王天云,劉冰,凌曉冬,劉勇,陳衛(wèi)東

(中國(guó)衛(wèi)星海上測(cè)控部,江蘇 江陰 214431)

0 引言

隨著電子技術(shù)的快速發(fā)展，有源雷達(dá)面臨著反輻射彈、電子干擾、低空突防、隱身目標(biāo)的威脅。無(wú)源雷達(dá)是一種利用第三方照射源(如調(diào)頻廣播電臺(tái)、手機(jī)/電視基站、導(dǎo)航衛(wèi)星等)發(fā)射的電磁波信號(hào)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)或成像的雙/多基地雷達(dá)系統(tǒng)，具有“四抗”優(yōu)勢(shì)，近年來(lái)受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注[1-2]。

自1986 年H. D. Griffiths 提出基于電視信號(hào)的雙基地雷達(dá)[3]和1999 年P(guān).E.Howland 發(fā)表有關(guān)基于電視信號(hào)的無(wú)源探測(cè)論文[4]以來(lái)，基于非合作輻射源的無(wú)源雷達(dá)技術(shù)進(jìn)入了迅速的發(fā)展階段。

2013年萬(wàn)顯榮等人對(duì)基于DRM數(shù)字調(diào)幅廣播的高頻外輻射源雷達(dá)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，證實(shí)了數(shù)字調(diào)幅廣播(digital radio mondiale, DRM)信號(hào)實(shí)現(xiàn)超視距無(wú)源探測(cè)技術(shù)的可行性[5]。2014年中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)的于小飛等人研究了基于數(shù)字電視直播衛(wèi)星的無(wú)源成像技術(shù)，并提出一種基于Laplace目標(biāo)先驗(yàn)的稀疏貝葉斯學(xué)習(xí)的成像方法[6]，但文中并未對(duì)數(shù)字電視直播衛(wèi)星的信號(hào)特性進(jìn)行分析。2015年北京航空航天大學(xué)的Hui Ma提出了一種聯(lián)合利用Galileo衛(wèi)星輻射的E5a和E5b信號(hào)來(lái)提高無(wú)源合成孔徑雷達(dá)(synthetic aperture radar, SAR)成像方案，實(shí)測(cè)結(jié)果表明了其距離維分辨效果相比僅利用E5b信號(hào)提高了3倍[7]。2015年西班牙阿爾卡拉大學(xué)的J.-L. Bárcena-Humanes等人研究了利用商用同步衛(wèi)星作為照射源來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)海面目標(biāo)定位和成像的可行性[8]。2016年意大利那不勒斯環(huán)境電磁感應(yīng)研究所的Gianluca Gennarelli等人研究了基于WIFI信號(hào)的室內(nèi)人體動(dòng)目標(biāo)定位、跟蹤和成像技術(shù)[9]。2017年美國(guó)坦普爾大學(xué)的Yimin D. Zhang等人研究了基于數(shù)字地面電視(digital terrestrial television, DVB-T)外輻射源照射的無(wú)源SAR成像技術(shù)，構(gòu)建了基于多頻段的稀疏成像模型，仿真結(jié)果表明相比單頻段無(wú)源成像，聯(lián)合多頻段成像技術(shù)具有較大優(yōu)勢(shì)[10]。2017年武漢大學(xué)的Yuqi Liu等人則研制了一套基于數(shù)字電視信號(hào)的多通道無(wú)源接收裝置，成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)空中無(wú)人機(jī)的探測(cè)和跟蹤[11]。

當(dāng)前，隨著通信/導(dǎo)航等新興技術(shù)的發(fā)展，空間中的電磁信號(hào)種類越來(lái)越豐富，尤其是以數(shù)字信號(hào)為代表，具有較好的可用性。本文詳細(xì)分析了數(shù)字?jǐn)?shù)字電視直播衛(wèi)星(digital video broadcasting-satellite, DVB-S)信號(hào)用于無(wú)源雷達(dá)的基本性能。首先介紹了DVB-S信號(hào)的產(chǎn)生方式，然后分析其頻譜特性、模糊函數(shù)特性，接著計(jì)算了系統(tǒng)鏈路預(yù)算，并研制了一套外場(chǎng)實(shí)驗(yàn)裝置。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的處理結(jié)果與理論分析結(jié)果的一致性較好，驗(yàn)證了DVB-S信號(hào)用于無(wú)源探測(cè)的可行性。

1 DVB-S信號(hào)特性分析

1.1 信號(hào)產(chǎn)生方式

DVB-S信號(hào)采用正交相移鍵控(quadrature phase shift keying, QPSK)調(diào)制方式，使用的Ku頻帶為12.25～12.75 GHz，產(chǎn)生過(guò)程由2部分組成：信源編碼和信道編碼[12]。其中信源編碼采用MPEG-2碼流，具體實(shí)現(xiàn)方式為:首先對(duì)音頻和視頻進(jìn)行復(fù)用，然后再將多個(gè)數(shù)字電視節(jié)目流進(jìn)行傳輸復(fù)用；信道編碼包括前向糾錯(cuò)編碼、調(diào)制和上變頻3個(gè)部分。圖1給出了DVB-S信號(hào)產(chǎn)生過(guò)程。

據(jù)此，得出DVB-S信號(hào)數(shù)學(xué)表達(dá)式為

(1)

式中:T為QPSK信號(hào)符號(hào)率的倒數(shù)；g(t)為持續(xù)時(shí)間為T(mén)的脈沖信號(hào)，同時(shí)也是滾降系數(shù)為α的平方根升余弦滾降濾波器的沖激響應(yīng)；ω0為載波角頻率；φn為第n個(gè)符號(hào)相位信息，滿足φn∈{π/4,3π/4,5π/4,7π/4}；N為QPSK符號(hào)個(gè)數(shù)。

其中g(shù)(t)頻率傳輸函數(shù)如下

(2)

為后續(xù)分析方便，將式(1)寫(xiě)成復(fù)指數(shù)形式為

s(t)=Re{u(t)ejω0t}，

(3)

1.2 信號(hào)頻譜特性分析

對(duì)式(3)作Fourier變換，可以得出DVB-S信號(hào)頻譜為

[exp(-jπfNT)NTsinc(πfNT)]·

(4)

容易看出U(f)是Sinc函數(shù)與H(f)卷積的結(jié)果，可以預(yù)計(jì)其中間部分較為平坦，體現(xiàn)出H(f)的特性，兩邊部分則呈現(xiàn)Sinc函數(shù)的旁瓣特性。

以我國(guó)中星九號(hào)的數(shù)字直播衛(wèi)星信號(hào)作為仿真對(duì)象。假設(shè)已經(jīng)過(guò)正交下變頻處理獲得基帶信號(hào)。參數(shù)如下：碼速率28.8 MHz，采樣速率為碼速率的3倍，升余弦濾波器參數(shù)為0.25，觀察時(shí)間為0.174 ms。由圖2看出仿真結(jié)果與理論分析基本一致。

1.3 自模糊函數(shù)特性分析

假設(shè)相干積累時(shí)間T0=NT，自模糊函數(shù)通過(guò)計(jì)算得出

[ej2πfdmTH(-fd))*[ej2πfd(nT-τ)H*(fd)]*

[ejπfdNTNTsinc(πfdNT)].

(5)

(1) 令τ=0，忽略g(t)的影響，可以得到

NT|sinc(πfdNT)|.

(6)

其中sinc函數(shù)主瓣寬度為2/NT，極小值位于p/NT(p為非0整數(shù))處，極大值應(yīng)位于(1/2+q)/NT(q為整數(shù)且q≠0,-1)處。此時(shí)式(6)與線性調(diào)頻信號(hào)模糊函數(shù)的多普勒維完全一致[13]。

(2) 令fd=0，經(jīng)推導(dǎo)得出

(7)

隨著|τ|的增加，在0～NT內(nèi)的碼元個(gè)數(shù)不斷減少，模糊函數(shù)的模值也不斷減小。同時(shí)由于升余弦濾波器的沖擊響應(yīng)主瓣寬度為2T，所以當(dāng)|τ|=kT時(shí)，會(huì)出現(xiàn)一個(gè)極小值。

一般情況下，N較大而時(shí)延維相對(duì)于T很大，仿真生成的模糊函數(shù)圖幾乎看不到時(shí)延維的旁瓣，且其迅速降至噪聲基底水平，此時(shí)對(duì)目標(biāo)的探測(cè)影響便很小。

圖3給出了DVB-S信號(hào)自模糊函數(shù)的仿真結(jié)果?？梢钥闯銎涑蕡D釘形狀，具有良好的時(shí)延及多普勒分辨特性。為進(jìn)一步深入分析，選取自模糊函數(shù)在τ=0及fd=0處的自模糊函數(shù)截面圖，如圖4所示。

第一，絕大多數(shù)人不可避免地失業(yè)。無(wú)論地球上的所有人多么努力，并且，無(wú)論每個(gè)人多么聰明，絕大多數(shù)人都會(huì)失業(yè)，因?yàn)閸徫环浅Ｓ邢?。眾人皆聰明、努力，只?huì)提高就業(yè)門(mén)檻，并不會(huì)增加就業(yè)機(jī)會(huì)。此點(diǎn)幾乎是剛性的，也是最重要的，它使絕大多數(shù)人即便終生學(xué)習(xí)也無(wú)法改變命運(yùn)。

可以看出，極小值對(duì)應(yīng)的多普勒為8.64 kHz，極大值對(duì)應(yīng)多普勒為12.96 kHz。根據(jù)碼速率28.8 MHz，采樣率86.4 MHz得出積分時(shí)間NT=10 000×(28.8×3×106)-1=8 640-1s。則8 640=1/NT，12 960=(1/2+1)/NT與前文中理論分析一致。

另外，圖4中的極小值橫坐標(biāo)分別為0.034 72，0.069 44，0.104 2 μs。又仿真中T=1/28.8=0.034 7 μs，因此極小值的橫坐標(biāo)分別是T的1～3倍，這與上文的理論分析一致。

1.4 系統(tǒng)鏈路預(yù)算

(1) 信號(hào)頻率。 DVB-S信號(hào)工作頻段為11.7～12.75 GHz，這里選取f=12.5 GHz，即工作波長(zhǎng)λ=2.4 cm。

(2) 接收機(jī)等效帶寬B。典型帶寬為36，54及72 MHz幾種。這里選擇MCPC制式的DVB-S信號(hào)作為照射源，可取接收機(jī)帶寬B=40 MHz。

(3) 衛(wèi)星EIRP值。我國(guó)Ku頻段數(shù)字電視直播衛(wèi)星EIRP典型值為49～58 dBW；這里取EIRP=56 dBW。

(4) 地球同步軌道高度為35 841 km，地球半徑為6 371 km，標(biāo)準(zhǔn)室溫T0取290 K，玻爾茲曼常數(shù)k=1.38×10-23 J/k。

(5) 接收天線口徑D。選用直徑D=1 m的Ku天線，天線效率η=70%，則接收天線增益Gr=η(4π2/λ2)(D/2)2=40.79 dB。

(7) 系統(tǒng)損耗設(shè)為1 dB，系統(tǒng)噪聲系數(shù)1.5 dB。

據(jù)此，可計(jì)算出直達(dá)波達(dá)到地面的功率

(8)

式中：R為衛(wèi)星到地面接收機(jī)的距離，約為37 521 km。

噪聲功率

Pnoise=kT0B=-127.96 dBW.

(9)

根據(jù)雷達(dá)方程，直達(dá)波信噪比為

SNRdirect=EIRP+Gr+
10 lg[λ2/[(4π)2R2kT0B]]-Lr-Ls=15.88 dB.

(10)

同理，可得回波信噪比為

(11)

在上述系統(tǒng)參數(shù)下，容易計(jì)算出系統(tǒng)鏈路預(yù)算。表1給出了不同距離下的直達(dá)波和回波信號(hào)信噪比以及相關(guān)積累時(shí)間。

表1 系統(tǒng)鏈路預(yù)算舉例

可見(jiàn)基于DVB-S信號(hào)對(duì)近距離目標(biāo)的無(wú)源探測(cè)是可行的。但欲探測(cè)150 km處目標(biāo)，所需相干積累時(shí)間為2 529.90 s。此時(shí)目標(biāo)會(huì)存在越距離單元和越多普勒單元，加上散射回波信號(hào)非常微弱，遠(yuǎn)低于現(xiàn)有的接收機(jī)靈敏度。目前可行的方法就是增大接收天線口徑或者使用陣列信號(hào)處理方法，來(lái)提高系統(tǒng)整體接收增益[14]。

2 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)采集及分析

DVB-S信號(hào)接收方案如圖5所示。

選用南京中衛(wèi)1 m口徑的Ku衛(wèi)星天線，美國(guó)ASK高頻頭，Mini-Circuits的ZRL-2150+低噪聲放大器，VBFZ-1065-S+帶通濾波器，數(shù)據(jù)高速采集與存儲(chǔ)設(shè)備可選用數(shù)字存儲(chǔ)示波器或者高速數(shù)據(jù)采集板。其中數(shù)字存儲(chǔ)示波器采用安捷倫公司的Agilent Infiniium DSO 80000示波器，它具有多通道幅度相位誤差校正功能保證良好的通道一致性，具有13 GHz實(shí)時(shí)帶寬和40 GSa/s最大采樣率，內(nèi)部存儲(chǔ)器可一次性存儲(chǔ)1 ms長(zhǎng)度的時(shí)域波形，利用前面板USB主機(jī)端口，可實(shí)現(xiàn)快速存儲(chǔ)和波形傳遞功能。圖6展示出圖5對(duì)應(yīng)的部分硬件實(shí)物。

根據(jù)圖5信號(hào)接收方案，數(shù)據(jù)由中心計(jì)算機(jī)完成進(jìn)行脫機(jī)信號(hào)處理，具體包括2部分：首先回波通道信號(hào)經(jīng)過(guò)提純后進(jìn)行數(shù)字下變頻(DDC)處理，以獲取某一通道的DVB-S基帶信號(hào),同時(shí)為了進(jìn)一步提高相干檢測(cè)的性能，對(duì)直達(dá)波通道信號(hào)可根據(jù)DVB-S信號(hào)調(diào)制原理進(jìn)行反重構(gòu)處理[15]；接著利用純凈的直達(dá)波和預(yù)處理后的回波信號(hào)進(jìn)行互模糊函數(shù)分析。圖7給出DVB-S信號(hào)數(shù)據(jù)采集實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景圖。

圖8給出中星9號(hào)某個(gè)通道實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)獲取的信號(hào)頻譜。

與圖2相比，由于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)帶通濾波、正交下變頻和梳狀濾波處理的緣故，左右兩邊的旁瓣較低，但10 dB以上的信號(hào)頻譜形狀大致相同。接著，進(jìn)行自模糊函數(shù)處理，相干積累時(shí)間為1 ms，結(jié)果如圖9所示?？梢钥闯?，自模糊函數(shù)與仿真結(jié)果類似，亦成圖釘型，與前文理論分析結(jié)果較為吻合。

最后進(jìn)行外場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，見(jiàn)圖10，使用1 m×1 m的鋁板作為待探測(cè)目標(biāo)，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中不斷移動(dòng)鋁板，對(duì)回波及直達(dá)波信號(hào)同時(shí)采集并處理，表2給出了目標(biāo)探測(cè)結(jié)果。

這里數(shù)據(jù)處理所得的距離是指圖11中2個(gè)時(shí)延距離和。進(jìn)一步將表2的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)處理結(jié)果用圖12表示，可以看到利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)處理所得的目標(biāo)距離與理論值基本保持一致，驗(yàn)證了DVB-S信號(hào)用于目標(biāo)探測(cè)的可行性。

目標(biāo)距回波天線距離/m515253540實(shí)際數(shù)據(jù)處理結(jié)果/m10.5628.7445.0665.6477.76

3 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)DVB-S信號(hào)特性進(jìn)行了分析，包括信號(hào)產(chǎn)生機(jī)理，信號(hào)頻譜特性，自模糊函數(shù)特性，系統(tǒng)鏈路預(yù)算。另外研制了相應(yīng)的外場(chǎng)實(shí)驗(yàn)裝置，通過(guò)對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，驗(yàn)證了DVB-S無(wú)源雷達(dá)用于近距離目標(biāo)探測(cè)的有效性。下一步將重點(diǎn)研究針對(duì)遠(yuǎn)距離目標(biāo)探測(cè)涉及的關(guān)鍵技術(shù)。

參考文獻(xiàn)：

[1] LI Z,SANTI F,PASTINA D,et al.Multi-Frame Fractional Fourier Transform Technique for Moving Target Detection with Space-Based Passive Radar[J].IET Radar,Sonar & Navigation,2017,11(5):822-828.

[2] ABDULLAH R S,SALAH A,ISMAIL A,et al.Experimental Investigation on Target Detection and Tracking in Passive Radar Using Long-Term Evolution Signal[J].IET Radar,Sonar & Navigation,2016,10(3):577-585.

[3] GRIFFITHS H,LONG N.Television-Based Bistatic Radar[C]∥IEEE Proceedings on Communications,Radar and Signal Processing,1986:649-657.

[4] HOWLAND P .Target Tracking Using Television-Based Bistatic Radar[J].IEEE Proceedings Radar,Sonar and Navigation,1999,146(3):166-174.

[5] ZHAO Zhi-xin,WAN Xian-rong,ZHANG De-lei,et al.An Experimental Study of HF Passive Bistatic Radar via Hybrid Sky-Surface Wave Mode[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation,2013,61(1):415-424.

[6] YU Xiao-fei,WANG Tian-yun,LU Xin-fei,et al.Sparse Passive Radar Imaging Based on DVB-S Using the Laplace-SLIM Algorithm[C]∥ International Radar Conference,2014:1-4.

[7] MA H,ANTONIOU M,CHERNIAKOV M.Passive GNSS-based SAR Resolution Improvement Using Joint Galileo E5 Signals[J].IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters,2015,12(8):1640-1644.

[8] BARCENA J L,DELREY N.Passive Radar Imaging Capabilities Using Space Borne Commercial Illuminators in Surveillance Applications[C]∥IEEE Signal Processing Symposium,2015:1-5.

[9] GENNARELLI G,SOLIMENE R,SOLDOVIERI F,et al.Three-Dimensional Through-Wall Sensing of Moving Targets Using Passive Multistatic Radars[J].IEEE Journal of Selected Topics in Applied Earth Observations and Remote Sensing,2016,9(1):141-148.

[10] ZHANG Yi-min,AMIN M G,HIMED B.Structure-Aware Sparse Reconstruction and Applications to Passive Multistatic Radar[J].IEEE Aerospace and Electronic Systems Magazine,2017,32(2):68-78.

[11] LIU Yu-qi,WAN Xian-rong,TANG Hui,et al.Digital Television Based Passive Bistatic Radar System for Drone Detection[C]∥IEEE Radar Conference,Washington,2017:1493-1497.

[12] 修文.衛(wèi)星數(shù)字電視直播接收技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2007.

XIU Wen.Digital Vedio Broadcasting Satellite Television Signal Receiving Technology[M].Beijing：Mechanical Industry Press,2007.

[13] 林茂庸.雷達(dá)信號(hào)理論[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社,1984.

LIN Mao-yong.Radar Signal Processing Theory[M].Beijing:National Defense Industry Press,1984.

[14] 宋杰,何友,蔡復(fù)青,等.基于非合作雷達(dá)輻射源的無(wú)源雷達(dá)技術(shù)綜述[J],系統(tǒng)工程與電子技術(shù),2009,31(9):2151-2156.

SONG Jie,HE You,CAI Fu-qing,et al.Overview of Passive Radar Technology Based on Non-Cooperative Radar Illuminator[J].Systems Engineering and Electronics,2009,31(9):2151-2156.

[15] 萬(wàn)顯榮,張德磊,柯亨玉,等.全球性數(shù)字廣播高頻外輻射源雷達(dá)參考信號(hào)重構(gòu)[J],系統(tǒng)工程與電子技術(shù),2012,34(11):2231-2236.

WAN Xian-rong,ZHANG De-lei,KE Heng-yu,et al.Reference Signal Reconstruction of HF Passive Bistatic Radar Based on DRM Digital Broadcasting[J].Systems Engineering and Electronics,2012,34(11):2231-2236.