一种基于OFDM波形的单频网外辐射源雷达成像方法

摘要

本发明公开了一种基于OFDM波形的单频网外辐射源雷达成像方法。OFDM波形由于各个子载波之间存在正交性，因此可对每一个子载波分别进行层析成像，从而可最大限度的利用OFDM所提供的频率分集。SFN（Single Frequency Network）中各个发射站照射目标的角度不同，回波样本在波数域的覆盖范围将大大扩展，从而显著的提高成像性能。本发明的方法首先解调出每一个子载波；接着对每一个子载波分别进行层析成像并对所有子载波成像结果进行相干融合以得到单个双基对目标图像；最后将所有双基对目标图像进行融合以获取最终高分辨目标图像。本发明的方法充分利用现代数字广播电视信号的多载波结构及其单频网，具有成像分辨率高、频谱资源节约，硬件节约等优点。

权利要求

1.一种基于OFDM波形的单频网外辐射源雷达成像方法，其特征在于：利用OFDM波形的单频网数字广播电视信号作为机会照射源来进行目标成像,OFDM波形的多载波结构允许对每一个子载波分别进行层析成像；单频网中各个发射站照射目标的角度不同，多基拓扑结构能大大提高回波样本在波数域的覆盖范围，从而显著提高成像性能；

包括以下步骤：

步骤1，对OFDM信号进行正交解调以获取每一个子载波数据；

步骤2，对解调出的每一个子载波分别进行层析成像并对所有子载波成像结果进行相干融合以得到单个双基对目标图像；

步骤3，对所有双基对目标图像进行融合以获取最终高分辨目标图像；

步骤1所述对OFDM信号进行正交解调以获取每一个子载波数据，包括以下子步骤：步骤1.1，对接收到的第m个发射站信号进行分段，对第i段信号首先去除循环前缀再进行傅里叶变换得到，其中σ(x,y)为目标散射函数，dk是分配给每一个子载波的数据符号，T表示OFDM符号有效数据体持续时间，fc是载频，Δf是子载波间隔，τmn是第m个双基对时延，N表示子载波个数；

步骤1.2，在接收站恢复出原始的数据符号dk；

步骤1.3，将 与原始数据符号dk的共轭进行相乘得到，其中 为常数；

步骤2所述对每一个子载波分别进行层析成像并对所有子载波成像结果进行相干融合，包括以下子步骤：步骤2.1，去除 中与成像无关的固定项并通过变量代换得到，其中x、y为目标散射点坐标，

为波数，λk为第k个子载波波长，θ为目标转动角度， 和 分别为发射站和接收站方位角；

步骤2.2，令 则 于

是 可改写为，

将kx、ky的表达式代入 中得，

步骤2.3，对 进行傅里叶变换得到，

步骤2.4，将σ(x,y)转换为极坐标格式即得到对应于第m个发射站的第k个子载波的目标图像为，其中， 为，

于是得到第m个双基对目标图像为，

2.根据权利要求1所述的一种基于OFDM波形的单频网外辐射源雷达成像方法，其特征在于，步骤3所述对所有双基对目标图像进行融合以获取最终高分辨目标图像，通过以下表达式实现：

说明书

一种基于OFDM波形的单频网外辐射源雷达成像方法

技术领域

[0001] 本发明属于外辐射源雷达目标探测技术领域，尤其涉及一种基于OFDM波形的单频网数字广播电视信号的外辐射源雷达成像方法。

背景技术

[0002] 外辐射源雷达是一种利用第三方发射的电磁信号进行目标探测的双/多基地雷达系统。因其具有研制和维护成本低、反隐身、抗摧毁能力强等诸多优势，近年来逐渐受到人们重视并成为新体制雷达的研究重点。国内外已成功研制了多种原理性验证系统，获得了大量实测数据，外辐射源雷达基础理论与关键技术取得了突破性进展。在万显荣的论文(基于低频段数字广播电视信号的外辐射源雷达发展现状与趋势，雷达学报，2012，Vol.1，No.2，pp.1-15)中对低频段(HF/VHF/UHF)数字广播电视信号外辐射源雷达的发展现状和趋势进行了详细的论述。

[0003] 随着外辐射源雷达理论研究不断深入，其功能也不断得到扩展，近年来研究利用外辐射源进行非合作目标成像吸引了众多研究者的兴趣。目前较为成熟的外辐射源雷达系统大多采用单发单收的双基几何配置。在双基配置下，由于通常利用的外辐射源一般是商用广播或电视发射信号，其带宽较窄，从而导致图像距离分辨率严重不足。其次，外辐射源雷达工作频段较低，对于方位上的分辩需要更大的相干积累角，这在实际应用中通常难以满足。

[0004] 新一代数字广播电视广泛采用两项关键技术，即正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplex,OFDM)技术和单频网(Single Frequency Network,SFN)技术。OFDM技术是一种特殊的多载波传输方案，其核心思想是将给定信道划分为多个正交的子信道，每个子信道用一个子载波进行传输，并且所有子载波采用并行传输，因而具有频谱利用率高、抗多径衰弱能力强等优点。OFDM波形由于存在多个正交的子载波，因此允许对每一个子载波单独进行层析成像，从而最大限度的利用OFDM提供的频率分集。

[0005] SFN技术指的是若干个发射台同时在同一频段发射相同信号，以实现对一定服务区的可靠覆盖。SFN最突出的优点在于其频谱资源利用效率的提高。作为外辐射源雷达的一种重要的机会照射源，在万显荣的论文(单频网分布式外辐射源雷达技术，雷达学报，2014，Vol.3，No.6，pp.623-631)中明确提出了单频网分布式外辐射源雷达的概念，论述了该体制雷达的主要特性及面临的核心问题并对其应用前景进行了展望。在SFN配置下，布置一个或多个接收站即可构成多发一收或多发多收探测系统，因此基于SFN照射源的外辐射源雷达必然是分布式和网络化的。分布式多传感网络提供了诸多优势，由于各个发射站照射目标的角度不同，回波样本在波数域的覆盖范围将大大扩展，从而可显著提高成像性能。

发明内容

[0006] 本发明的目的是在实现传统外辐射源雷达的目标检测、跟踪功能以外，充分利用现代数字广播电视信号的特点，提出一种基于OFDM波形的单频网外辐射源雷达成像方法，该方法使得外辐射源雷达成像性能显著提高，从而为进一步研究利用外辐射源雷达进行非合作目标识别奠定基础。

[0007] 本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

[0008] 本发明提出的一种基于OFDM波形的单频网外辐射源雷达成像方法，其所利用的机会照射源采用两项关键技术，即OFDM技术和SFN技术。OFDM的多载波结构允许对每一个子载波分别进行层析成像，从而可最大限度的利用OFDM提供的频率分集；SFN中各个发射站照射目标的角度不同，回波样本在波数域的覆盖将大大扩展，从而可显著提高成像性能。

[0009] 所述一种基于OFDM波形的单频网外辐射源雷达成像方法，主要包括以下步骤：

[0010] 步骤1，对OFDM信号进行正交解调以获取每一个子载波数据。

[0011] 步骤2，对解调出的每一个子载波分别进行层析成像并对所有子载波成像结果进行相干融合以得到单个双基对目标图像。

[0012] 步骤3，对所有双基对目标图像进行融合以获取最终高分辨目标图像。

[0013] 所述对OFDM信号进行正交解调以获取每一个子载波数据，其特征在于，包括以下子步骤：

[0014] 步骤1.1，对接收到的第m个发射站信号进行分段，对第i段信号首先去除循环前缀再进行傅里叶变换得到，

[0015] Smn(i,k)＝∫∫σ(x,y)dkT exp(-j2π(fc+kΔf)τmn)dxdy，k＝0,1,...,N-1,[0016] 其中σ(x,y)为目标反射率函数，dk是分配给每一个子载波的数据符号，T表示OFDM符号有效数据体持续时间，fc是载频，Δf是子载波间隔，τmn是第m个双基对时延，N表示子载波个数。

[0017] 步骤1.2，在接收端恢复出原始的数据符号dk。

[0018] 步骤1.3，将Smn(i,k)与原始数据符号dk的共轭进行相乘得到，

[0019] Smn(i,k)＝∫∫σ(x,y)CT exp(-j2π(fc+kΔf)τmn)dxdy，k＝0,1,...,N-1,[0020] 其中 为常数。

[0021] 所述对解调出的每一个子载波分别进行层析成像并对所有子载波成像结果进行相干融合以得到单个双基对目标图像，其特征在于，包括以下子步骤：

[0022] 步骤2.1，去除Smn(i,k)中与成像无关的固定项并通过变量代换得到，[0023] Smn(i,k)＝∫∫σ(x,y)exp(j2π(xkx+yky))dxdy，k＝0,1,...,N-1,[0024] 其中x、y为目标散射点坐标，为波数，λk为第k个子载波波长，θ为目标转动角度， 和 分别为发射站和接收站方位角。

[0025] 步骤2.2，令 则于是Smn(i,k)可改写为，

[0026]

[0027] 将kx、ky的表达式代入 中得，

[0028]

[0029] 步骤2.3，对 进行傅里叶变换得到，

[0030]

[0031] 步骤2.4，将σ(x,y)转换为极坐标格式即得到对应于第m个发射站的第k个子载波的目标图像为，

[0032]

[0033] 其中 为，

[0034]

[0035] 于是得到第m个双基对目标图像为，

[0036]

[0037] 所述对所有双基对目标图像进行融合以获取最终高分辨目标图像，其特征在于，通过以下表达式实现：

[0038]

[0039] 与现有技术相比，本发明除具备常规外辐射源雷达的低成本、抗干扰能力强、隐蔽性好、电磁兼容性好等一般优势外，还因充分结合现代数字广播电视信号的特性呈现出新特点：

[0040] 1)本发明的方法对OFDM波形每一个子载波进行层析成像，最大限度的利用OFDM提供的频率分集，从而有利于成像分辨率的提高；

[0041] 2)单频网中各个发射站照射目标的角度不同，回波样本的波数域覆盖范围将大大扩展，从而进一步提高成像性能；

[0042] 3)本发明的方法使得现代数字广播电视信号在提高目标成像分辨率方面的优势得以发挥；

[0043] 4)单频网配置下，布置一个接收站即可构成多发一收探测系统，且接收机只需工作于一个频带，因此接收系统相对于多频网得到简化。

附图说明

[0044] 图1为本发明实施例中OFDM信号结构图。

[0045] 图2为本发明实施例中单频网外辐射源雷达收发站布局图。

[0046] 图3为本发明成像方案处理流程图。

[0047] 图4为本发明实施例中目标散射点模型。

[0048] 图5-1为本发明实施例中发射站位置为 接收站位置为 目标转动角度θ＝13°时成像结果。

[0049] 图5-2为本发明实施例中发射站位置为 接收站位置为 目标转动角度θ＝18°时成像结果。

[0050] 图6-1为本发明实施例中发射站位置为接收站位置为 目标转动角度θ＝13°时成像结果。

[0051] 图6-2为本发明实施例中发射站位置为接收站位置为 目标转动角度θ＝18°时成像结果。

具体实施方式

[0052] 下面以具体实施例结合附图对本发明作进一步说明。

[0053] 图1为本发明实施例中OFDM信号结构图。设发射的第i个OFDM多载波信号形式为：

[0054]

[0055] 其中N是子载波个数，t表示时间，dn是分配给每个子信道的数据符号，Δf是相邻子载波之间的频率间隔，满足OFDM子载波正交条件，Δf＝1/T，T为OFDM符号有效数据体持续时间。如图1所示，广播信号通常采用连续波发射并具有周期T0＝TCP+T，TCP为循环前缀持续时间。因此发射信号可表示为，

[0056]

[0057] 其中fc为载频。

[0058] 图2为本发明实施例中单频网外辐射源雷达收发站布局图。为了简化起见，研究对象选取二维平面目标，发射源和接收机也分布于该二维平面上。如图2所示，成像系统由多个发射源和一个接收机构成，以目标中心为坐标原点建立坐标系，并规定y轴正半轴为零度，逆时针为正。设第m个发射站 位置矢量为 (m＝1,2,...,M，M为发射站数目)， 为发射站方位角，任意位置接收机 位置矢量为
为接收站方位角，目标上某散射点位置矢量为 对于
分布式目标，设目标的散射函数为σ(x,y)，则发射源Tm发射的信号经目标散射后被接收机Rn接收到的回波基带信号为，

[0059]

[0060] 其中τmn为双基时延，在远场近似下，其表达式为，

[0061]

[0062] θ为目标转动角度，c为光速。

[0063] 图3为本发明成像方案处理流程图。具体实施步骤为：

[0064] 步骤1，对OFDM信号进行正交解调以获取每一个子载波数据。其具体实现包括以下子步骤：

[0065] 步骤1.1，对接收到的第m个发射站信号进行分段，对第i段信号首先去除循环前缀再进行傅里叶变换得到，

[0066] Smn(i,k)＝∫∫σ(x,y)dkTexp(-j2π(fc+kΔf)τmn)dxdy，k＝0,1,...,N-1。

[0067] 步骤1.2，在接收端恢复出原始的数据符号dk。

[0068] 步骤1.3，将Smn(i,k)与原始数据符号dk的共轭进行相乘得到，

[0069] Smn(i,k)＝∫∫σ(x,y)CTexp(-j2π(fc+kΔf)τmn)dxdy，k＝0,1,...,N-1，[0070] 其中 为常数。

[0071] 步骤2，对解调出的每一个子载波分别进行层析成像并对所有子载波成像结果进行相干融合以得到单个双基对目标图像。其具体实现包括以下子步骤：

[0072] 步骤2.1，去除Smn(i,k)中与成像无关的固定项并通过变量代换得到，[0073] Smn(i,k)＝∫∫σ(x,y)exp(j2π(xkx+yky))dxdy，k＝0,1,...,N-1，[0074] 其中x、y为目标散射点坐标，为波数，λk为第k个子载波波长，θ为目标转动角度。

[0075] 步骤2.2，令 则于是Smn(i,k)可改写为，

[0076]

[0077] 将kx、ky的表达式代入 中得，

[0078]

[0079] 步骤2.3，对 进行傅里叶变换得到，

[0080]

[0081] 步骤2.4，将σ(x,y)转换为极坐标格式即得到对应于第m个发射站的第k个子载波的目标图像为，

[0082]

[0083] 其中 为，

[0084]

[0085] 于是得到第m个双基对目标图像为，

[0086]

[0087] 步骤3，对所有双基对目标图像进行融合以获取最终高分辨目标图像，其特征在于，通过以下表达式实现：

[0088]

[0089] 图4为本发明实施例中目标散射点模型。该模型由9个散射点组成，其长度为14m，宽为10m。

[0090] 图5-1为本发明实施例中发射站位置为 接收站位置为 目标转动角度θ＝13°时成像结果。可见当发射站数目为3，目标转角为13°时，目标轮廓已清晰可见，但散射中心旁瓣有一定展宽。

[0091] 图5-2为本发明实施例中发射站位置为 接收站位置为 目标转动角度θ＝18°时成像结果。可见当目标转角增大到18°时，散射中心旁瓣水平略有降低。

[0092] 图6-1为本发明实施例中发射站位置为 接收站位置为 目标转动角度θ＝13°时成像结果。当发射站个数增加时，回波样本波数域覆盖范围得到扩展，图像分辨率有大幅提高。

[0093] 图6-2为本发明实施例中发射站位置为 接收站位置为 目标转动角度θ＝18°时成像结果。此时，散射中心旁瓣水平有了极大的降低，图像分辩率显著提高。

[0094] 本发明实施例中的仿真数据分析证明了本发明方法的有效性。

[0095] 本发明中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。