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外辐射源雷达信号处理,外辐射源雷达配置示意图,一、外辐射源雷达系统结构及关键技术 二、基于模拟电视信号外辐射源雷达信号处理 三、基于数字电视信号外辐射源雷达信号处理,外辐射源雷达结构及信号处理,一、外辐射源雷达系统结构及关键技术,(一)相关基本概念 (二)关键技术,1、视距内配置和超视距配置,考虑绕射后直视距离:,(一)相关基本概念,一、外辐射源雷达系统结构及关键技术,2、直达波和目标回波信号模型,直达波接收通道信号:辐射源直接照射到接收站信号,可作为参考信号,可能有多径成分,目标回波接收通道信号:包含直达波干扰和目标反射的信号,(一)相关基本概念,一、外辐射源雷达系统结构及关键技术,电视台或调频广播台在方位上一般是360均匀照射,接收波束可以采用单波束或同时多波束与发射波束配合。,1、“三大同步”,(1)空间同步,保证收、发波束同时指向同一区域。,(二)关键技术,一、外辐射源雷达系统结构及关键技术,(2)时间同步,对直达波和回波进行相关处理,分析目标回波与直达波的到达时延。,采用高稳本振,残余的频率差通过相关处理去掉,不影响目标多普勒频率的测量,(3)频率同步,一、外辐射源雷达系统结构及关键技术,1、“三大同步”,(二)关键技术,2、直达波抑制与获取,空域滤波、通道均衡等,(2) 参考信号提取,(1)直达波抑制,从接收站配置、空域滤波、射频对消、视频对消等方面采取措施。,(二)关键技术,一、外辐射源雷达系统结构及关键技术,3、微弱目标回波检测,(2)长时间相参积累(CAF)提高信噪比。,(1)大动态范围接收机,关键是AD信噪比要高。,(二)关键技术,一、外辐射源雷达系统结构及关键技术,二、基于模拟电视信号的处理实例,(一)模拟电视信号特点 (二)信号处理流程 (三)关键技术研究 (四)实时处理效果,1、电视伴音信号 带宽窄(有效带宽小于100kHz),分辨率差,测距无模糊; 2、电视图像信号 带宽宽,但存在64微秒行周期引起的距离模糊。,二、基于模拟电视信号的处理实例,(一)模拟电视信号特点,电视图像及伴音信号中频信号,1、电视伴音信号,二、基于模拟电视信号的处理实例,(一)模拟电视信号特点,带宽窄,带宽时变,不存在测距模糊,二、基于模拟电视信号的处理实例,1、电视伴音信号,(一)模拟电视信号特点,自相关函数存在周期性峰值,峰间距64微秒,峰值间高度相差不多,且基底电平很高。,2、电视图像信号,二、基于模拟电视信号的处理实例,(一)模拟电视信号特点,二、基于模拟电视信号的处理实例,(二)信号处理流程,1、直达波抑制 2、互模糊函数(CAF),二、基于模拟电视信号的处理实例,(三)关键技术研究,1.1 空域滤波 自适应波束置零,如SMI算法 先DOA估计,然后波束置零 1.2 时域对消 LMS、NLMS算法 维纳算法,二、基于模拟电视信号的处理实例,(三)关键技术研究,1、直达波抑制,矩阵求逆(SMI)算法,式中, 为无干扰时导向矢量, 为天线阵列相关矩阵,阵列天线各单元加权矢量为,(三)关键技术研究,1、直达波抑制,1.1 空域滤波,二、基于模拟电视信号的处理实例,矩阵求逆(SMI)算法形成宽零陷,(三)关键技术研究,1、直达波抑制,1.1 空域滤波,未使用SMI算法,使用SMI算法,可空域滤波,二、基于模拟电视信号的处理实例,(三)关键技术研究,直达波通道、目标接收通道接收信号表示如下:,对消输出信号用矢量表示如下:,1、直达波抑制,1.2 自适应对消,二、基于模拟电视信号的处理实例,(三)关键技术研究,二、基于模拟电视信号的处理实例,(1)NLMS,式中, 是一个很小的正数,主要是为了防止输入信号能量过小时除法运算溢出,而特别引入的; 为步长因子。,(三)关键技术研究,1.2 自适应对消,1、直达波抑制,对消输出:,权值迭代:,二、基于模拟电视信号的处理实例,RLMS对消收敛过程,(三)关键技术研究,1、直达波抑制,1.2 自适应对消,二、基于模拟电视信号的处理实例,(2)维纳算法,直达波信号的自相关矩阵为,该矩阵有噪声的影响:,(三)关键技术研究,1、直达波抑制,直达波信号与目标接收通道信号的互相关向量为: 则对消系数为:,维纳解,1.2 自适应对消,二、基于模拟电视信号的处理实例,电视信号模糊函数(AF) 电视信号互模糊函数(CAF),2、互模糊函数,(三)关键技术研究,时延,频移,二、基于模拟电视信号的处理实例,电视伴音信号模糊函数,电视伴音信号的模糊函数比较理想,比较适合作为雷达辐射源,电视伴音信号互模糊函数,(三)关键技术研究,2、互模糊函数,二、基于模拟电视信号的处理实例,CAF 三维显示图,CAF 投影图,(三)关键技术研究,2、互模糊函数,二、基于模拟电视信号的处理实例,1、信号处理流程 2、对消处理结果 3、互模糊函数 4、恒虚警检测,(四)实时处理效果,信息上报,二、基于模拟电视信号的处理实例,对消后FFT,对消前FFT,(四)实时处理效果,2、对消处理结果,二、基于模拟电视信号的处理实例,对消前后二维相关图 (相关处理时间1.6s),3、互模糊函数,(四)实时处理效果,二、基于模拟电视信号的处理实例,(四)实时处理效果,二、基于模拟电视信号的处理实例,CFAR结果,凝聚后的点迹,4、恒虚警检测,二、基于模拟电视信号的处理实例,(四)实时处理效果,2007年在辽阳实验, 雷达P型显示器显示北京航线飞机点迹。,2架飞机,二、基于模拟电视信号的处理实例,(四)实时处理效果,(一)数字电视信号特点 (二)信号处理流程 (三)关键技术研究 (四)硬件支持平台 (五)实时处理效果 (六)低慢小探测,三、基于数字电视信号的处理实例,全向辐射; 连续波; 数字电视信号带宽宽:比调频广播高2个数量级,自适应对消滤波器阶数高约1个数量级,运算量增加400500倍。,数字电视/调频广播频谱图,水平方向信号辐射图,(一)数字电视信号特点,三、基于数字电视信号的处理实例,信号处理流程示意图,(二)信号处理流程,三、基于数字电视信号的处理实例,1、天线阵 2、DBF 3、宽带信号自适应对消 4、宽带信号CAF,(三)关键技术研究,三、基于数字电视信号的处理实例,研制了DBF天线阵、多通道接收机和信号处理机等设备。,16单元天线阵,24通道接收机,1、天线阵,(三)关键技术研究,8单元天线阵,三、基于数字电视信号的处理实例,16单元天线阵3个波束的方向图,2、DBF,(三)关键技术研究,三、基于数字电视信号的处理实例,难点:运算量巨大 数字电视信号带宽比调频广播高2个数量级,自适应对消滤波器阶数高约1个数量级,运算量增加400500倍。 解决方法 采用快速对消算法,当对消阶数为2000左右时,运算量比传统算法减小60倍以上! 效果 传统算法使用DSP需要几百片,采用快速对消算法使用一片FPGA就能实现多个波束的对消。,3、宽带信号自适应对消,(三)关键技术研究,三、基于数字电视信号的处理实例,信号处理面临的困难 解决措施 干扰强、杂波长 、运算量大 分数延时影响严重,分数延时示意图,长杂波示意图,分布式对消结构 多阶内插法,(三)关键技术研究,宽带强直达波干扰抑制,3、宽带信号自适应对消,三、基于数字电视信号的处理实例,采用快速快速对消算法,当对消阶数为2000左右时,运算量比NLMS算法减小40倍以上; 传统算法使用DSP需要几百片,采用快速对消算法使用一片FPGA就能实现多个波束的对消。,运算量对比,(三)关键技术研究,宽带强直达波干扰抑制,3、宽带信号自适应对消,三、基于数字电视信号的处理实例,对消前,对消后,数字电视外辐射源雷达直达波干扰抑制效果,(三)关键技术研究,3、宽带信号自适应对消,宽带强直达波干扰抑制,三、基于数字电视信号的处理实例,微弱目标回波检测,难 点 (1)运算量巨大 (2)副峰干扰严重 (3)距离和多普勒徙动明显,解决措施 (1)CAF快速算法, 并用大规模FPGA 实现 (2)副峰抑制方法 (3)徙动补偿算法,(三)关键技术研究,4、宽带信号CAF,?,三、基于数字电视信号的处理实例,CAF快速算法FPGA实现框图,(1)快速算法,(三)关键技术研究,4、宽带信号CAF,三、基于数字电视信号的处理实例,数字电视信号特有的信号帧结构,当作为外辐射源雷达照射源时,其模糊函数存在较多副峰,副峰可能引起虚警,为避免副峰干扰引起的虚警,需要采取有效措施抑制副峰干扰。,(2)副峰抑制,(三)关键技术研究,4、宽带信号CAF,单载波模式的数字电视信号帧结构,三、基于数字电视信号的处理实例,数字电视信号模糊函数,副峰抑制后数字电视信号模糊函数,(三)关键技术研究,宽带信号CAF:副峰抑制,三、基于数字电视信号的处理实例,(3)徙动补偿,(三)关键技术研究,基于包络插值和分数阶傅里叶变换的相参积累算法,4、宽带信号CAF,三、基于数字电视信号的处理实例,目标仿真参数: 速度1000m/s; 加速度-10m/s2 ; 积累时间0.4s 。,宽带信号CAF:徙动补偿,(三)关键技术研究,目标,三、基于数字电视信号的处理实例,系统结构示意图,(四)硬件支持平台,三、基于数字电视信号的处理实例,(四)硬件支持平台,三、基于数字电视信号的处理实例,(四)硬件支持平台,三、基于数字电视信号的处理实例,(四)硬件支持平台,三、基于数字电视信号的处理实例,辐射源:中央电视塔,33频道,3kW; 实验场地:北京理工大学良乡校区图书馆楼顶; 基线距离:24km ; 数字电视信号基带带宽:7.56MHz ; 回波接收天线增益:约20dB ; 实时实现:自适应对消、CAF、CFAR和目标凝聚处理;,(五)实时处理情况,国内首先实现了基于数字电视辐射源的实时处理 于2011年1月23日实时探测到约85Km处民航机; 目前探测距离超过200km,三、基于数字电视信号的处理实例,北京地区数字电视发射塔位置分布图,(五)实时处理情况,理工大学良乡校区图书馆楼顶,三、基于数字电视信号的处理实例,回波信号,对消后回波信号(对消增益32dB),实时处理B显截图,CAF,(五)实时处理情况,三、基于数字电视信号的处理实例,实时处理B显图2,目标飞远,距离约100km 横轴为时延单元数,纵轴为多普勒单元数,(五)实时处理情况,三、基于数字电视信号的处理实例,采用GPU方案和FPGA方案功耗对比,(五)实时处理情况,三、基于数字电视信号的处理实例,外辐射源雷达获得的螺旋桨转速信息,光学设备获得的 图像信息,(六)低慢小探测,三、基于数字电视信号的处理实例,1、有时候读书是一种巧妙地避开思考的方法。20.8.1820.8.18Tuesday, August 18, 2020 2、阅读一切好书如同和过去最杰出的人谈话。03:23:2203:23:2203:238/18/2020 3:23:22 AM 3、越是没有本领的就越加自命不凡。20.8.1803:23:2203:23Aug-2018-Aug-20 4、越是无能的人,越喜欢挑剔别人的错儿。03:23:2203:23:2203:23Tuesday, August 18, 2020 5、知人者智,自知者明。胜人者有力,自胜者强。20.8.1820.8.1803:23:2203:23:22August 18, 2020 6、意志坚强的人能把世界放在手中像泥块一样任意揉捏。2020年8月18日星期二上午3时23分22秒03:23:2220.8.18 7、最具挑战性的挑战莫过于提升自我。2020年8月上午3时23分20.8.1803:23August 18, 2020 8、业余生活要有意义
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