基于调频广播的无源雷达系统中微弱目标检测技术的研究

西安电子科技大学博士学位论文基于调频广播的无源雷达系统中微弱目标检测技术的研究姓名：赵洪立申请学位级别：博士专业：信号与信息处理指导教师：保铮20060301摘要雷达信号处理国家重点实验室I摘要基于民用机会照射源的无源雷达系统，因为其抗隐身、反侦察和生存能力强等特点，备受各国重视。这种雷达系统利用广播、电视、卫星等外部辐射源，对空中目标，包括隐身飞机或巡航导弹等目标的微弱反射信号进行相干检测，估计目标反射信号的到达方向、到达时间和多普勒频移等参数，并以此来跟踪、识别目标。由于这种系统本身并不像常规雷达探测系统那样需要发射电磁波，且商用无线电台或电视台均工作在VHF频段，因此，它兼顾了常规低频雷达的优点而又具有较强的生存能力和抗隐身特性。实际实验表明该类型雷达将成为现有探测技术的一种有效补充，具有广阔的发展前景和重要的实用（军用及民用）价值。选择什么样的机会照射源是个关键。美国John等人研究表明，FM广播信号具有较短的自相关时间，FM信号当大于1ms的相关时间时近似于理想的白噪声源。因此，调频广播信号作为一种类随机发射信号，具较好脉冲压缩性能、接收机系统误差小而且容易获得的优点。美国人Chadwick研究指出利用双基地探测飞机的关键问题是从强直射信号中分离目标回波，这类似于从强干扰白噪声信号中检测微弱信号。本论文围绕上述热点，以基于商业立体声调频广播信号的被动雷达系统为实验平台，对存在强直达波及其多径干扰下的微弱雷达目标检测技术进行研究。本文的主要工作现归纳如下：1、深入系统地研究了外辐射源雷达系统的信号处理方案，指出高的杂波抑制性能是获得好的检测性能的关键，分析了相关系数和相消比的关系，讨论了采样速率对相消比的影响。提出了基于分数时延估计的地杂波抑制和信号检测地方法。该方法用高分辨率的时间迟延估计技术，把对系统采样率和杂波抑制器滤长度的要求转化到对直达波及多径迟延到达时间的内插估计精度上。该方法不受系统采样速率的限制，当中频采样速率较低、相消器长度较短时，仍然能够由精确的信号内插时延估计求出对应于若干倍中频采样速率的信号时延，提高了杂波抑制性能。对实测数据的处理表明该方法有效地提高了杂波抑制性能。论文还讨论了影响杂波抑制性能的两个因素：双通道不一致特性和系统非线性，提出了通道均衡、直接采样和接收端附加简单模拟相消器的改善方法。2、Griffiths和Long在研究电视波形时，指出机会照射波形的模糊函数是个关键，因为模糊函数的特性将决定距离分辨率、距离模糊间隔、距离旁瓣水平以及多普勒分辨率。商业调频立体声广播信号为在接收端易于解调通常利用副载波，基于调频广播的无源雷达系统中微弱目标检测的研究西安电子科技大学博士论文II副载波具有周期性，必然给系统的目标检测带来影响。音乐调制信号因为带宽宽、停顿少是我们希望利用的信号，但音乐调制信号中还有类似于导频信号的谐波分量，也会给系统的目标检测带来影响。谐波分量的频率与导频信号的频率不同，带来的影响也不同，需要分析。当用来调制的语音或音乐信号停顿时，数据的距离分辨率下降，需要研究提高分辨率的方法。围绕上述问题，论文首先分析指出：有副载波的广播信号的模糊函数图的零距离切面在导频信号的二分频的整数倍上出现相关峰；有导频信号的广播信号的模糊函数的多普勒切面是由没有导频信号的广播信号的模糊函数图的多个多普勒切面加权相加而成；当信号带宽较窄时，信号的模糊函数图中的相关峰出现多峰，从而使多个动目标检测产生困难。进而提出了去除导频信号的信号处理算法，对实测数据的处理表明该方法可以有效地抑制了此类多峰，进而提高目标检测性能。论文分析指出：有谐波信号的广播信号的模糊函数图在偏离零距离门若干个距离门（小于相关峰宽度）、偏离零多普勒(谐波信号调制频率的倍频)的地方出现对称尖峰，在之后的目标检测的互模糊函数图中也将出现对应的尖峰，它们容易被误检测为另一个目标的相关峰。论文提出了检测谐波信号和去除谐波信号的算法，对实测数据的处理表明该方法可以抑制上述多峰。论文最后分析指出：调频广播信号的调制信号由音乐和语音信号构成，当音乐或语音信号间歇性停顿时，信号带宽下降。针对含有间歇的数据段，给出简单的基于求导的检测停顿期和停顿期信号置零的算法，对实测数据的处理表明该方法计算量小、易于实时处理、有效地提高了含有间歇的数据段的距离分辨率。3、辅通道天线接收到的参考信号不可避免地受到多径传播的影响，因此为进一步提高参考信号自相关函数的冲激特性以及改善抑制地杂波的效果，有必要抑制多径信号，获得电台发射的直达波信号。在仅已知多径通道的输出信号的前提下，恢复直视信号要借助盲均衡算法。实际系统中多径信道属于非最小相位系统，并且采样后的调频信号的相继数据间不具有独立同分布的特性，因此限制了盲均衡算法的选择。基于数据的循环平稳特性的线性盲均衡算法和基于高阶统计量的显式盲均衡算法均不适合上述情况。论文分析选择了隐式高阶统计量盲均衡算法中的Bussgang类算法中的CMA算法。但CMA盲均衡算法基于FIR结构，因为截短效应所产生的卷积噪声限制了盲均衡效果的改善。论文提出了基于Laguerre滤波器的CMA算法（Laguerre-CMA算法），该算法能够比同样性能的传统FIR滤波器用更少的阶数获得指定的建模误差，因此降低卷积噪声的影响。无论基于FIR还是基于Laguerre滤波器的均衡算法，都不可避免地存在由截短产生地卷积噪声。论文进一步提出了基于IIR滤波器的CMA算法（IIR-CMA算法），该算法从建模的角度上去除了卷积噪声。实测数据和仿真数据表明该算法可有效改善自模糊函数图的形状和地杂波抑制效果，提高了目标的检测性能。4、为提高系统的线性度，系统考虑射频直接采样。当射频采样时，ADC器件摘要雷达信号处理国家重点实验室III工作在百兆赫兹，此时器件噪声的影响要远高于中频采样时器件噪声对系统的影响。论文分析指出工作在射频端的ADC器件噪声对系统的影响远低于杂波剩余分量对系统的影响。根据实际系统的参数，分析比较了接收端的等效杂波功率和天线噪声功率，指出当估算系统的威力范围时要综合考虑剩余杂波和天线噪声。论文同时指出实验系统中主通道直达波和地杂波的传播是小擦地角的低空传播，给出了考虑低空传播衰减时系统的高空和低空探测范围以及最大探测距离的分析结果。基于实际参数的威力估计与实际机动平台的威力相当，从而验证了分析结果的正确性。对如如何配置系统有一定的参考价值。关键词：无源雷达系统，立体声调频广播，模糊函数，盲均衡，低空传播ABSTRACT雷达信号处理国家重点实验室VABSTRACTManycountriesshowconsiderableinterestinthepassiveradarsystemsbasedonthetransmitterofopportunity,becauseofitsparticularities,suchasanti-stealthability,anti-reconnaissanceabilityandsubsistentability.Suchsystemsutilizethesignalsemittedbybroadcaststation,TVstationandsecondaryplanet.Thetargetssuchasstealthaircraftsandcruisemissilescanbedetectedbycorrelationdetection.TheDOA(DirectionOfArrival),TOA(TimeOfArrival)andDopplershiftcanbeestimated,andthenthetargetscanbetrackedandidentified.Suchsystemsdon’temitelectromagneticwavesasconventionalradarsystemsdoandthefrequencyofthecommercialbroadcastliesinVHFband.Sothatsystemshavetheadvantagesofgoodsubsistentabilityandgoodanti-stealthability,besidestheadvantagesoftheconventionalradarsystems.Recentexperimentsonthepassiveradarshaveprovedthatthepassiveradarsystemsarepromisingasasupplementtotheconventionaldetectiontechniques.Suchsystemskeepthemselvesintheforegroundandcanbeutilizedinmanycivilandmilitaryfields.Astotheimportantproblemthathowtochooseopportunitytransmitter,John(America)’sstudyindicatesthatFMbroadcastsignal’scorrelationtimeisshorterthanthatofotheropportunitysignalsandthatsignalsareapproximatelywhitenoise,whenthetimelagislongerthan1ms.SotheFMsignalsasanopportunitysignalshavetheadvantagesofgoodperformanceofimpulsecompress,lowsystemerrorofreceiverandeasyaccess.Chadwick’sstudyindicatesthatinsuchsystemthekeytechniqueistodetectweakradartargetswithstrongdirectpathsignal.Theprimarycontributionsandoriginalideasincludedinthisdissertationaresummarizedasblow:1.Theapplicablesignal-processingschemeissystemicallydeveloped.Thatthepreconditionofgooddetectionabilityisgoodperformanceofcluttersuppressorisalsopointed.Therelationbetweencorrelationcoefficientandthecluttersuppressionratioispresented.Theinfluenceofthesamplingfrequencyonthesuppressionratioisalsostudied.Thealgorithmsofcluttersuppressionandweaksignaldetectionarepresented,basedontheestimationofthetimedelayoffractionallyspacedclutters.Suchalgorithmsmakeuseofthehighresolutionofthetimedelayestimation.ThealgorithmstransformthedemandonsamplingfrequencyandlengthofcluttersuppressionfiltertothedemandonTOAestimationprecisionofthedirectpathsignalsandmulti-path基于调频广播的无源雷达系统中微弱目标检测的研究西安电子科技大学博士论文VIsignals.Thesamplingfrequencydoesn’taffectthealgorithms.Theprecisionoft