移动平台外辐射源雷达实验研究

万显荣 梁 龙 但阳鹏 饶云华

移动平台外辐射源雷达实验研究

万显荣 梁 龙 但阳鹏 饶云华

（武汉大学电子信息学院，湖北武汉430072）

利用新近研制的超高频频段多通道外辐射源雷达系统，在国内率先开展基于数字电视信号的移动平台外辐射源雷达实验研究.首先建立了单频网结构下移动平台接收信号模型.接着详细论述了利用扩展相消批处理算法与空时自适应处理联合抑制直达波和地杂波的方法.最后重点介绍了实验开展情况，包括系统配置、典型结果与分析.仿真和实测数据的处理结果证明了模型的正确性和所用方法抑制杂波的优越性，为该探测技术的发展提供了理论和实验基础.

外辐射源雷达；数字电视；空时自适应信号处理；杂波抑制

万显荣，梁 龙，但阳鹏，等.移动平台外辐射源雷达实验研究［J］.电波科学学报，2015，30（2）：383－390.doi：10.13443／j.cjors.2014042301

WAN xianrong，LIANG long，DAN yangpeng，et al.Experimental research of passive radar on moving platform［J］.Chinese Journal of Radio Science，2015，30（2）：383－390.（in Chinese）.doi：10.13443／j.cjors.2014042301

引 言

外辐射源雷达（又称无源雷达）是一种利用第三方发射的电磁信号探测目标的双／多基地雷达系统，具有绿色环保、隐蔽性好、抗干扰能力强等诸多优势.目前，外辐射源雷达的研究主要集中于地基固定平台［1－3］，而对于移动平台的研究尚较少.如果将无源接收系统安装到移动平台（如飞机、气艇等）上，还将会带来其他方面的优势.比如，由于接收平台升高，雷达作用距离不受地球曲率和地形遮挡的影响，可以弥补地基雷达存在的低空盲区［4］.另外由于平台可移动，系统的机动性将会大大提高.因此，基于移动平台的外辐射源雷达作为一种新颖的目标探测手段成为当今外辐射源雷达研究的重要热点之一、图1为机载外辐射源雷达探测场景示意图.

图1 机载外辐射源雷达探测场景示意图

目前国内外关于移动平台外辐射源雷达的研究才刚刚起步，总体处于理论研究和初期原理实验阶段.文献［5］提出利用调频（Frequency Modulation，FM）广播信号的机载预警雷达概念，重点分析了信杂比对其探测性能的影响.文献［6］介绍了基于FM广播信号的车／机载外辐射源雷达概念，以及采用2×3天线阵列开展外场实验的情况.文献［7］同样利用FM信号开展实验，采用双通道（参考通道和监测通道）接收系统，空域自由度相对有限.文献［8］利用数字地面广播电视（Digital Video Broadcasting－Terrestrial，DVB－T）信号开展车载雷达实验，其系统将信号发射机与4通道接收机置于同一移动平台，实验配置实质上属于单基地雷达体制，其特性有别于收发分离的外辐射源双基地雷达体制.

基于我国数字广播电视信号覆盖现状，本文介绍了利用中国移动多媒体广播信号（China Mobile Multimedia Broadcasting，CMMB）作为照射源进行移动平台外辐射源雷达外场实验的结果.首先在文献［9］建立的杂波模型基础上研究了杂波抑制方法.接着介绍了利用多通道超高频（Ultra High Frequency，UHF）频段外辐射源雷达系统开展的移动平台外场实验情况.最后对实测数据进行了分析.

1 信号模型

关于机载外辐射源雷达几何模型及杂波特性的研究已在文献［9］中详细说明，新的信号模型在原杂波模型基础上注入一个目标信号.外辐射源雷达采用被动相关定位体制（Passive Coherent Location，PCL），通过直达波信号（参考信号）和目标散射信号（监测信号）的匹配处理实现目标检测.基于中国数字电视信号标准生成CMMB信号，分别模拟了参考信号和监测信号.其中监测信号由直达波、地杂波、目标和噪声构成，表示如下：

式中（1）～（6）中：ssurv（n）为第n个接收阵列信号的采样；sref（n）为第n个参考信号的采样；Q为单频网下基站个数；Nt表示目标个数，nt＝1，2，…，Nt；wdq、fdq分别表示不同基站直达波幅度和多普勒偏；wpk，m，q、fpk，m，q分别表示第q个基站照射下第k个距离环，第m个杂波块的幅度和多普勒偏移；wnt，q、τnt，q、fnt，q分别表示第q个基站照射下第nt个目标的幅度、延迟、多普勒频率；a（ψdq）、a（ψpq）、a（ψnt，q）分别表示不同基站直达波、杂波块、目标的空间导向矢量；τdq为不同基站直达波相对基站1直达波的到达延迟；Tsam为系统采样周期；Na为阵元个数；d为阵元间距；v（n）为监测通道热噪声；sdq（n）为第1通道接收直达波信号；spq（n）为第1通道接收地杂波信号；xq（n）为接收杂波阵列信号的采样；xnt，q（n）为接收目标阵列信号的采样；式（6）为阵列导向矢量表达式；［·］T表示矩阵或向量的转置运算.

2 杂波抑制方法

2.1算法描述

空时自适应处理算法（Space－Time Adaptive Processing，STAP）是机载雷达杂波抑制的基本算法，其对具有空时耦合特性杂波的抑制性能已得到充分验证［10－11］.但是在移动平台外辐射源雷达中因发射信号为连续波信号，除了受到空时耦合地（海）杂波影响外，还会受到强直达波干扰的影响.由于直达波的存在，参考信号和监测信号相关处理后的基底严重抬高，将严重降低STAP的杂波抑制性能.针对这个问题，采用两个步骤进行杂波抑制：1）利用扩展相消批处理（Extensive CancellationAlgorithm－Batchs，ECA－B）算法滤除直达波和近距离强地（海）杂波；2）利用STAP方法滤除剩余空时耦合地（海）杂波.ECA－B算法本质上属于分块的最小二乘算法（Least Squares，LS），是地基外辐射源雷达中常用的滤波方法［12］.基本原理描述如下：

假设将长度为L的单通道监测信号s′surv分成b块，第i（i＝0，1，2，…，b－1）块监测信号表示为

LB为每块监测信号的长度.将长度为L＋Mf－1（Mf为滤波阶数）的参考信号分成b块，第i块参考信号表示为

则第i块参考信号的构造矩阵为

采用LS算法处理第i块监测信号得

［·］H表示矩阵或向量的共轭转置运算，则经ECA－B算法处理的全部信号可表示为

在移动平台外辐射源雷达中直达波和地（海）杂波多普勒发生偏移和扩展，要抑制非零频处的杂波需对构造矩阵Xi进行扩展，扩展后构造矩阵为

fg为杂波扩展后的多普勒频率.信号经扩展后的ECA－B算法处理后结果表示为

此时再利用ECA－B算法可以滤除多普勒偏移的直达波和多普勒扩展的地（海）杂波，接着利用空时自适应处理方法抑制剩余的空时耦合杂波.为行文方便，所用杂波抑制方法简称为ECAB－STAP.

2.2仿真与分析

本次仿真主要从目标探测性能角度进行.仿真实验分两组：一组是正侧视模式，一组是前视模式.接收天线为8元均匀线阵.不失一般性，假设环境中有3个发射站，有1个空中运动目标.且由于基站2和基站3产生的目标回波较弱，因此在距离多普勒谱上只会出现一个目标（由基站1照射所得），即未发生模糊现象.主要仿真参数如表1所示.

表1 主要仿真参数

为评估算法的性能，分别计算ECAB－STAP方法和直接利用STAP方法的改善因子YIF［13－14］，表达式为

式中：RSCN，out表示输出信杂噪比；RSCN，in表示输入信杂噪比.由图2（a）可见，对于正侧视模式，利用ECAB－STAP方法比直接STAP方法有平均10dB左右的性能提升，且主杂波区凹口变得更窄.由图2（b）可见，对于前视模式，利用ECAB－STAP方法比直接STAP方法在副瓣区有大约5dB的性能改善，在主瓣区一些频率处的性能改善达到20dB左右，且主杂波区凹口变得更窄.仿真结果表明，经预滤波处理，直达波干扰和近距离强地（海）杂波被抑制掉，使得剩余杂波自由度减小，能够充分被STAP方法抑制，进而提升了动目标的检测性能.

图2 改善因子比较

图3 仿真数据处理后距离谱

图3 所示为利用ECAB－STAP方法与直接利用STAP方法对仿真数据处理后得到的距离谱.可见，两种方法均检测到目标，但是利用ECAB－STAP方法得到的目标信噪比比直接应用STAP方法所得目标信噪比高10～15dB.说明ECAB－STAP方法对杂波抑制性能更强，目标检测性能得到较好的提升.

3 外场实验

3.1实验设备

实验系统与实验场景如图4所示.接收系统安装到一辆匀速行驶的货车上，天线间距为半波长，天线阵可根据需要工作于侧视阵、前视阵等不同模式.系统包括8通道UHF天线、模拟前端、数据记录系统和信号处理平台等主要组成部分.数据来源于2013年8月和11月在武汉大学和天河机场附近开展的原理性实验.

图4 实验系统与实验场景

3.2实验结果

在所采集的众多数据中，选取2013年8月5日18时46分（工作于正侧视模式）和19时23分（工作于前视模式）的两组典型数据进行分析.相关参数如表2所示.

为了便于性能比较分析［15］，在两组数据的第300距离元（对应双基地距离9km）注入信杂噪比为－70dB的动目标信号，方位角为30°，第一组数据目标多普勒为－5Hz，第二组数据目标多普勒为4Hz，保证所注入目标均位于主杂波区.图5展示了实测数据的处理流程.处理中预滤波阶数为150阶.

表2 实验相关参数

图5 信号处理流程图

图6 和图7给出了未经滤波的距离多普勒谱和空时功率谱.由图6（a）和图7（a）可见，因平台移动，直达波和地杂波在多普勒维发生偏移和扩展.由图6（b）可见，正侧视模式下杂波空时功率谱在角度多普勒平面上呈斜率为1的斜线带状分布，三个能量较强的直达波清晰可见，并且产生三条多普勒脊.同样，由图7（b）可见，前视模式下杂波空时功率谱在角度多普勒平面上呈半圆带状分布，且直达波与多普勒脊明显可见.

图6 正侧视模式

图7 前视模式

图8和图9给出了滤除直达波和近距离地杂波后的结果.由图8（a）和图9（a）可见，经预滤波后，在前150个距离元范围内，整个多普勒扩展带内的直达波和地杂波被滤除，远距离处的地杂波信号显现，但是目标仍然被杂波淹没.由图8（b）和图9（b）可见，经预滤波后，剩余数据的空时功率谱分别呈直线和半圆带状分布，强直达波和由其引起的多普勒脊被抑制.

图10所示为利用ECAB－STAP方法与直接利用STAP方法对实测数据处理后得到的距离谱.由图可见，经杂波抑制后，两种方法均能检测到目标，但是前述方法所得目标信噪比要比后者高大约15 dB.说明ECAB－STAP方法提高了目标检测性能，与前述仿真分析结果一致.

图8 正侧视模式（经杂波预处理）

图9 前视模式（经杂波预处理）

实测数据的处理结果进一步从实验角度验证了利用基于移动平台的数字电视信号外辐射源雷达进行目标探测的可行性.

图10 实测数据处理后距离谱

4 结 论

详细介绍了武汉大学基于移动平台的数字电视信号外辐射源雷达实验结果.论述了利用ECA－B和STAP联合进行杂波抑制的方法，重点介绍了外场实验开展情况，实测数据处理结果与仿真结果证明了所建模型的正确性和所用杂波抑制方法的优越性.但是ECA－B方法对近距离处目标会同时抑制，不过对于雷达远程预警的功能来说，主要关心的是远距离目标，近距离并非感兴趣区域.后续将进一步研究多目标场景及STAP的降维算法，以降低计算复杂度，为目标探测、跟踪与实时化奠定基础.

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作者简介

万显荣（1975－），男，湖北人，博士，教授，博士生导师，研究兴趣包括外辐射源雷达系统、高频雷达系统及雷达信号处理等.

梁 龙（1985－），男，山东人，在读博士研究生，研究方向为外辐射源雷达信号处理.

但阳鹏（1993－），男，湖北人，在读硕士研究生，研究方向为外辐射源雷达杂波抑制

饶云华（1972－），男，重庆人，博士，副教授，研究生导师，研究方向为新体制雷达、雷达系统设计、无线通信网等.

Experimental research of passive radar on moving platform

WAN Xianrong LIANG Long DAN Yangpeng RAO Yunhua
（School of Electronic Information，Wuhan University，Wuhan Hubei 430072，China）

The latest domestic experimental research of UHF passive radar on moving platform based on digital television signal using the newly－developed multi－channel passive radar system is conducted.Firstly，the receiving signal model in the single frequency network（SFN）is established.And then a clutter suppression method combined the improved extensive can cellation algorithmbatchs（ECA－B）and space－time adaptive processing（STAP）is discussed in details.Finally，the experimental progress is highlighted，involving system introduction，illustration and analysis of typical results.The results of simulation and measured data processing prove the validity of the model and the superiority of the clutter suppressing method，forming the theoretical and experimental basis for the further development of this detecting technology.

passive radar；digital television；STAP；clutter suppression

TN958.97

A

1005－0388（2015）02－0383－08

2014－04－23

国家自然科学基金（61331012，61371197，U1333106，61271400）；教育部博士点基金（20120141110077）

联系人：万显荣E－mail：xrwan＠whu.edu.cn