一种基于子载波的目标匹配方法

1.本发明属于雷达技术领域，尤其涉及一种基于ofdm信号外辐射源雷达的目标匹配方法。


背景技术：

2.无源双基地雷达(pbr)是收发分置的双/多基地雷达，自身不向外辐射电磁信号，而是通过接收目标反射非合作辐射源的电磁信号进行被动探测，如调频(fm)无线电，数字电视地面多媒体广播(dtmb)，全球导航卫星系统(gnss)，wi-fi和长期演进(lte)等。与有源雷达相比，pbr具有隐蔽性强、成本低、无电磁污染等优势。目前，基于调频广播、模拟电视、数字电视、移动通信等民用照射源的外辐射源雷达技术已经受到了广泛研究。此外，适当地部署照明器可以使对感兴趣区域目标的隐蔽监视成为可能。通过计算直达波信号与目标反射的回波信号在二维(时延和多普勒频移)之间的相互关系，可以测量目标的距离和速度。
3.正交频分复用(ofdm)是在多个正交子载波上对数字数据进行编码的一种多载波调制方法，通过并行的低速子载波实现高速数据传输。它具有频谱效率高、对载波间干扰(ici)和(isi)具有鲁棒性、误码率低、可通过ifft/fft调制解调等优点。
4.在雷达任务中，可以通过增加发射功率、天线增益和信号带宽来实现远距离探测。然而，由于与增益相关的整个发射机参数超出了无源双基地雷达的控制范围，因此无源双基地雷达通常需要获得较低的信噪比(snr)。为了抑制噪声，提高目标的检测性能，必须采用信号处理方法。
5.而在信号处理过程中，除了低信噪比，pn的自相关也给信号处理带来了困难。pn是由一组移位寄存器生成的伪随机序列，因此pn具有一定的相关性。以dtmb系统中的pn420为例，帧头信号pn420由一个预同步、一个pn255序列和一个后同步组成，长度为420个符号。将预同步和后同步定义为pn255序列的循环扩展，其中预同步长度为82个符号，后同步长度为83个符号。移位寄存器的初始条件决定了产生的pn序列的相位。对于dtmb信号而言，一个超帧有225个信号帧。每个超帧中每个信号帧的导频部分采用不同相位的pn信号作为信号帧标识符。由于pn码的特性，在信号处理中存在强副峰，导致弱目标被强目标覆盖的问题。综上所述，有必要根据dtmb信号的特性对pn码进行处理，其过程如下：
6.如图1所示，外辐射源雷达使用两副接收天线对目标进行探测，一副用于接收非合作辐射源发射的的直达波作为参考信号以获取发射信号样本；另一副用于接收目标反射的回波信号。然后将参考信号与回波信号进行距离-多普勒二维相参处理，通过搜索参考信号与回波信号互模糊函数的时延-多普勒二维平面上的峰值，可以获得目标的距离和多普勒信息。由此可知基于pn校准的ofdm信号距离维副峰在目标检测时将产生虚警，影响探测性能。


技术实现要素：

7.为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种基于ofdm信号外辐射源
雷达的目标匹配方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
8.本发明提供的一种基于子载波的目标匹配方法包括：
9.步骤1，获取dtmb外辐射源雷达接收到的信号；
10.其中，所述dtmb信号的外辐射源雷达接收到的信号包括参考信号和回波信号；
11.步骤2，分别对所述参考信号和所述回波信号进行放大，并根据dtmb信号参数分别对参考信号以及回波信号依次进行正交下变频、a/d采样，得到数字参考信号和数字回波信号；
12.步骤3，针对当前距离单元，将该距离单元的数字参考信号和数字回波信号分别根据信号帧结构去掉每段信号的导频部分，保留帧体信号部分以实现每段信号为dtmb信号的一个信号帧的分段处理，并采用dft方法对数字参考信号以及数字回波信号的每段帧体信号分别进行解ofdm操作得到数字参考信号的多个子载波域数据以及数字回波信号的多个子载波域数据；
13.步骤4，针对当前距离单元，将该距离单元的将数字参考信号与数字回波信号在同一序号子载波域数据进行匹配滤波操作，得到各个子载波中目标匹配结果；
14.步骤5，对目标匹配结果进行非相参积累，得到当前距离单元的最终目标匹配结果；
15.步骤6，通过数字回波信号添加偏移量作为新的数据回波信号，并重复步骤3至步骤5的过程，以实现每一个距离单元的最终目标匹配结果。
16.可选的，所述dtmb信号的外辐射源雷达设置有一副参考天线和一副接收天线，所述参考天线指向dtmb辐射源，所述接收天线指向观测区，所述参考天线接收到的信号为参考信号，所述接收天线接收到的信号为回波信号。
17.可选的，步骤3中对参考信号进行正交下变频，得到参考信号的基带复包络为：
[0018][0019]
对回波信号进行正交下变频，得到回波信号的基带复包络为：
[0020][0021]
其中，d(t)为直路波，是s(t)的延迟复制；nc和n
t
分别为离散静止地面散射体数目和目标数目；a，ci和tm为直接路径波、第i个静止地面杂波和第m个目标的复振幅；和为第i个静止地面散射和第m个多普勒频移为f
dm
的目标的时延；n(t)为监控通道的热噪声；
[0022]
所述数字参考信号表示为：
[0023][0024]
所述数字回波信号表示为：
[0025][0026]
其中，ofdm信号的符号重复周期为ts，导频宽度为t
pn
，符号帧体时长tf，信号带宽b，采样率fs，每个ofdm符号包含k个子载波，子载波间隔为1/tf，相干积累时间tc＝l*t，l为
相干积累时间内包含的ofdm符号个数，t∈[0,tc]是快时间变量，fc为信号载频，c
k,l
表示传输码元经过64qam调制得到的第l个子载波中载波k上的传输复符号。
[0027]
可选的，在步骤3之前，所述目标匹配方法还包括：
[0028]
通过pn码的相关性，确定第一个ofdm符号起始位置；
[0029]
将ofdm符号的起始位置作为雷达信号处理中数字参考信号与数字回波信号的处理位置。
[0030]
可选的，所述步骤3包括：
[0031]
步骤31：以所述处理位置为起点，根据ofdm符号的长度去掉每段信号的导频部分，保留帧体信号部分以实现每段信号为dtmb信号的一个信号帧的分段处理，参考信号的第一分段信号以及回波信号的第二分段信号；
[0032]
步骤32：根据ofdm信号的特性，对第一分段信号以及第二分段信号分别进行解操作，得到参考信号的子载波域数据和回波信号的子载波域数据。
[0033]
可选的，载波k上的信息可以表示为：
[0034][0035]
根据ofdm信号的形式，数字回波信号表示为：
[0036][0037]
所述目标匹配结果表示为：
[0038][0039]
其中，n＝τfs表示子载波域距离延迟单元，d＝lfd/fs表示多普勒单元，数字参考信号和数字回波信号的采样长度为n，共有l个ofdm符号，且子载波的总数为每个ofdm符号是k，n＝l(n
pn
nb)，其中n
pn
为导频pn的持续时间，nb是帧体的持续时间，s
echo,k
表示载波k的子载波域采样；hk＝[h
k,1
…hk,l
…hk,l
]
t
，h是载波k的传输信道响应，h
k,l
是一个复系数，表示ofdm符号l在载波k的传输信道响应；qk＝[c
k,1
…ck,l
…ck,l
]
t
是载波k传输的码元，c
k,l
表示ofdm符号l在载波k的传输信息c
k,l
可以通过对参考信号s
ref
进行ofdm解调获得；表示相同维度矩阵的对应元素积；nk是载波k上噪声的贡献，信道传输函数为h(f)。
[0040]
可选的，当前距离单元的最终匹配结果表示为：
[0041][0042]
可选的，所述步骤6包括：
[0043]
通过数字回波信号添加偏移量作为新的数据回波信号，并重复步骤3至步骤5的过程，得到每一个距离单元的最终目标匹配结果；
[0044]
根据最终目标匹配结果中，检测在距离-多普勒平面上出现峰值，从而确定峰值对应的目标检测。
[0045]
本发明提供的一种基于子载波的目标匹配方法，利用参考信号与回波信号在相同子载波上的相关性，去掉了pn序列，对目标进行二次积累，能够解决常规距离-多普勒算法无法有效抑制pn引起的副峰的问题，从而可以有效抑制基于pn序列校正的ofdm信号模糊函
数时延维副峰对目标检测过程中产生的虚警和漏警的影响，然后通过二次积累，提高了目标积累增益。解决了ofdm信号的时延维在参考信号与回波信号进行距离-多普勒二维相参处理后目标检测时产生掩盖弱目标的问题，有利于目标检测。
[0046]
以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。
附图说明
[0047]
图1为本发明实施例提供的link16信号外辐射源雷达双基地配置示意图；
[0048]
图2为本发明实施例提供的一种基于子载波的目标匹配方法的流程示意图；
[0049]
图3为本发明实施例提供的基于子载波的目标匹配方法仿真实验中偏移量为10个距离单元时的距离维结果示意图；
[0050]
图4为本发明实施例提供的基于子载波的目标匹配方法仿真实验中偏移量为15个距离单元时的距离维结果示意图；
[0051]
图5为本发明实施例提供的传统的mtd方法仿真实验中距离维结果示意图；
[0052]
图6为本发明实施例提供的基于子载波的目标匹配方法仿真实验中偏移量为10个距离单元时的多普勒维结果示意图；
[0053]
图7为本发明实施例提供的基于子载波的目标匹配方法仿真实验中偏移量为15个距离单元时的多普勒维结果示意图。
具体实施方式
[0054]
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
[0055]
如图2所示，本发明提供的一种基于子载波的目标匹配方法包括：
[0056]
步骤1，获取dtmb外辐射源雷达接收到的信号；
[0057]
其中，dtmb信号的外辐射源雷达接收到的信号包括参考信号和回波信号；dtmb信号的外辐射源雷达设置有一副参考天线和一副接收天线，参考天线指向dtmb辐射源，接收天线指向观测区，参考天线接收到的信号为参考信号，接收天线接收到的信号为回波信号。
[0058]
步骤2，分别对参考信号和回波信号进行放大，并根据dtmb信号参数分别对参考信号以及回波信号依次进行正交下变频、a/d采样，得到数字参考信号和数字回波信号；
[0059]
设置ofdm信号的符号重复周期ts，导频宽度为t
pn
，符号帧体时长tf，信号带宽b，采样率fs，每个ofdm符号包含k个子载波，子载波间隔为1/tf。相干积累时间tc＝l*t,其中l为相干积累时间内包含的ofdm符号个数。则发射信号为：
[0060][0061]
其中t∈[0,tc]是快时间变量，fc为信号载频，c
k,l
表示第l个子载波中载波k上的传输复符号，其由传输码元经过64qam调制。对接受到的参考信号进行下变频，得到的参考信号的基带复包络为：
[0062][0063]
与参考信号类似，得到的回波信号的基带复包络为：
[0064][0065]
其中式中d(t)为直路波，是s(t)的延迟复制；nc和n
t
分别为离散静止地面散射体数目和目标数目；a，ci和tm为直接路径波、第i个静止地面杂波和第m个目标的复振幅；和为第i个静止地面散射和第m个多普勒频移为f
dm
的目标的时延(相对于直接路径波)；n(t)为监控通道的热噪声。
[0066]
对参考信号进行a/d采样后，得到数字参考信号表示为：
[0067][0068]
对回波信号进行a/d采样后，得到数字回波信号表示为：
[0069][0070]
其中，ofdm信号的符号重复周期为ts，导频宽度为t
pn
，符号帧体时长tf，信号带宽b，采样率fs，每个ofdm符号包含k个子载波，子载波间隔为1/tf，相干积累时间tc＝l*t，l为相干积累时间内包含的ofdm符号个数，t∈[0,tc]是快时间变量，fc为信号载频，c
k,l
表示传输码元经过64qam调制得到的第l个子载波中载波k上的传输复符号。
[0071]
步骤3，针对当前距离单元，将该距离单元的数字参考信号和数字回波信号分别根据信号帧结构去掉每段信号的导频部分，保留帧体信号部分以实现每段信号为dtmb信号的一个信号帧的分段处理，并采用dft方法对数字参考信号以及数字回波信号的每段帧体信号分别进行解ofdm操作得到数字参考信号的多个子载波域数据以及数字回波信号的多个子载波域数据；
[0072]
本步骤在进行分段处理之前，需要通过pn码的相关性，确定第一个ofdm符号起始位置；将ofdm符号的起始位置作为雷达信号处理中数字参考信号与数字回波信号的处理位置。
[0073]
值得说明的是：在对pn切割和fft做同样的操作之前，需要找到ofdm符号的起始位置。在通信信号处理中，传统的方法是通过pn码的相关性来确定起始位置。通过解调可以得到参考信号在子载波域的数据。
[0074]
在具体的可选的实施过程中，步骤3包括：
[0075]
步骤31：以处理位置为起点，根据ofdm符号的长度去掉每段信号的导频部分，保留帧体信号部分以实现每段信号为dtmb信号的一个信号帧的分段处理，参考信号的第一分段信号以及回波信号的第二分段信号；
[0076]
步骤32：根据ofdm信号的特性，对第一分段信号以及第二分段信号分别进行解操作，得到参考信号的子载波域数据和回波信号的子载波域数据。
[0077]
假设数字参考信号和数字回波信号的采样长度n，它们都包含l个ofdm符号且子载波的总数为每个ofdm符号是k，根据ofdm信号的特点可知n＝l(n
pn
nb)，其中n
pn
为导频pn的持续时间，nb是帧体的持续时间。载波k上的信息可以表示为
[0078][0079]
其中，s
echo,k
表示载波k的子载波域采样；hk＝[h
k,1
…hk,l
…hk,l
]
t
，h是载波k的传输
信道响应，h
k,l
是一个复系数，表示ofdm符号l在载波k的传输信道响应；qk＝[c
k,1
…ck,l
…ck,l
]
t
是载波k传输的码元，c
k,l
表示ofdm符号l在载波k的传输信息c
k,l
可以通过对参考信号s
ref
进行ofdm解调获得；表示相同维度矩阵的对应元素积；nk是载波k上噪声的贡献。
[0080]
信道传输函数可以由h(f)表示，对多径杂波而言，在整个处理分析过程中，可以将传输信道视为时不变信道。然而，由于目标回波包含目标多普勒频移，目标回波对于同一载波上的每个符号具有不同的传播信道响应，并且在同一载波上的第l个ofdm符号的传播信道响应相对于首个ofdm符号具有相移。因此，目标回波可以表示为
[0081][0082]
其中，
[0083][0084][0085]
目标回波公式右侧的四项分别表示直达波、多径杂波、目标回波和噪声。根据公式，直达波和多径杂波的信道响应分别为h(fk)和为了便于分析，由于多径杂波是对直达波延时的副本，可以将表示直达波和多径杂波的两个项合并为一个项。所以s
echo,k
可以简化为
[0086][0087]
其中，
[0088][0089][0090]
将同一载波k中直达波和多径杂波合并为一个与qk完全相关的项，其中包含的直达波和多径杂波可以根据直达波和多径杂波之间的相关性通过算法加以消除。消去运算后，s
echo,k
只包含目标回波和噪声的贡献。注意u
k,m
和qk之间的相位差，这是由目标的多普勒频移引起的。虽然目标回波项和参考信号在载波域的形式与时域的形式相同，但目标相移引起的信道传递函数变化的影响还需要进一步分析。
[0091]
为了清晰地分析传输函数变化的影响，需要考虑载波k中某一ofdm符号的形式。根据ofdm信号的形式，回波信号表示为：
[0092][0093]
步骤4，针对当前距离单元，将该距离单元的将数字参考信号与数字回波信号在同一序号子载波域数据进行匹配滤波操作，得到各个子载波中目标匹配结果；
[0094]
目标匹配结果表示为：
[0095][0096]
其中，n＝τfs表示子载波域距离延迟单元，d＝lfd/fs表示多普勒单元，数字参考信号和数字回波信号的采样长度为n，共有l个ofdm符号，且子载波的总数为每个ofdm符号是k，n＝l(n
pn
nb)，其中n
pn
为导频pn的持续时间，nb是帧体的持续时间，s
echo,k
表示载波k的子载波域采样；hk＝[h
k,1
…hk,l
…hk,l
]
t
，h是载波k的传输信道响应，h
k,l
是一个复系数，表示ofdm符号l在载波k的传输信道响应；qk＝[c
k,1
…ck,l
…ck,l
]
t
是载波k传输的码元，c
k,l
表示ofdm符号l在载波k的传输信息c
k,l
可以通过对参考信号s
ref
进行ofdm解调获得；表示相同维度矩阵的对应元素积；nk是载波k上噪声的贡献，信道传输函数为h(f)。
[0097]
步骤5，对目标匹配结果进行非相参积累，得到当前距离单元的最终目标匹配结果；
[0098]
其中，当前距离单元的最终匹配结果表示为：
[0099][0100]
步骤6，通过数字回波信号添加偏移量作为新的数据回波信号，并重复步骤3至步骤5的过程，以实现每一个距离单元的最终目标匹配结果。
[0101]
在具体可选的实施过程中：所述步骤6包括：
[0102]
通过数字回波信号添加偏移量作为新的数据回波信号，并重复步骤3至步骤5的过程，得到每一个距离单元的最终目标匹配结果；
[0103]
根据最终目标匹配结果中，检测在距离-多普勒平面上出现峰值，从而确定峰值对应的目标检测。
[0104]
为了便于分析，杂波对消算法可以消除直达波和多径的影响，因此只考虑目标反射回波的形式，而噪声本身与参考信号完全不具有相关性。显然，虽然通过解调可以得到参考信号，但目标回波通过pn码找到帧头位置是不现实的，因为目标回波的信噪比并不理想。因此，对目标回波增加偏移很必要。所有的距离单位都是在这个过程中检测到的。同时，由于每个ofdm码元都需要pn切割和fft运算，所以无论检测距离如何，偏移量的上限都不会超过一个ofdm码元的长度，即一个ofdm符号长度的偏移量将可以直接实现所有距离单元的探测。在目标回波上增加偏移量可以等效于对时延τm引起的相位项进行补偿。所以目标回波可以表示为
[0105][0106]
添加不同的偏移量之后，需要再次对回波进行解ofdm操作，并重复步骤3-步骤5，获得不同距离单元下的积累结果。从最终变换结果可以得知，|ψ(r,d,k)|将会在距离-多普
勒平面上目标位置处出现峰值，从而完成目标检测。
[0107]
从本发明的具体方案可以看出，本发明的具体构思是：由于pn序列之间具有强相关性，导致参考信号与回波信号进行距离-多普勒二维相参处理时的时延维在时间维出现副峰；同时由于dtmb信号的帧结构特点，导致参考信号与回波信号进行距离-多普勒二维相参处理时的多普勒维在信号帧周期处出现副峰。时延-多普勒二维平面上的副峰严重影响目标检测性能。因此首先除掉pn序列并将信号变换到载波域，然后对不同的子载波信号进行距离-多普勒二维相参处理，最后对不同子载波信号进行非相参积累以抑制距离为副峰，提高目标检测信噪比。
[0108]
本发明提供的一种基于子载波的目标匹配方法，利用参考信号与回波信号在相同子载波上的相关性，去掉了pn序列，对目标进行二次积累，能够解决常规距离-多普勒算法无法有效抑制pn引起的副峰的问题，从而可以有效抑制基于pn序列校正的ofdm信号模糊函数时延维副峰对目标检测过程中产生的虚警和漏警的影响，然后通过二次积累，提高了目标积累增益。解决了ofdm信号的时延维在参考信号与回波信号进行距离-多普勒二维相参处理后目标检测时产生掩盖弱目标的问题，有利于目标检测。
[0109]
下面通过仿真实验，验证本发明提供的一种基于子载波的目标匹配方法的性能。
[0110]
1、本发明实施例的仿真条件：
[0111]
本发明实验中设置ofdm信号的符号重复周期t＝555.6μs，导频宽度为t
pn
＝55.6μs，符号帧体时长tf＝500μs，信号带宽b＝7.56mhz采样率fs＝7.56mhz，每个ofdm符号包含3780个子载波，子载波间隔为2khz。相干积累时间t＝0.125s，即相干处理时间内包含225个ofdm符号。对参考信号和回波信号进行下采样后得到的数字信号为长度n＝850500的复信号。
[0112]
pn序列组成帧头部分，根据dtmb标准的生成规则生成。帧体中的传输码流随机生成，经过64qam调制，最后通过ifft发送到各子载波。
[0113]
参考信号仅包含传输信号和噪声成分。回波信号中的多径杂波利用eca算法消除，将噪声建模为复高斯白噪声。
[0114]
第一个仿真实验是为了验证该方法对pn导频的副峰的抑制效果。基于以上设定，目标回波中包含了两个目标反射的回波信息，一个在第15个距离单元且多普勒频移10hz、信噪比0db，另一目标存在于第10个距离单元、多普勒频移9hz、信噪比为-40db。
[0115]
2、本发明实验的仿真结果分析：
[0116]
图3为本发明方法在offset＝10时的结果范围单元，对应第10个范围单元。图4是也。图5为mtd检测结果的范围细胞。通过对比图2、图4和图5可以发现，在传统方法中，由于pn的影响，能量较强的目标副峰会覆盖能量较弱的目标。较弱的目标几乎不可能被探测到。在本发明提出的方法中，由于对不同的距离单元分别进行处理，因此对不同距离单元的目标分别进行检测。尽管如此，第10个距离单元的目标仍然清晰可见。因此，可以得出结论，本发明提出的方法可以有效改善pn引起的副峰噪声的目标掩盖问题。
[0117]
第二个仿真实验验证了该方法对噪声的鲁棒性。信号形式与第一次仿真实验相同。不同之处在于第二次仿真中目标回波中只有一个存在于第10个距离单元的目标回波，多普勒频移5hz，信噪比低-40db。
[0118]
图6为偏移量为10时，所提方法结果的多普勒维结果。图7显示了mtd结果的多普勒
维。从图6和图7可以明显看出，传统的mtd方法已经不能检测到目标，当目标回波信噪比较低时，噪声能量覆盖了目标回波。但经过本发明方法处理后，目标回波能量仍比噪声平台高约5db。因此，可以得出结论，相比于传统方法，本发明所提方法对噪声有较强的鲁棒性。
[0119]
尽管在此结合各实施例对本技术进行了描述，然而，在实施所要求保护的本技术过程中，本领域技术人员通过查看所述附图、公开内容、以及所附权利要求书，可理解并实现所述公开实施例的其他变化。在权利要求中，“包括”(comprising)一词不排除其他组成部分或步骤，“一”或“一个”不排除多个的情况。单个处理器或其他单元可以实现权利要求中列举的若干项功能。相互不同的从属权利要求中记载了某些措施，但这并不表示这些措施不能组合起来产生良好的效果。
[0120]
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。