单通道数字广播外源雷达目标信息获取研究

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外(辐射)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、安全隐蔽、节约频谱、易于组网、成本可控等诸多优势。该雷达采用相干处理技术,即在接收系统中一般至少设置两个通道:监测通道和参考通道,分别用来接收目标回波信号和参考信号。相对常规多通道外源雷达,单通道外源雷达仅有一个接收通道(既是参考通道也是监测通道),故其硬件设备更少,更有利于系统小型化和分布式部署,具有重要的研究价值和广阔的应用前景。随着数字广播信号逐步取代模拟广播信号,数字广播信号以其发射功率稳定、带宽大、低空覆盖好等优点,成为了外源雷达的有效照射源之一。本文针对单通道数字广播外源雷达(Single-channel Digital broadcasting based Passive Radar,SDPR)的目标信息获取问题,重点围绕SDPR的两种探测模式展开了相关研究。针对SDPR的非前向散射区探测模式,评估了SDPR的探测性能并提出了相应的组网探测方案,重点研究了分别利用数字广播信号帧头和帧体的目标信息提取方法;针对SDPR的前向散射区探测模式,研究了目标多普勒特征提取方法,分析了多旋翼无人机在前向散射区的回波谱特征。主要研究内容如下:(1)评估了SDPR的探测性能并提出了相应的组网探测方案。首先详细分析了参考信号纯度对目标探测处理性能的影响,推导了SDPR的探测性能与参考信号纯度和直达波信号强度的关系,并结合天线方向图,评估了SDPR探测性能,给出了不同场景下SDPR的探测威力;接着针对单站的SDPR无法实现目标定位的问题,提出了一种基于参考信号共享的组网探测方案及其具体实现方法,该方案可获取最优的参考信号,提高系统的探测性能,同时降低了系统成本,外场实验验证了上述方案和方法的有效性。(2)研究了基于数字广播信号帧体的目标提取方法。针对复杂传播环境下参考信号重构困难的问题,提出了一种低信噪比条件下基于星座图聚焦的参考信号重构方法;针对动杂波抑制问题,结合数字广播信号OFDM调制的特点,重点分析了频域子载波多径杂波相消方法;针对密集多径环境下的首径估计问题,给出了一种基于经验值法与校准补偿法的联合处理方法。开展了多站的SDPR组网探测实验研究,给出了不同多径环境下的实验结果,实验验证了上述方法的有效性。(3)研究了基于PN序列信号的目标提取方法。提出了利用数字广播信号中已知伪随机(Pseudo-Noise,PN)序列帧头作为SDPR照射源的思想,首先分析了PN序列的探测性能,分析表明利用本地重映射后的PN参考信号可得到理想的图钉形模糊函数;然后结合PN信号特征,提出了一种无需抑制多径杂波的处理方法,该方法利用接收的PN信号与本地重映射后的PN参考信号进行循环互相关运算,并采用统计求均值的方法对引入的附加干扰进行抑制,计算量小且适合并行处理。仿真和实验验证了上述所提方法的有效性和实际可行性。(4)基于常规非前向散射探测的硬件框架,研究了一种前向散射区目标多普勒特征提取的方法。该方法直接利用接收的基带复信号进行处理,首先通过硬判决获取相参的“参考信号”,然后通过混频、低频段截取、去直流获取目标多普勒特征信号,简化了硬件,计算量小,鲁棒性强。接着分析了多旋翼无人机在前向散射区的回波谱特征,并提出了利用小波分解方法来分离回波谱中的高频成分,该高频成份有利于目标分类;最后开展了不同场景的外场实验研究,给出了不同频段的数字信号源对不同类型目标的探测结果,验证了所提方法的有效性。
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