法性能仿真分析頻率維截面Fig. 9 The velocity dimension result of TFIAF algorithm

5 結(jié) 論

本文提出了利用直播電視衛(wèi)星多轉(zhuǎn)發(fā)器信號作為外輻射源的目標(biāo)探測方法,通過開展實際信號的驗證實驗,實現(xiàn)了對靜止建筑物以及民航飛機的探測,驗證了該手段的可行性。與利用單路直播電視衛(wèi)星信號作為外輻射源相比,利用7路轉(zhuǎn)發(fā)器信號進(jìn)行相參積累,檢測信噪比可以提高8 dB。本文完成了利用直播電視衛(wèi)星外輻射源雷達(dá)探測運動目標(biāo)的實驗,實驗結(jié)果與理論相符,但由于波束寬度較窄,無法連續(xù)捕獲目標(biāo)。本文的研究為后續(xù)衛(wèi)星外輻射源雷達(dá)系統(tǒng)的研制打下了理論基礎(chǔ),具有很好的應(yīng)用價值。

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于欽添(1990—),男,遼寧鐵嶺人,2013年于信息工程大學(xué)獲通信工程專業(yè)學(xué)士學(xué)位,現(xiàn)為盲信號處理重點實驗室碩士研究生,主要研究方向為雷達(dá)信號處理和目標(biāo)定位;

YU Qintian was born in Tieling,Liaoning Province,in 1990. He received the B. S. degree from Information Engineering University in 2013. He is now a graduate student. His research concerns radar signal processing and target positioning.

Email:15882325579@163. com

彭華峰(1979—),男,博士,工程師,主要研究方向為定位、跟蹤與測軌等;

PENG Huafeng was born in 1979. He is now an engineer with the Ph. D. degree. His research concerns positioning, tracking and trajectory measurement.

孫正波(1975—),男,博士,高級工程師,主要研究方向為雷達(dá)信號處理。

SUN Zhengbo was born in 1975. He is now a senior engineer with the Ph. D. degree. His research concerns radar signal processing.

Target Detection Technology Based on Signals of Multiple Transponders on Broadcasting Satellite

YU Qintian ,PENG Huafeng,SHUN Zhengbo,WU Yongqiang
(Science and Technology on Blind Signal Processing Laboratory,Chengdu 610041,China)

Abstract:According to the characteristic of the real signal from a broadcasting satellite,the maximum detection distance and the influence of the walking range and spreading frequency on target detection are analyzed. The feasibility of the target detection method is proved by the real satellite signal experiment. The coherent accumulation algorithm based on signals of multiple transponders on broadcasting satellite is put forward. The principle of the coherent accumulation algorithm is introduced. Finally,the coherent accumulation algorithm based on two-dimension interpolation to the ambiguity is derived and simulated. The simulation results prove that the signal-to-noise ratio(SNR) can be improved 8 dB while achieving coherent accumulation by the signals of 7 multiple transponders.

Key words:passive radar;target detection;broadcasting satellite;multiple transponders;coherent accumulation

doi:10. 3969/ j. issn. 1001-893x. 2016. 02. 006引用格式:鄭長剛,黃智剛,康成斌.導(dǎo)航衛(wèi)星發(fā)射端多徑的高精度測量技術(shù)[J].電訊技術(shù),2016,56(2):145-150. [ZHENG Changgang,HUANG Zhigang,KANG Chengbin. High precision measurement of multipath for emission platform of navigation satellite[J]. Telecommunication Engineering,2016,56(2):145-150. ]

作者簡介:

中圖分類號:TN971

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號:1001-893X(2016)02-0140-05

基金項目:國家自然科學(xué)基金資助項目(61172140)

*收稿日期:2015-06-29;修回日期:2015-10-26 Received date:2015-06-29;Revised date:2015-10-26