電子對(duì)抗原理8外輻射源雷達(dá)信號(hào)處理

1、外輻射源雷達(dá)信號(hào)處理,,外輻射源雷達(dá)配置示意圖,,一、外輻射源雷達(dá)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù) 二、基于模擬電視信號(hào)外輻射源雷達(dá)信號(hào)處理三、基于數(shù)字電視信號(hào)外輻射源雷達(dá)信號(hào)處理,外輻射源雷達(dá)結(jié)構(gòu)及信號(hào)處理,,一、外輻射源雷達(dá)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(dá)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù),,2、直達(dá)波和目標(biāo)回波信號(hào)模型,直達(dá)波接收通道信號(hào)：輻射源

2、直接照射到接收站信號(hào)，可作為參考信號(hào)，可能有多徑成分,目標(biāo)回波接收通道信號(hào)：包含直達(dá)波干擾和目標(biāo)反射的信號(hào),（一）相關(guān)基本概念,一、外輻射源雷達(dá)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù),,電視臺(tái)或調(diào)頻廣播臺(tái)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(shí)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(shí)指向同一區(qū)域。,（二）關(guān)鍵技術(shù),一、外輻射源雷達(dá)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù),,（2）時(shí)間同步,對(duì)直達(dá)波和回波進(jìn)行相關(guān)處

3、理，分析目標(biāo)回波與直達(dá)波的到達(dá)時(shí)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(biāo)多普勒頻率的測(cè)量,（3）頻率同步,一、外輻射源雷達(dá)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(dá)波抑制與獲取,空域?yàn)V波、通道均衡等,（2） 參考信號(hào)提取,（1）直達(dá)波抑制,從接收站配置、空域?yàn)V波、射頻對(duì)消、視頻對(duì)消等方面采取措施。,（二）關(guān)鍵技術(shù),一、外輻射源雷達(dá)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù),,3、微弱目標(biāo)回波檢測(cè),（2）長(zhǎng)時(shí)間相參積累（

4、CAF）提高信噪比。,（1）大動(dòng)態(tài)范圍接收機(jī)，關(guān)鍵是AD信噪比要高。,（二）關(guān)鍵技術(shù),一、外輻射源雷達(dá)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù),,二、基于模擬電視信號(hào)的處理實(shí)例,（一）模擬電視信號(hào)特點(diǎn)（二）信號(hào)處理流程（三）關(guān)鍵技術(shù)研究（四）實(shí)時(shí)處理效果,,1、電視伴音信號(hào) 帶寬窄（有效帶寬小于100kHz），分辨率差，測(cè)距無模糊；2、電視圖像信號(hào) 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(hào)的處理實(shí)例,,

5、（一）模擬電視信號(hào)特點(diǎn),電視圖像及伴音信號(hào)中頻信號(hào),1、電視伴音信號(hào),二、基于模擬電視信號(hào)的處理實(shí)例,,（一）模擬電視信號(hào)特點(diǎn),帶寬窄，帶寬時(shí)變，不存在測(cè)距模糊,二、基于模擬電視信號(hào)的處理實(shí)例,,1、電視伴音信號(hào),（一）模擬電視信號(hào)特點(diǎn),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(hào),二、基于模擬電視信號(hào)的處理實(shí)例,,（一）模擬電視信號(hào)特點(diǎn),二、基于模擬電視信號(hào)的處理實(shí)例,（二）信號(hào)處理

6、流程,,,,1、直達(dá)波抑制2、互模糊函數(shù)（CAF）,二、基于模擬電視信號(hào)的處理實(shí)例,（三）關(guān)鍵技術(shù)研究,,1.1 空域?yàn)V波自適應(yīng)波束置零，如SMI算法先DOA估計(jì)，然后波束置零1.2 時(shí)域?qū)ο?LMS、NLMS算法 維納算法,二、基于模擬電視信號(hào)的處理實(shí)例,（三）關(guān)鍵技術(shù)研究,,1、直達(dá)波抑制,,矩陣求逆（SMI）算法,式中， 為無干擾時(shí)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(dá)波抑制,1.1 空域?yàn)V波,二、基于模擬電視信號(hào)的處理實(shí)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(dá)波抑制,1.1 空域?yàn)V波,,未使用SMI算法,使用SMI算法，可空域?yàn)V波,二、基于模擬電視信號(hào)的處理實(shí)例,,（三）關(guān)鍵技術(shù)研究,直達(dá)波通道、目標(biāo)接收通道接收信號(hào)表示如下：,對(duì)消輸出信號(hào)用矢量表示如下：,1、直達(dá)波抑制,1.2 自適應(yīng)對(duì)消,,,二、基于模擬電

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

9、）維納算法,直達(dá)波信號(hào)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(dá)波抑制,直達(dá)波信號(hào)與目標(biāo)接收通道信號(hào)的互相關(guān)向量為：則對(duì)消系數(shù)為：,維納解,1.2 自適應(yīng)對(duì)消,二、基于模擬電視信號(hào)的處理實(shí)例,電視信號(hào)模糊函數(shù)（AF）電視信號(hào)互模糊函數(shù)（CAF）,,2、互模糊函數(shù),（三）關(guān)鍵技術(shù)研究,時(shí)延,頻移,二、基于模擬電視信號(hào)的處理實(shí)例,電視伴音信號(hào)模糊函數(shù),電視伴音信號(hào)的模糊函數(shù)比較理想，比較適合作為雷達(dá)輻射源,,

10、電視伴音信號(hào)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(hào)的處理實(shí)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(hào)的處理實(shí)例,1、信號(hào)處理流程2、對(duì)消處理結(jié)果3、互模糊函數(shù)4、恒虛警檢測(cè),（四）實(shí)時(shí)處理效果,,信息上報(bào),二、基于模擬電視信號(hào)的處理實(shí)例,對(duì)消后FFT,對(duì)消前FFT,（四）實(shí)時(shí)處理效果,,2、對(duì)消處理結(jié)果,二、基于模擬電視信號(hào)的處理實(shí)例,對(duì)消前后二

11、維相關(guān)圖 （相關(guān)處理時(shí)間1.6s）,,3、互模糊函數(shù),（四）實(shí)時(shí)處理效果,二、基于模擬電視信號(hào)的處理實(shí)例,,（四）實(shí)時(shí)處理效果,二、基于模擬電視信號(hào)的處理實(shí)例,CFAR結(jié)果,凝聚后的點(diǎn)跡,4、恒虛警檢測(cè),,二、基于模擬電視信號(hào)的處理實(shí)例,（四）實(shí)時(shí)處理效果,2007年在遼陽實(shí)驗(yàn)，雷達(dá)P型顯示器顯示北京航線飛機(jī)點(diǎn)跡。,2架飛機(jī),,二、基于模擬電視信號(hào)的處理實(shí)例,（四）實(shí)時(shí)處理效果,,（一）數(shù)字電視信號(hào)特點(diǎn)（二）信號(hào)處理流程（三

12、）關(guān)鍵技術(shù)研究（四）硬件支持平臺(tái)（五）實(shí)時(shí)處理效果（六）低慢小探測(cè),三、基于數(shù)字電視信號(hào)的處理實(shí)例,,全向輻射；連續(xù)波；數(shù)字電視信號(hào)帶寬寬：比調(diào)頻廣播高2個(gè)數(shù)量級(jí)，自適應(yīng)對(duì)消濾波器階數(shù)高約1個(gè)數(shù)量級(jí)，運(yùn)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(hào)輻射圖,,（一）數(shù)字電視信號(hào)特點(diǎn),,三、基于數(shù)字電視信號(hào)的處理實(shí)例,,信號(hào)處理流程示意圖,,,（二）信號(hào)處理流程,,三、基于數(shù)字電視信號(hào)的處理實(shí)例,1、天線陣

13、2、DBF3、寬帶信號(hào)自適應(yīng)對(duì)消4、寬帶信號(hào)CAF,,,（三）關(guān)鍵技術(shù)研究,,三、基于數(shù)字電視信號(hào)的處理實(shí)例,研制了DBF天線陣、多通道接收機(jī)和信號(hào)處理機(jī)等設(shè)備。,16單元天線陣,24通道接收機(jī),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(hào)的處理實(shí)例,16單元天線陣3個(gè)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(hào)的處理實(shí)例,難點(diǎn)：運(yùn)算量巨大 數(shù)字電視信號(hào)帶寬比調(diào)

14、頻廣播高2個(gè)數(shù)量級(jí)，自適應(yīng)對(duì)消濾波器階數(shù)高約1個(gè)數(shù)量級(jí)，運(yùn)算量增加400～500倍。解決方法 采用快速對(duì)消算法，當(dāng)對(duì)消階數(shù)為2000左右時(shí)，運(yùn)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(duì)消算法使用一片F(xiàn)PGA就能實(shí)現(xiàn)多個(gè)波束的對(duì)消。,3、寬帶信號(hào)自適應(yīng)對(duì)消,,,（三）關(guān)鍵技術(shù)研究,,三、基于數(shù)字電視信號(hào)的處理實(shí)例,信號(hào)處理面臨的困難 解決措施干擾強(qiáng)、

15、雜波長(zhǎng) 、運(yùn)算量大分?jǐn)?shù)延時(shí)影響嚴(yán)重,,,分?jǐn)?shù)延時(shí)示意圖,長(zhǎng)雜波示意圖,分布式對(duì)消結(jié)構(gòu)多階內(nèi)插法,,,（三）關(guān)鍵技術(shù)研究,,寬帶強(qiáng)直達(dá)波干擾抑制,3、寬帶信號(hào)自適應(yīng)對(duì)消,三、基于數(shù)字電視信號(hào)的處理實(shí)例,采用快速快速對(duì)消算法，當(dāng)對(duì)消階數(shù)為2000左右時(shí)，運(yùn)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(duì)消算法使用一片F(xiàn)PGA就能實(shí)現(xiàn)多個(gè)波束的對(duì)消。,運(yùn)算量對(duì)比,,,,,（三）關(guān)鍵技術(shù)研究,,寬帶強(qiáng)直達(dá)波干擾抑

16、制,3、寬帶信號(hào)自適應(yīng)對(duì)消,三、基于數(shù)字電視信號(hào)的處理實(shí)例,對(duì)消前,對(duì)消后,數(shù)字電視外輻射源雷達(dá)直達(dá)波干擾抑制效果,,,,,,,（三）關(guān)鍵技術(shù)研究,,3、寬帶信號(hào)自適應(yīng)對(duì)消,寬帶強(qiáng)直達(dá)波干擾抑制,三、基于數(shù)字電視信號(hào)的處理實(shí)例,微弱目標(biāo)回波檢測(cè),難 點(diǎn)（1）運(yùn)算量巨大（2）副峰干擾嚴(yán)重（3）距離和多普勒徙動(dòng)明顯,解決措施（1）CAF快速算法， 并用大規(guī)模FPGA 實(shí)現(xiàn)（2）副峰抑制方法（3）徙動(dòng)補(bǔ)償算法,,,,,,

17、（三）關(guān)鍵技術(shù)研究,4、寬帶信號(hào)CAF,？,三、基于數(shù)字電視信號(hào)的處理實(shí)例,CAF快速算法FPGA實(shí)現(xiàn)框圖,,,,,,,（1）快速算法,（三）關(guān)鍵技術(shù)研究,4、寬帶信號(hào)CAF,三、基于數(shù)字電視信號(hào)的處理實(shí)例,數(shù)字電視信號(hào)特有的信號(hào)幀結(jié)構(gòu)，當(dāng)作為外輻射源雷達(dá)照射源時(shí)，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(hào)CAF,,單載

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

19、號(hào)CAF：徙動(dòng)補(bǔ)償,,,,,,（三）關(guān)鍵技術(shù)研究,,目標(biāo),三、基于數(shù)字電視信號(hào)的處理實(shí)例,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖,,（四）硬件支持平臺(tái),,三、基于數(shù)字電視信號(hào)的處理實(shí)例,,,（四）硬件支持平臺(tái),,三、基于數(shù)字電視信號(hào)的處理實(shí)例,,（四）硬件支持平臺(tái),,三、基于數(shù)字電視信號(hào)的處理實(shí)例,,（四）硬件支持平臺(tái),,三、基于數(shù)字電視信號(hào)的處理實(shí)例,輻射源：中央電視塔，33頻道，3kW；實(shí)驗(yàn)場(chǎng)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(hào)基帶帶寬：7.56MHz ；回波接收天線增益：約20dB ；實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)：自適應(yīng)對(duì)消、CAF、CFAR和目標(biāo)凝聚處理；,,,,（五）實(shí)時(shí)處理情況,,國(guó)內(nèi)首先實(shí)現(xiàn)了基于數(shù)字電視輻射源的實(shí)時(shí)處理于2011年1月23日實(shí)時(shí)探測(cè)到約85Km處民航機(jī)；目前探測(cè)距離超過200km,三、基于數(shù)字電視信號(hào)的處理實(shí)例,北京地區(qū)數(shù)字電視發(fā)射塔位置分布圖,,（五）實(shí)時(shí)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(hào)的處理實(shí)例,回波

21、信號(hào),對(duì)消后回波信號(hào)（對(duì)消增益32dB）,實(shí)時(shí)處理B顯截圖,CAF,,,（五）實(shí)時(shí)處理情況,,三、基于數(shù)字電視信號(hào)的處理實(shí)例,,實(shí)時(shí)處理B顯圖2，目標(biāo)飛遠(yuǎn)，距離約100km橫軸為時(shí)延單元數(shù)，縱軸為多普勒單元數(shù),,（五）實(shí)時(shí)處理情況,,三、基于數(shù)字電視信號(hào)的處理實(shí)例,采用GPU方案和FPGA方案功耗對(duì)比,,（五）實(shí)時(shí)處理情況,,三、基于數(shù)字電視信號(hào)的處理實(shí)例,外輻射源雷達(dá)獲得的螺旋槳轉(zhuǎn)速信息,光學(xué)設(shè)備獲得的 圖像信息,,,