電子對抗原理8外輻射源雷達信號處理

1、外輻射源雷達信號處理,,外輻射源雷達配置示意圖,,一、外輻射源雷達系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù) 二、基于模擬電視信號外輻射源雷達信號處理三、基于數(shù)字電視信號外輻射源雷達信號處理,外輻射源雷達結(jié)構(gòu)及信號處理,,一、外輻射源雷達系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù),（一）相關(guān)基本概念（二）關(guān)鍵技術(shù),,1、視距內(nèi)配置和超視距配置,考慮繞射后直視距離：,（一）相關(guān)基本概念,一、外輻射源雷達系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù),,2、直達波和目標回波信號模型,直達波接收通道信號：輻射源

2、直接照射到接收站信號，可作為參考信號，可能有多徑成分,目標回波接收通道信號：包含直達波干擾和目標反射的信號,（一）相關(guān)基本概念,一、外輻射源雷達系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù),,電視臺或調(diào)頻廣播臺在方位上一般是360º均勻照射，接收波束可以采用單波束或同時多波束與發(fā)射波束配合。,1、“三大同步”,（1）空間同步,保證收、發(fā)波束同時指向同一區(qū)域。,（二）關(guān)鍵技術(shù),一、外輻射源雷達系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù),,（2）時間同步,對直達波和回波進行相關(guān)處

3、理，分析目標回波與直達波的到達時延。,采用高穩(wěn)本振，殘余的頻率差通過相關(guān)處理去掉，不影響目標多普勒頻率的測量,（3）頻率同步,一、外輻射源雷達系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù),,1、“三大同步”,（二）關(guān)鍵技術(shù),2、直達波抑制與獲取,空域濾波、通道均衡等,（2） 參考信號提取,（1）直達波抑制,從接收站配置、空域濾波、射頻對消、視頻對消等方面采取措施。,（二）關(guān)鍵技術(shù),一、外輻射源雷達系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù),,3、微弱目標回波檢測,（2）長時間相參積累（

4、CAF）提高信噪比。,（1）大動態(tài)范圍接收機，關(guān)鍵是AD信噪比要高。,（二）關(guān)鍵技術(shù),一、外輻射源雷達系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù),,二、基于模擬電視信號的處理實例,（一）模擬電視信號特點（二）信號處理流程（三）關(guān)鍵技術(shù)研究（四）實時處理效果,,1、電視伴音信號 帶寬窄（有效帶寬小于100kHz），分辨率差，測距無模糊；2、電視圖像信號 帶寬寬，但存在64微秒行周期引起的距離模糊。,二、基于模擬電視信號的處理實例,,

5、（一）模擬電視信號特點,電視圖像及伴音信號中頻信號,1、電視伴音信號,二、基于模擬電視信號的處理實例,,（一）模擬電視信號特點,帶寬窄，帶寬時變，不存在測距模糊,二、基于模擬電視信號的處理實例,,1、電視伴音信號,（一）模擬電視信號特點,自相關(guān)函數(shù)存在周期性峰值，峰間距64微秒，峰值間高度相差不多，且基底電平很高。,2、電視圖像信號,二、基于模擬電視信號的處理實例,,（一）模擬電視信號特點,二、基于模擬電視信號的處理實例,（二）信號處理

6、流程,,,,1、直達波抑制2、互模糊函數(shù)（CAF）,二、基于模擬電視信號的處理實例,（三）關(guān)鍵技術(shù)研究,,1.1 空域濾波自適應(yīng)波束置零，如SMI算法先DOA估計，然后波束置零1.2 時域?qū)ο?LMS、NLMS算法 維納算法,二、基于模擬電視信號的處理實例,（三）關(guān)鍵技術(shù)研究,,1、直達波抑制,,矩陣求逆（SMI）算法,式中， 為無干擾時導(dǎo)向矢量， 為天線陣列相關(guān)矩陣

7、,陣列天線各單元加權(quán)矢量為,,（三）關(guān)鍵技術(shù)研究,1、直達波抑制,1.1 空域濾波,二、基于模擬電視信號的處理實例,矩陣求逆（SMI）算法形成寬零陷,,（三）關(guān)鍵技術(shù)研究,,1、直達波抑制,1.1 空域濾波,,未使用SMI算法,使用SMI算法，可空域濾波,二、基于模擬電視信號的處理實例,,（三）關(guān)鍵技術(shù)研究,直達波通道、目標接收通道接收信號表示如下：,對消輸出信號用矢量表示如下：,1、直達波抑制,1.2 自適應(yīng)對消,,,二、基于模擬電

8、視信號的處理實例,,（三）關(guān)鍵技術(shù)研究,二、基于模擬電視信號的處理實例,（1）NLMS,,式中， 是一個很小的正數(shù)，主要是為了防止輸入信號能量過小時除法運算溢出，而特別引入的； 為步長因子。,,（三）關(guān)鍵技術(shù)研究,1.2 自適應(yīng)對消,1、直達波抑制,對消輸出：,權(quán)值迭代：,二、基于模擬電視信號的處理實例,RLMS對消收斂過程,,（三）關(guān)鍵技術(shù)研究,1、直達波抑制,1.2 自適應(yīng)對消,二、基于模擬電視信號的處理實例,,（2

9、）維納算法,直達波信號的自相關(guān)矩陣為，該矩陣有噪聲的影響：,,（三）關(guān)鍵技術(shù)研究,1、直達波抑制,直達波信號與目標接收通道信號的互相關(guān)向量為：則對消系數(shù)為：,維納解,1.2 自適應(yīng)對消,二、基于模擬電視信號的處理實例,電視信號模糊函數(shù)（AF）電視信號互模糊函數(shù)（CAF）,,2、互模糊函數(shù),（三）關(guān)鍵技術(shù)研究,時延,頻移,二、基于模擬電視信號的處理實例,電視伴音信號模糊函數(shù),電視伴音信號的模糊函數(shù)比較理想，比較適合作為雷達輻射源,,

10、電視伴音信號互模糊函數(shù),（三）關(guān)鍵技術(shù)研究,2、互模糊函數(shù),二、基于模擬電視信號的處理實例,CAF 三維顯示圖,CAF 投影圖,（三）關(guān)鍵技術(shù)研究,,2、互模糊函數(shù),二、基于模擬電視信號的處理實例,1、信號處理流程2、對消處理結(jié)果3、互模糊函數(shù)4、恒虛警檢測,（四）實時處理效果,,信息上報,二、基于模擬電視信號的處理實例,對消后FFT,對消前FFT,（四）實時處理效果,,2、對消處理結(jié)果,二、基于模擬電視信號的處理實例,對消前后二

11、維相關(guān)圖 （相關(guān)處理時間1.6s）,,3、互模糊函數(shù),（四）實時處理效果,二、基于模擬電視信號的處理實例,,（四）實時處理效果,二、基于模擬電視信號的處理實例,CFAR結(jié)果,凝聚后的點跡,4、恒虛警檢測,,二、基于模擬電視信號的處理實例,（四）實時處理效果,2007年在遼陽實驗，雷達P型顯示器顯示北京航線飛機點跡。,2架飛機,,二、基于模擬電視信號的處理實例,（四）實時處理效果,,（一）數(shù)字電視信號特點（二）信號處理流程（三

12、）關(guān)鍵技術(shù)研究（四）硬件支持平臺（五）實時處理效果（六）低慢小探測,三、基于數(shù)字電視信號的處理實例,,全向輻射；連續(xù)波；數(shù)字電視信號帶寬寬：比調(diào)頻廣播高2個數(shù)量級，自適應(yīng)對消濾波器階數(shù)高約1個數(shù)量級，運算量增加400～500倍。,,數(shù)字電視/調(diào)頻廣播頻譜圖,,水平方向信號輻射圖,,（一）數(shù)字電視信號特點,,三、基于數(shù)字電視信號的處理實例,,信號處理流程示意圖,,,（二）信號處理流程,,三、基于數(shù)字電視信號的處理實例,1、天線陣

13、2、DBF3、寬帶信號自適應(yīng)對消4、寬帶信號CAF,,,（三）關(guān)鍵技術(shù)研究,,三、基于數(shù)字電視信號的處理實例,研制了DBF天線陣、多通道接收機和信號處理機等設(shè)備。,16單元天線陣,24通道接收機,1、天線陣,,,（三）關(guān)鍵技術(shù)研究,,8單元天線陣,三、基于數(shù)字電視信號的處理實例,16單元天線陣3個波束的方向圖,2、DBF,,,,（三）關(guān)鍵技術(shù)研究,三、基于數(shù)字電視信號的處理實例,難點：運算量巨大 數(shù)字電視信號帶寬比調(diào)

14、頻廣播高2個數(shù)量級，自適應(yīng)對消濾波器階數(shù)高約1個數(shù)量級，運算量增加400～500倍。解決方法 采用快速對消算法，當(dāng)對消階數(shù)為2000左右時，運算量比傳統(tǒng)算法減小60倍以上! 效果 傳統(tǒng)算法使用DSP需要幾百片，采用快速對消算法使用一片F(xiàn)PGA就能實現(xiàn)多個波束的對消。,3、寬帶信號自適應(yīng)對消,,,（三）關(guān)鍵技術(shù)研究,,三、基于數(shù)字電視信號的處理實例,信號處理面臨的困難 解決措施干擾強、

15、雜波長 、運算量大分數(shù)延時影響嚴重,,,分數(shù)延時示意圖,長雜波示意圖,分布式對消結(jié)構(gòu)多階內(nèi)插法,,,（三）關(guān)鍵技術(shù)研究,,寬帶強直達波干擾抑制,3、寬帶信號自適應(yīng)對消,三、基于數(shù)字電視信號的處理實例,采用快速快速對消算法，當(dāng)對消階數(shù)為2000左右時，運算量比NLMS算法減小40倍以上；傳統(tǒng)算法使用DSP需要幾百片，采用快速對消算法使用一片F(xiàn)PGA就能實現(xiàn)多個波束的對消。,運算量對比,,,,,（三）關(guān)鍵技術(shù)研究,,寬帶強直達波干擾抑

16、制,3、寬帶信號自適應(yīng)對消,三、基于數(shù)字電視信號的處理實例,對消前,對消后,數(shù)字電視外輻射源雷達直達波干擾抑制效果,,,,,,,（三）關(guān)鍵技術(shù)研究,,3、寬帶信號自適應(yīng)對消,寬帶強直達波干擾抑制,三、基于數(shù)字電視信號的處理實例,微弱目標回波檢測,難 點（1）運算量巨大（2）副峰干擾嚴重（3）距離和多普勒徙動明顯,解決措施（1）CAF快速算法， 并用大規(guī)模FPGA 實現(xiàn)（2）副峰抑制方法（3）徙動補償算法,,,,,,

17、（三）關(guān)鍵技術(shù)研究,4、寬帶信號CAF,？,三、基于數(shù)字電視信號的處理實例,CAF快速算法FPGA實現(xiàn)框圖,,,,,,,（1）快速算法,（三）關(guān)鍵技術(shù)研究,4、寬帶信號CAF,三、基于數(shù)字電視信號的處理實例,數(shù)字電視信號特有的信號幀結(jié)構(gòu)，當(dāng)作為外輻射源雷達照射源時，其模糊函數(shù)存在較多副峰，副峰可能引起虛警，為避免副峰干擾引起的虛警，需要采取有效措施抑制副峰干擾。,,,,,,,（2）副峰抑制,（三）關(guān)鍵技術(shù)研究,4、寬帶信號CAF,,單載

18、波模式的數(shù)字電視信號幀結(jié)構(gòu),三、基于數(shù)字電視信號的處理實例,數(shù)字電視信號模糊函數(shù),副峰抑制后數(shù)字電視信號模糊函數(shù),,,,,,（三）關(guān)鍵技術(shù)研究,,寬帶信號CAF：副峰抑制,三、基于數(shù)字電視信號的處理實例,（3）徙動補償,,,,,（三）關(guān)鍵技術(shù)研究,,基于包絡(luò)插值和分數(shù)階傅里葉變換的相參積累算法,4、寬帶信號CAF,三、基于數(shù)字電視信號的處理實例,目標仿真參數(shù)：速度1000m/s；加速度-10m/s2 ；積累時間0.4s 。,寬帶信

19、號CAF：徙動補償,,,,,,（三）關(guān)鍵技術(shù)研究,,目標,三、基于數(shù)字電視信號的處理實例,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖,,（四）硬件支持平臺,,三、基于數(shù)字電視信號的處理實例,,,（四）硬件支持平臺,,三、基于數(shù)字電視信號的處理實例,,（四）硬件支持平臺,,三、基于數(shù)字電視信號的處理實例,,（四）硬件支持平臺,,三、基于數(shù)字電視信號的處理實例,輻射源：中央電視塔，33頻道，3kW；實驗場地：北京理工大學(xué)良鄉(xiāng)校區(qū)圖書館樓頂；基線距離：24km ；

20、數(shù)字電視信號基帶帶寬：7.56MHz ；回波接收天線增益：約20dB ；實時實現(xiàn)：自適應(yīng)對消、CAF、CFAR和目標凝聚處理；,,,,（五）實時處理情況,,國內(nèi)首先實現(xiàn)了基于數(shù)字電視輻射源的實時處理于2011年1月23日實時探測到約85Km處民航機；目前探測距離超過200km,三、基于數(shù)字電視信號的處理實例,北京地區(qū)數(shù)字電視發(fā)射塔位置分布圖,,（五）實時處理情況,,理工大學(xué)良鄉(xiāng)校區(qū)圖書館樓頂,三、基于數(shù)字電視信號的處理實例,回波

21、信號,對消后回波信號（對消增益32dB）,實時處理B顯截圖,CAF,,,（五）實時處理情況,,三、基于數(shù)字電視信號的處理實例,,實時處理B顯圖2，目標飛遠，距離約100km橫軸為時延單元數(shù)，縱軸為多普勒單元數(shù),,（五）實時處理情況,,三、基于數(shù)字電視信號的處理實例,采用GPU方案和FPGA方案功耗對比,,（五）實時處理情況,,三、基于數(shù)字電視信號的處理實例,外輻射源雷達獲得的螺旋槳轉(zhuǎn)速信息,光學(xué)設(shè)備獲得的 圖像信息,,,