本發(fā)明涉及的是一種無源雷達(dá)目標(biāo)檢測領(lǐng)域，特別涉及利用OFDM信號作為外輻射源的無源雷達(dá)領(lǐng)域內(nèi)的微弱目標(biāo)檢測方法。

背景技術(shù)：

外輻射源雷達(dá)(又稱無源雷達(dá))是一種利用第三方發(fā)射的電磁信號探測跟蹤目標(biāo)的雙/多基地雷達(dá)系統(tǒng)，該體制雷達(dá)本身并不發(fā)射能量，而是被動地接收目標(biāo)反射的非協(xié)同式輻射源的電磁信號，對目標(biāo)進(jìn)行跟蹤和定位。由于基于外輻射源的雙/多基地雷達(dá)系統(tǒng)具有低成本、無輻射、抗摧毀能力強(qiáng)、機(jī)動性強(qiáng)等主要優(yōu)點，近年來逐漸成為了研究熱點。同時，隨著數(shù)字廣播電視及數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)逐步替代傳統(tǒng)模擬信號，基于OFDM(正交頻分復(fù)用)信號外輻射源雷達(dá)的發(fā)展逐漸受到人們重視并成為新型探測技術(shù)的研究重點。此類外輻射源雷達(dá)具有：(1)無需頻率分配、無輻射、抗摧毀能力強(qiáng)；(2)反隱身、低空探測能力強(qiáng)；(3)研制和維護(hù)成本低、設(shè)備體積小、機(jī)動性強(qiáng)、易于部署等多種優(yōu)點，從而提供了一種新型“無源”探測手段。

新一代數(shù)字廣播電視信號在調(diào)制方式上大都采用OFDM技術(shù)，主要是用來有效對抗廣播信道中由于多徑傳播會造成頻率選擇性衰落、多普勒頻率漂移等帶來的惡劣影響。OFDM是一種多載波調(diào)制技術(shù)，它在多個正交的載波上分別調(diào)制數(shù)據(jù)，即通過設(shè)置相鄰子載波的頻率間隔恰好等于各載波上碼元周期的倒數(shù)，使得各載波信號在頻譜上既是重疊的但又相互正交，從而既能節(jié)省帶寬多路并行發(fā)送數(shù)據(jù)，又可以在接收端把不同載波信號分離并解調(diào)數(shù)據(jù)；同時為了盡量消除由于多徑引起的符號間干擾，通過在OFDM符號之間插入循環(huán)前綴(CP)作為保護(hù)間隔構(gòu)成一個完整的OFDM符號。為最大限度地減輕復(fù)雜信道環(huán)境對廣播的影響，數(shù)字廣播電視系統(tǒng)除了OFDM技術(shù)外還采用了其它復(fù)雜調(diào)制技術(shù)，如比特交織、信道編碼、單元交織、差錯保護(hù)和糾錯等。

基于OFDM信號的無源雷達(dá)的核心技術(shù)是無源相干定位技術(shù)，其基本思想是以外輻射源發(fā)射的直達(dá)波信號作為參考信號，監(jiān)測分析目標(biāo)反射機(jī)會照射源發(fā)射的信號能量，估計出目標(biāo)反射信號的方向、到達(dá)時間和多普勒頻移等參數(shù)，從而實現(xiàn)對目標(biāo)的定位和跟蹤。由于采用了第三方照射源，OFDM外輻射源雷達(dá)需要同時設(shè)置參考通道和監(jiān)測通道來分別獲取參考信號和監(jiān)測信號。由于波束副瓣的影響，監(jiān)測通道中不可避免地會存在直達(dá)波和多徑雜波，雜波旁瓣使得目標(biāo)在回波譜上被掩蓋。直達(dá)波和多徑雜波抑制是各種體制外輻射源雷達(dá)最為重要的問題。該問題在基于其它種類照射源的無源雷達(dá)中已有研究，利用直達(dá)波和多徑雜波是參考信號的延時信號這一特點，采用時域自適應(yīng)濾波器消除雜波是常用方法，包括：(1)基于不同準(zhǔn)則的時域遞推算法，包括最小均方誤差(LMS)、歸一化最小均方誤(NLMS)、遞歸最小二乘(RLS)算法；(2)基于最小二乘(LS)理論的擴(kuò)展相消雜波抑制算法(ECA)。根據(jù)波形的OFDM特點，載波域擴(kuò)展相消雜波抑制算法(ECA-C)隨之產(chǎn)生，該算法將時域信號變換到載波域，利用載波域直達(dá)波和靜止多徑雜波之前的完全相關(guān)性，可以用較少的濾波器階數(shù)抑制靜止多徑回波，從而降低了系統(tǒng)的內(nèi)存要求和算法計算量。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明目的在于提供一種基于OFDM信號的外輻射源雷達(dá)微弱目標(biāo)檢測方法，能有效地抑制直達(dá)波干擾、零頻多徑雜波干擾和含多普勒頻移的多徑雜波干擾，從而實現(xiàn)以O(shè)FDM信號作為外輻射源的無源雷達(dá)領(lǐng)域內(nèi)的微弱目標(biāo)檢測。

本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的。

本發(fā)明所述的一種基于OFDM信號的外輻射源雷達(dá)微弱目標(biāo)檢測方法：采用信號接收機(jī)接收到參考通道信號，首先進(jìn)行下變頻處理，然后去除循環(huán)前綴提純直達(dá)波；在雷達(dá)監(jiān)測通道中，首先對其進(jìn)行前置放大和濾波，然后下變頻得到基帶信號，接著去除循環(huán)前綴得到待處理的監(jiān)測信號，隨后利用擴(kuò)展ECA-C雜波抑制方法進(jìn)行直達(dá)波和多徑雜波抑制，對抑制后的信號與參考信號進(jìn)行匹配濾波，最后進(jìn)行相干積累、恒虛警處理。

本發(fā)明所述的利用擴(kuò)展ECA-C雜波抑制方法進(jìn)行直達(dá)波和多徑雜波抑制的過程如下：

(1)將參考通道得到的數(shù)據(jù)S_ref(n)進(jìn)行下變頻得到基帶信號；

(2)去除循環(huán)前綴時延-多普勒陣S_{ref_τf}，并對有效數(shù)據(jù)部分進(jìn)行離散傅里葉變換(DFT)，進(jìn)而得到載波域參考信號得到Q_k；

(3)將監(jiān)測通道得到的數(shù)據(jù)S_surv(n)進(jìn)行下變頻得到基帶信號；

(4)去除循環(huán)前綴得到時延-多普勒陣S_{surv_τf}，并對有效數(shù)據(jù)部分進(jìn)行離散傅里葉變換(DFT)，進(jìn)而得到載波域監(jiān)測信號得到Y(jié)_k；

(5)根據(jù)實際需求，給出待抑制多徑雜波的頻移范圍f_d；

(6)構(gòu)造數(shù)據(jù)陣X_k，將其行向量構(gòu)造成雜波空間，并針對f_d的個數(shù)，對雜波空間進(jìn)行列擴(kuò)展；

(7)將監(jiān)測通道信號的每個子載波投影到與X_k正交的子空間，即可得到濾除直達(dá)波及多徑雜波后的目標(biāo)信號和噪聲；

(8)將經(jīng)過處理的監(jiān)測信號進(jìn)行離散傅里葉逆變換(IDFT)得到濾波后的監(jiān)測通道信號。

本發(fā)明所述的在基于OFDM信號作為外輻射源的無源雷達(dá)探測系統(tǒng)中，利用擴(kuò)展ECA-C雜波抑制算法進(jìn)行微弱目標(biāo)檢測的方法具有如下積極效果和優(yōu)點：采用此方法能有效地抑制直達(dá)波干擾、零頻多徑雜波干擾和含多普勒頻移的多徑雜波干擾，從而使微弱目標(biāo)可以凸顯出來，同時計算量小，適合實時處理。

附圖說明

圖1是基于OFDM信號作為外輻射源的無源雷達(dá)系統(tǒng)示意圖。

圖2是基于OFDM信號作為外輻射源的無源雷達(dá)信號處理過程。

圖3是擴(kuò)展ECA-C雜波抑制方法進(jìn)行微弱目標(biāo)檢測過程的算法流程圖。

圖4是擴(kuò)展ECA-C雜波抑制方法應(yīng)用于實測數(shù)據(jù)后與ECA-C算法的第19距離元截面對比圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步闡述。

如圖1所示，基于OFDM信號作為外輻射源的無源雷達(dá)系統(tǒng)屬于雙基地?zé)o源雷達(dá)探測系統(tǒng)，在無源雷達(dá)接收機(jī)端接收第三方照射源的發(fā)射的射頻信號，接收陣列包含參考通道和監(jiān)測通道，分別用來接收直達(dá)波信號和經(jīng)目標(biāo)反射的回波信號。

如圖2所示，采用信號接收機(jī)接收到參考通道信號，首先進(jìn)行下變頻處理，然后去除循環(huán)前綴提純直達(dá)波；在雷達(dá)監(jiān)測通道中，首先對其進(jìn)行前置放大和濾波，然后下變頻得到基帶信號，接著去除循環(huán)前綴得到待處理的監(jiān)測信號，隨后利用擴(kuò)展ECA-C雜波抑制方法進(jìn)行直達(dá)波和多徑雜波抑制，對抑制后的信號與參考信號進(jìn)行匹配濾波，最后進(jìn)行相干積累、恒虛警處理，達(dá)到檢測到微弱目標(biāo)的目的。

結(jié)合圖3，本發(fā)明利用擴(kuò)展ECA-C雜波抑制方法進(jìn)行微弱目標(biāo)檢測的過程如下：

(1)將參考通道得到的數(shù)據(jù)S_ref(n)進(jìn)行下變頻得到基帶信號；

(2)去除循環(huán)前綴時延-多普勒陣S_{ref_τf}，并對有效數(shù)據(jù)部分進(jìn)行離散傅里葉變換(DFT)，進(jìn)而得到載波域參考信號得到Q_k；

(3)將監(jiān)測通道得到的數(shù)據(jù)S_surv(n)進(jìn)行下變頻得到基帶信號；

(4)去除循環(huán)前綴得到時延-多普勒陣S_{surv_τf}，并對有效數(shù)據(jù)部分進(jìn)行離散傅里葉變換(DFT)，進(jìn)而得到載波域監(jiān)測信號得到Y(jié)_k；

(5)根據(jù)實際需求，給出待抑制多徑雜波的頻移范圍f_d；

(6)構(gòu)造數(shù)據(jù)陣X_k，將其行向量構(gòu)造成雜波空間，并針對f_d的個數(shù)，對雜波空間進(jìn)行列擴(kuò)展；

(7)將監(jiān)測通道信號的每個子載波投影到與X_k正交的子空間，即可得到濾除直達(dá)波及多徑雜波后的目標(biāo)信號和噪聲；

(8)將經(jīng)過處理的監(jiān)測信號進(jìn)行離散傅里葉逆變換(IDFT)得到濾波后的監(jiān)測通道信號；

(9)將濾波后的監(jiān)測通道信號與參考通道信號的時延-多普勒陣S_{ref_τf}進(jìn)行匹配濾波進(jìn)而檢測到微弱目標(biāo)。

本發(fā)明所述的一種基于擴(kuò)展ECA-C雜波抑制算法的微弱目標(biāo)檢測方法，首先根據(jù)實際需求，給出待抑制多徑雜波的頻移范圍f_d，對每個子載波構(gòu)造可擴(kuò)展的雜波空間，然后將目標(biāo)回波信號投影在與雜波空間正交的子空間內(nèi)，對直達(dá)波干擾、多徑雜波干擾進(jìn)行有效抑制，最后進(jìn)行匹配濾波提高對微弱目標(biāo)的檢測能力。

本發(fā)明系統(tǒng)中接收陣列包括參考通道和監(jiān)測通道兩部分，參考通道接收OFDM信號的直達(dá)波作為參考信號，監(jiān)測通道接收OFDM信號經(jīng)過目標(biāo)反射后到達(dá)的信號，此時監(jiān)測通道中還存在直達(dá)波干擾、多徑雜波干擾。

在參考通道中，為了獲取相對精確的直達(dá)波信號，將波束方向?qū)?zhǔn)已知的OFDM信號發(fā)射基站，并采樣延時τ內(nèi)的n個數(shù)據(jù)，這樣得到了參考信號數(shù)據(jù)陣S_ref(n)(數(shù)據(jù)陣為一行n列的矩陣)，為了之后的匹配濾波以及充分利用信號的載波特性，首先重構(gòu)參考信號時延陣結(jié)構(gòu)并將去除循環(huán)前綴，再將信號重構(gòu)數(shù)據(jù)陣S_{ref_τf}(數(shù)據(jù)陣為M行L列的矩陣，其中，M為信號載波數(shù)，L為符號數(shù))。

在監(jiān)測通道中，將波束形成方向調(diào)整到期望目標(biāo)方向，同樣采樣延時τ內(nèi)的n個數(shù)據(jù)，這樣得到了監(jiān)測信號數(shù)據(jù)陣S_surv(n)(數(shù)據(jù)陣為一行n列的矩陣)，然后重構(gòu)信號結(jié)構(gòu)并去除循環(huán)前綴得到數(shù)據(jù)陣S_{surv_τf}(數(shù)據(jù)陣為M行L列的矩陣，其中，M為信號載波數(shù)，L為符號數(shù))。

由于在實際監(jiān)測情況中會存在含有多普勒頻率的多徑雜波，例如海雜波，故先給出含多普勒頻移的多徑雜波的頻移量f_d，其中f_d＝[f_d1f_d2…f_dp]，p為含多普勒頻移多徑的雜波個數(shù)。

首先將時延-多普勒陣S_{ref_τf}進(jìn)行離散傅里葉變換(DFT)，可將數(shù)據(jù)變換至頻域，進(jìn)而得到載波域參考信號Q_k，其次，將監(jiān)測信號的時延-多普勒陣S_{surv_τf}的有效數(shù)據(jù)部分進(jìn)行離散傅里葉變換，經(jīng)數(shù)據(jù)重整可得到載波域信號Y_k，Y_k＝[Y₁Y₂…Y_k]^T，其中k為載波個數(shù)，T為轉(zhuǎn)置符號。如下式表示：

其中，A_tx，c_i，c_p和T_m分別為直達(dá)波、第i條靜止多徑、第p條有多普勒頻移多徑和第m個目標(biāo)的復(fù)包絡(luò)幅度；N_c、N_p和N_T分別為零頻多徑條數(shù)、非零頻多徑條數(shù)及目標(biāo)個數(shù)；τ_ci、τ_cp和τ_m分別為第i條靜止多徑、第p條有多普勒頻移多徑和第m個目標(biāo)的時間延遲；H(ω)為信道傳輸函數(shù)；f_dp和f_dm為非零頻雜波和目標(biāo)的多普勒頻移；N_k為監(jiān)測通道內(nèi)載波k的噪聲；f_R為雷達(dá)工作頻率；

Q_k＝[C_k,1…C_k,l…C_k,L]，L為接收多幀符號個數(shù)；C_k,l為載波k第l(l＝1,2,…,L)個符號所對應(yīng)的復(fù)調(diào)制碼歸一化值；H_k,l為載波k第l個符號即C_k,l所對應(yīng)的信道響應(yīng)值。

針對每個子載波構(gòu)造雜波子空間X_k，則第k個載波，雜波子空間為：

利用投影算子P將雷達(dá)的監(jiān)測信號每個子載波分別投影到與雜波空間正交的子空間中，投影算子P表示為：

P＝I_L-X_k(X_k^ΗX_k)^-1X_k^Η

式中，X_k為數(shù)據(jù)矩陣；X_k^Η為X_k的共軛轉(zhuǎn)置矩陣；()^-1為矩陣的逆矩陣；I_L為與X_k同維數(shù)的單位矩陣。

將監(jiān)測信號的每個子載波投影到與X_k正交的子空間，進(jìn)行正交子空間投影，達(dá)到了濾除直達(dá)波、零頻多徑雜波以及含多普勒頻移的多徑雜波的效果，隨后將濾除雜波后的監(jiān)測信號進(jìn)行離散傅里葉反變換，并與參考信號時延-多普勒陣S_{ref_τf}進(jìn)行匹配濾波得到目標(biāo)信息。

結(jié)合圖4，選取了DRM外輻射源雷達(dá)實測數(shù)據(jù)并展示了處理結(jié)果。在探測實驗中，DRM發(fā)射站位于青島沿海，外輻射源雷達(dá)接收站位于海陽沿海，收發(fā)站間的距離約為50km。發(fā)射端DRM廣播基本工作參數(shù)符合DRM標(biāo)準(zhǔn)B模式，即N_u＝256，N_g＝64，N_s＝15，有效帶寬為9.7KHz，保護(hù)間隔為5.33ms；工作頻率f_R為10MHz。接收天線為16元線陣，發(fā)射信號主要經(jīng)過地波傳播模式到達(dá)接收陣列。圖4給出了兩種雜波抑制后的第19距離元截面對比圖，可見經(jīng)過擴(kuò)展ECA-C抑制后，目標(biāo)的信噪比提升了5dB左右。