萬顯榮*

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基于低頻段數(shù)字廣播電視信號的外輻射源雷達(dá)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢

萬顯榮

(武漢大學(xué)電子信息學(xué)院電波傳播實驗室 武漢 430072)

該文從外輻射源雷達(dá)探測機理和特點出發(fā)，論述了基于低頻段(HF/VHF/UHF)數(shù)字廣播(含電視)信號外輻射源雷達(dá)(Digital Broadcasting-based Passive Radar, DBPR)的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢。結(jié)合數(shù)字廣播電視的電波覆蓋情況和技術(shù)特點，首先從實驗系統(tǒng)、技術(shù)參數(shù)、比測實驗等方面論述了國外(尤其是歐洲)的研究現(xiàn)狀，接著介紹了國內(nèi)在不同頻段新體制外輻射源雷達(dá)理論與實驗研究上的最新進(jìn)展，并對DBPR的研究熱點和關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了評述，包括波形特性及其修正、參考信號獲取、多徑雜波抑制、目標(biāo)檢測跟蹤與融合、實時信號處理等方面；最后對該外輻射源雷達(dá)的發(fā)展趨勢和應(yīng)用前景進(jìn)行了展望。

外輻射源雷達(dá)；HF雷達(dá)；VHF雷達(dá)；UHF雷達(dá)；空中監(jiān)視雷達(dá)

1 引言

外輻射源雷達(dá)(又稱無源雷達(dá))是一種利用第三方發(fā)射的電磁信號探測目標(biāo)的雙/多基地雷達(dá)系統(tǒng)，該體制雷達(dá)本身并不發(fā)射能量，而是被動地接收目標(biāo)反射的非協(xié)同式輻射源的電磁信號，對目標(biāo)進(jìn)行跟蹤和定位。外輻射源雷達(dá)目標(biāo)檢測通常采用相干處理技術(shù)，即在接收系統(tǒng)中至少要設(shè)置2個通道：監(jiān)測通道和參考通道，分別用來接收目標(biāo)回波信號和參考信號；然后通過監(jiān)測通道(雜波抑制后)與參考通道的互相關(guān)模糊函數(shù)(匹配濾波)計算獲取距離-多普勒譜，據(jù)此實現(xiàn)目標(biāo)檢測與跟蹤。探測示意和工作原理如圖1所示。外輻射源雷達(dá)主要優(yōu)點有：(1) 無需頻率分配、無輻射、抗摧毀能力強；(2) 反隱身、低空探測能力強；(3) 研制和維護(hù)成本低、設(shè)備體積小、機動性強、易于部署。

近二十年來，利用廣播電視、通訊基站、導(dǎo)航和通信衛(wèi)星、無線局域網(wǎng)絡(luò)等機會照射源的外輻射源雷達(dá)逐漸受到人們重視并成為新型探測技術(shù)的研究重點，國內(nèi)外已成功研制了多種試驗系統(tǒng)，獲得了大量實測數(shù)據(jù)，無源相關(guān)定位雷達(dá)的基礎(chǔ)理論與關(guān)鍵技術(shù)取得了突破性進(jìn)展，其中典型商業(yè)系統(tǒng)包括洛克希德·馬丁公司研制的“沉默的哨兵”無源雷達(dá)，法國Thales公司研制的HA100無源雷達(dá)等。以上系統(tǒng)主要以覆蓋最廣泛的FM廣播和電視伴音等模擬調(diào)制信號作為照射源。自從上世紀(jì)90年代以來，隨著數(shù)字廣播、數(shù)字電視及數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)等在全球興起，相關(guān)系統(tǒng)逐步從模擬制式向數(shù)字制式轉(zhuǎn)換，Digital Broadcasting-based Passive Radar (DBPR)逐步成為近年新體制外輻射源雷達(dá)的研究熱點。

圖1 外輻射源雷達(dá)探測與工作原理示意圖

2 數(shù)字廣播電視發(fā)展水平及其技術(shù)特點

DBPR技術(shù)的發(fā)展水平與世界各國數(shù)字廣播電視的普及和覆蓋狀況緊密相關(guān)。對各波段機會照射源的認(rèn)知和理解是外輻射源雷達(dá)研究非常重要的一個方面。表1給出了世界上主要國家在不同頻段無線數(shù)字廣播電視方面的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)?？傮w而言，歐洲在數(shù)字廣播電視推廣應(yīng)用上走在世界的前列，目前已基本實現(xiàn)低頻段數(shù)字廣播電視信號覆蓋，其中包括HF波段的DRM數(shù)字調(diào)幅廣播，VHF波段的DAB數(shù)字音頻廣播和UHF波段的DVB-T數(shù)字視頻廣播。

我國數(shù)字廣播電視發(fā)展相對滯后，近年也在積極跟蹤與研究相關(guān)技術(shù)，同時也制定了各個波段的實施計劃。目前我國具有自主知識產(chǎn)權(quán)的CMMB(China Mobile Multimedia Broadcasting)數(shù)字移動多媒體視頻廣播，DTMB (Digital Television Terrestrial Multimedia Broadcasting)數(shù)字地面電視等已進(jìn)入商用和試用階段，部分城市也曾開展過數(shù)字音頻廣播(DRM短波廣播、HD-Radio和DAB超短波廣播)的試驗性播出，當(dāng)前我國廣電部門正在研究適用于傳統(tǒng)FM波段的中國數(shù)字音頻廣播技術(shù)新方案CDR，該技術(shù)方案將支持?jǐn)?shù)模同播，以利于模擬廣播向數(shù)字廣播平滑過渡。這些都為發(fā)展適應(yīng)我國國情的DBPR技術(shù)提供了良好的條件。

表1 世界主要國家推廣及實驗中的無線數(shù)字廣播電視標(biāo)準(zhǔn)

頻段歐洲美國中國 MF/HFDRM(√)HD-RADIO(√)DRM(試驗)(√) VHFDRM+(√), DAB(√)HD-RADIO(√)HD-RADIO(試驗), CDR(試驗)(√) UHFDVB-T(√)ATSCDTMB(√), CMMB(√)

注：打√的表示采用了OFDM技術(shù)

相對傳統(tǒng)模擬廣播電視技術(shù)而言，新一代數(shù)字廣播電視采用了一系列先進(jìn)技術(shù)，大大提高了系統(tǒng)傳輸效率和可靠性。其中正交頻分復(fù)用(Orthogonal Frequency Division Multiplex, OFDM)技術(shù)和單頻網(wǎng)(Single Frequency Network, SFN)技術(shù)為其中兩項關(guān)鍵技術(shù)。OFDM技術(shù)是一種無線環(huán)境下的多載波高效傳輸技術(shù)，其主要思想是在頻域內(nèi)將給定信道分成許多正交子信道，在每個子信道上使用一個子載波進(jìn)行調(diào)制，并且各子載波并行傳輸，具有頻譜利用率高、抗多徑抗衰弱能力強等優(yōu)點，此外它還易于結(jié)合空時編碼、分集、以及智能天線等技術(shù)，可以大大提高傳輸效率和系統(tǒng)的可靠性。SFN技術(shù)是指若干個發(fā)射臺同時在同一個頻帶上發(fā)射相同的無線信號，以實現(xiàn)對一定服務(wù)區(qū)域的可靠覆蓋。SFN最直接優(yōu)點在于頻譜效率的提高，相對于傳統(tǒng)的模擬電視廣播而言，由于不需要頻率重用，在服務(wù)區(qū)域內(nèi)傳送一路信號只需要一個頻段，因此節(jié)省了大量的頻率資源。

SFN的提出與OFDM多載波調(diào)制技術(shù)有緊密聯(lián)系。OFDM 調(diào)制技術(shù)具有良好的抗多徑能力，各符號間帶有保護(hù)間隔且子載波間是相互正交的，落在保護(hù)間隔內(nèi)的多徑信號經(jīng)均衡后，非但不會產(chǎn)生前后符號間的干擾，甚至加強了信號的功率。SFN正是一個多徑情況嚴(yán)重的無線環(huán)境，除了反射、散射等造成的自然多徑以外，不同地點的各個發(fā)射機在同一頻率上所發(fā)射的相同信號也產(chǎn)生大量人工多徑，而且可能是強多徑，但OFDM調(diào)制技術(shù)可以較容易地處理這些復(fù)雜的多徑問題。

上述兩項技術(shù)的使用在為數(shù)字廣播電視帶來諸多優(yōu)點的同時，也使得DBPR的系統(tǒng)設(shè)計理念、信號模型、信號處理和數(shù)據(jù)處理方法均與傳統(tǒng)外輻射源雷達(dá)具有較大差異。

3 DBPR國外研究與應(yīng)用

3.1 國外研究情況

如前所述，歐洲現(xiàn)已基本普及低頻段無線數(shù)字廣播電視，因此DBPR的研究具有得天獨厚的優(yōu)勢。從公開發(fā)表文獻(xiàn)來看，歐洲多個國家在該領(lǐng)域的研究水平處于世界前列，相關(guān)技術(shù)的研究至今已有近十年歷史，當(dāng)前尚處于實驗系統(tǒng)研制和技術(shù)演示驗證階段。主要研究機構(gòu)包括：德國應(yīng)用科學(xué)研究院(FGAN-FHR)，法國宇航實驗室(ONERA)，法國Thales公司，英國倫敦大學(xué)UCL，波蘭華沙工業(yè)大學(xué)，意大利羅馬大學(xué)和比薩大學(xué)等。已有成果集中體現(xiàn)在基于DAB信號的VHF波段外輻射源雷達(dá)和基于DVB-T信號的UHF波段外輻射源雷達(dá)的理論與實驗上，表2和表3分別給出了歐洲部分典型的實驗演示系統(tǒng)和技術(shù)參數(shù)，對應(yīng)的系統(tǒng)實物如圖2所示。

表2 典型的DBPR系統(tǒng)

系統(tǒng)簡稱系統(tǒng)全稱頻段使用信號研究機構(gòu) DELIADAB experimental radar with linear arrayVHFDABFraunhofer FHR，德國 PETRAIIPassive experimental TV radarUHFDVB-TFraunhofer FHR，德國 NECTARThales DVB-T PBR demonstrationUHFDVB-TThales/Onera，法國 CORACovert radarVHF/UHFDAB, DVB-TFraunhofer FHR，德國 PARADE1)Passive radar demonstrationVHF/UHFFM, DAB, DVB-TEADS CASSIDIAN，德國

注意PARADE與PaRaDe兩個系統(tǒng)的區(qū)別, 見文獻(xiàn)“Malanowski M, Kulpa K, and Misiurewicz J. PaRaDe—PAssive Radar DEmonstrator family development at Warsaw University of Technology. MRRS-2008 Symposium Proceedings, Kiev, Ukraine,September 22-24, 2008.”

表3 典型系統(tǒng)的技術(shù)參數(shù)

圖2 國外的實驗系統(tǒng)

3.2 國外實驗與應(yīng)用情況

隨著低空空域的逐步開放以及人類低空活動的日益增加，低空空域的交通狀況越來越復(fù)雜，為了維持低空飛行秩序，保證低空飛行器安全，實施低空空域飛行器的監(jiān)視，已經(jīng)成為空管發(fā)展的必然趨勢。現(xiàn)階段，航空管制部門尚缺乏對低空空域飛行器的跟蹤監(jiān)視手段，這種現(xiàn)狀不僅嚴(yán)重影響了國土防空和飛行安全，還嚴(yán)重制約著低空空域的開放和通用航空的發(fā)展。廣播電視信號具有工作頻率低、低空覆蓋好的特點，作為傳統(tǒng)空中目標(biāo)監(jiān)視手段的重要補充，DBPR在低空小目標(biāo)監(jiān)視中具有突出優(yōu)勢。針對低空空域開放對各類通用航空飛行器可靠監(jiān)視的迫切需求，上述演示驗證系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域以空中目標(biāo)探測為主，近年歐洲多個國家在該領(lǐng)域開展了較為系統(tǒng)的對比實驗。

(1) PAMELA實驗

德國于2009年開展了名為PAMELA(PCR Advanced Multistatic Evaluation and Limitations Analysis)的實驗，實驗全稱為新型多基地?zé)o源雷達(dá)評估與局限性分析，主要用于驗證來自德國(FHR)、法國和挪威等國多個外輻射源雷達(dá)的探測性能。實驗中不同飛行高度(1000英尺, 2000英尺, 4000英尺)的多型飛機(臺風(fēng)戰(zhàn)機、幻影戰(zhàn)機，TH-55直升機和PULSAR輕型飛機)參加了比測實驗。其中低空飛機目標(biāo)檢測和跟蹤能力可達(dá)20海里，基于DVB-T信號的探測距離精度可達(dá)15 m，采用單組雙基配置的方位精度可達(dá)3°～8°，采用多組收發(fā)配置時的檢測概率可達(dá)99%以上。

(2) SINBAD實驗

法國Thales公司于2007～2009年組織了名為SINBAD(Safety and security Improved by New functionality for Better Awareness on airport approach and departure Domain )的實驗，實驗主要目的之一在于測試外輻射源雷達(dá)對非合作目標(biāo)的檢測和跟蹤性能，項目原計劃有兩個實驗地點：包括航班稀少的捷克布爾諾機場和航班密集的德國法蘭克福機場，但因時間和經(jīng)費等原因后來僅在捷克布爾諾機場進(jìn)行了實驗。實驗結(jié)果表明系統(tǒng)平均測距精度達(dá)50 m，測高精度500 m，單個收發(fā)配置的定向精度為3.6°，系統(tǒng)可覆蓋地表到5000英尺；實驗也同時驗證了利用單頻網(wǎng)DVB-T信號、采用多發(fā)多收的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可以大幅提升系統(tǒng)的探測性能。

(3) ARGUS計劃

歐洲第7框架研究計劃安全主題于2009年底啟動了名為“ARUGS-3D”的項目(AiR GUidance and Surveillance 3D)，研究周期為3年。該項目由來自5個歐盟成員國(意大利、英國、德國、波蘭、西班牙)的12家單位(研究機構(gòu)、企業(yè)、用戶)合作完成。其中無源雷達(dá)網(wǎng)絡(luò)是其三大研究內(nèi)容之一。上述的DELIA, PETRAII, CORA等系統(tǒng)都是該項目的重要組成部分。

(4) AMPARA計劃

近期德國又啟動組織名為AMPARA(Air surveillance Multistatic PAssive RAdar)的研究計劃，項目將于2012年中期實施，研究目標(biāo)與SINBAD實驗相似，重點關(guān)注航空安全保障。項目將調(diào)研外輻射源雷達(dá)在航空交通管制的用途，開發(fā)利用外輻射源雷達(dá)在非合作目標(biāo)探測方面的潛能，力求取代或改善傳統(tǒng)主動監(jiān)視雷達(dá)的部分功能。

4 國內(nèi)的相關(guān)研究進(jìn)展

各個國家的數(shù)字廣播電視標(biāo)準(zhǔn)在基站布局、發(fā)射功率、幀結(jié)構(gòu)、信道編碼與調(diào)制等方面均存在較大差異，因此DBPR的研究也必須結(jié)合國情、因地制宜。我國幅員遼闊，數(shù)字廣播電視普及速度較慢。如表1所示，我國除UHF波段DTMB和CMMB標(biāo)準(zhǔn)已開展(試)商用外，其它低頻段的數(shù)字廣播標(biāo)準(zhǔn)還處于研究和實驗階段。

DTMB是我國具有自主知識產(chǎn)權(quán)的地面數(shù)字電視廣播國家標(biāo)準(zhǔn)，也是繼歐、美、日之后的第4個數(shù)字電視國際標(biāo)準(zhǔn)，它充分考慮了中國現(xiàn)行的廣播電視體制，采用了一種創(chuàng)新的TDS-OFDM(時域同步正交頻分復(fù)用)調(diào)制方式。CMMB 是國家廣電總局推出的中國移動多媒體電視標(biāo)準(zhǔn)(俗稱手機電視)，采用了OFDM、信道糾錯編碼(Low Density Parity Check, LDPC)技術(shù)、用于快速同步的信標(biāo)技術(shù)等一系列先進(jìn)的技術(shù)，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力，支持高移動性。它主要面向手機、PDA等小屏幕便攜手持設(shè)備以及車載電視等終端提供數(shù)字廣播電視節(jié)目、綜合信息和緊急廣播服務(wù)，現(xiàn)已建成全球最大的廣電覆蓋網(wǎng)絡(luò)。

從國內(nèi)數(shù)字廣播電視發(fā)展趨勢看，CMMB的推廣力度明顯大于DTMB。截至目前，CMMB已經(jīng)完成了遍布全國各省市的2200多個大功率單頻網(wǎng)發(fā)射站點與5000余個中小功率發(fā)射站的建設(shè)，完成了336個地級以上城市、850多個區(qū)縣的基礎(chǔ)覆蓋網(wǎng)絡(luò)建設(shè)。城市信號覆蓋率達(dá)到98.22%，覆蓋人口近8億，十二五期間國家將重點進(jìn)行縣級城市和農(nóng)村地區(qū)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，市場前景良好。

國內(nèi)有關(guān)DBPR實驗系統(tǒng)和目標(biāo)探測的公開報道較少，已有成果主要集中在理論仿真和原理研究等方面。DBPR研究具有面臨的理論和技術(shù)問題較多、所需的硬件成本較低和研發(fā)周期長等特點，國內(nèi)的研究機構(gòu)主要集中在高等院校和科研院所。

在國內(nèi)外同行專家研究成果基礎(chǔ)上，武漢大學(xué)電波傳播實驗室結(jié)合自身學(xué)科優(yōu)勢，自2007年起開始從事低頻段DBPR相關(guān)的研究工作。實驗室基于我國數(shù)字廣播電波覆蓋實際現(xiàn)狀，已分別建立了HF波段和UHF波段外輻射源雷達(dá)實驗系統(tǒng)，系統(tǒng)開展了目標(biāo)及環(huán)境信息獲取的理論和實驗研究，突破了一系列關(guān)鍵技術(shù)，有力推動了我國DBPR的技術(shù)進(jìn)步。

4.1 HF波段外輻射源雷達(dá)

Digital Radio Mondiale(DRM)數(shù)字廣播標(biāo)準(zhǔn)是目前被國際電聯(lián)廣播業(yè)務(wù)組(ITU-R)確定為全球短波數(shù)字聲音廣播的唯一制式，短波DRM廣播在我國發(fā)展比較緩慢，目前還停留在試驗層面，但短波通過電離層超視距傳播，國內(nèi)現(xiàn)已具備開展該研究的條件。基于在HF探測理論與技術(shù)(尤其是地波超視距雷達(dá))上的長期研究積累，實驗室從2007年起開始關(guān)注HF外輻射源雷達(dá)的研究；2009年后得到國家自然科學(xué)基金多個項目資助，對該新體制雷達(dá)的可行性和其中關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了深入研究；2011年5～8月，項目組利用新近研制的全數(shù)字主被動一體化高頻地波雷達(dá)系統(tǒng)，開展了我國首次基于DRM數(shù)字調(diào)幅廣播的高頻外輻射源雷達(dá)實驗研究，給出了不同傳播模式多種參數(shù)(海洋環(huán)境、電離層、艦船、飛機等)的典型探測結(jié)果，在國際上首次從實驗上證實了利用DRM廣播信號實現(xiàn)超視距無源探測的技術(shù)可行性，為該探測技術(shù)的發(fā)展奠定了理論與實驗基礎(chǔ)。

高頻外輻射源雷達(dá)集成了傳統(tǒng)高頻天/地波雷達(dá)和雙/多基地外輻射源雷達(dá)的多種優(yōu)點，具有廣闊的應(yīng)用前景，比如該雷達(dá)能為某些特殊需求(如不希望有主動發(fā)射源)的用戶或“反隱身飛機網(wǎng)”提供了一種新的選擇。實驗中不同條件的探測結(jié)果如圖3所示。

4.2 UHF波段外輻射源雷達(dá)

歐洲在基于DVB-T的外輻射源雷達(dá)理論、實驗與應(yīng)用上已開展了大量的研究，這些成果為我國在該領(lǐng)域的研究提供了借鑒和參考。CMMB和DTMB數(shù)字電視廣播標(biāo)準(zhǔn)與DVB-T標(biāo)準(zhǔn)有著本質(zhì)的區(qū)別，作者立足國內(nèi)實際，首先提出了基于CMMB手機電視信號的外輻射源雷達(dá)研究方向；研制了多通道UHF波段外輻射源雷達(dá)實驗系統(tǒng)，利用武漢市的5點CMMB單頻網(wǎng)絡(luò)信號和單點DTMB信號，分別在天河國際機場和天興洲長江大橋開展了飛機和船只探測實驗，突破了一系列關(guān)鍵技術(shù)，得到了如圖4所示的目標(biāo)檢測與跟蹤的外場實驗結(jié)果，展現(xiàn)了十分誘人的發(fā)展前景。

5 研究熱點與關(guān)鍵技術(shù)

如前所述，數(shù)字廣播電視采用了多種新技術(shù)，具有傳統(tǒng)模擬廣播電視無法比擬的優(yōu)點。數(shù)字廣播電視的發(fā)射功率、臺站布局、頻率分配和模擬廣播電視具有很大差異，而且OFDM調(diào)制參數(shù)、信號結(jié)構(gòu)、編解碼技術(shù)等主要為廣播電視高效可靠的通信設(shè)計，該波形用于雷達(dá)探測時除面臨傳統(tǒng)雙基地外輻射源雷達(dá)的難題外(探測波形不可預(yù)知、隨機非受控、連續(xù)波工作、全向輻射無發(fā)射增益)，還涵蓋了數(shù)字通信技術(shù)與雷達(dá)技術(shù)交叉而引入的一系列新問題。在每年IEEE國際雷達(dá)年會(RadarCon)和歐洲舉辦的國際雷達(dá)研討會(IRS)上，都有與無源雷達(dá)相關(guān)的多個專題研討會。DBPR的研究熱點包括探測基礎(chǔ)理論、系統(tǒng)設(shè)計和各種目標(biāo)探測實驗。該體制雷達(dá)研究難點和關(guān)鍵技術(shù)集中體現(xiàn)在如下幾方面：

(1) 探測波形特性及其修正

波形特性是雷達(dá)探測最為基礎(chǔ)的問題。模糊函數(shù)是雷達(dá)信號分析和設(shè)計的有力工具，基于OFDM傳輸?shù)膹V播電視信號模糊函數(shù)成圖釘型，具有分辨性能好且與內(nèi)容無關(guān)等優(yōu)點，這是傳統(tǒng)模擬波形所不具備的，但其與OFDM信號結(jié)構(gòu)(如符號、幀和導(dǎo)頻結(jié)構(gòu)等)直接相關(guān)。不同頻段、不同標(biāo)準(zhǔn)的信號特性會有較大差異，因此在實際應(yīng)用時應(yīng)加強對探測信號的認(rèn)知和理解，區(qū)別對待不同結(jié)構(gòu)的OFDM信號，研究模糊函數(shù)特性及其修正方法，揚長避短充分發(fā)揮OFDM波形探測的優(yōu)點。文獻(xiàn)[16, 18, 22-24]和文獻(xiàn)[25-31]分別針對國外DRM和DVB-T的信號特性開展了研究；文獻(xiàn)[19, 20, 32]就我國CMMB和DTMB信號進(jìn)行了研究；此外，系統(tǒng)分辨性能還與接收系統(tǒng)采樣偏差(如載波偏移、采樣頻偏等)、解調(diào)誤碼率等都有著直接關(guān)系。以上問題是傳統(tǒng)模擬波形無源雷達(dá)所未曾遇到的新問題之一，還需要進(jìn)一步深入研究。

(2) 參考信號獲取

純凈參考信號的獲取是外輻射源雷達(dá)相關(guān)處理的核心環(huán)節(jié)，參考信號的純凈程度直接決定著雷達(dá)探測性能的好壞。數(shù)字廣播電視通常采用SFN結(jié)構(gòu)，多臺發(fā)射機以相同的頻率發(fā)射同樣的節(jié)目數(shù)據(jù)，較傳統(tǒng)模擬波形外輻射源雷達(dá)而言，參考通道中多徑現(xiàn)象更為嚴(yán)重，這對“干凈”參考信號的獲取提出了新的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)模擬體制無源雷達(dá)單純通過時域和空域自適應(yīng)濾波獲取參考信號，其中最為常用的是CMA(Constant Modulus Algorithm)方法和其他方法；新體制雷達(dá)除可借鑒以上方法之外，如何基于OFDM信號的結(jié)構(gòu)通過信道估計與同步解調(diào)實現(xiàn)參考信號的精確重構(gòu)，是獲得優(yōu)良匹配性能的基礎(chǔ)，這也是傳統(tǒng)基于模擬波形的無源雷達(dá)沒有遇到的新難題。參考信號重構(gòu)同時還要考慮誤碼率對信號模糊函數(shù)基底的影響、誤碼率與目標(biāo)信噪比的統(tǒng)計關(guān)系、以及重構(gòu)算法實用性等。

(3) 多徑雜波抑制

數(shù)字廣播電視信號結(jié)構(gòu)及參數(shù)并非專為構(gòu)造雷達(dá)而設(shè)計，接收信號具有很強的隨機性，連續(xù)發(fā)射直達(dá)波很強；地面廣播電視信號主要向地面輻射，多徑雜波強；此外，發(fā)射天線的波瓣對空中目標(biāo)的增益低。以上因素使得實際的有用信號要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于直達(dá)波和多徑雜波，強度差異通常在60～140 dB之間，經(jīng)過相干匹配后雜波仍然具有很高的距離副瓣和多普勒副瓣，這些副瓣會淹沒遠(yuǎn)距離和低速動目標(biāo)的回波，因此要采用多種手段對信號接收通道中的強雜波進(jìn)行空時頻綜合抑制，以減少相干匹配濾波后的剩余雜波影響。與前面類似，數(shù)字廣播電視的單頻網(wǎng)結(jié)構(gòu)同樣也增加了監(jiān)測通道多徑雜波自適應(yīng)濾除的復(fù)雜程度，這也是DBPR信號處理所面臨的新挑戰(zhàn)。

外輻射源雷達(dá)直達(dá)波抑制方法大致可分為時域方法和空域方法。時域方法包括CLEAN算法和迭代或塊自適應(yīng)濾波算法。CLEAN算法基于解卷積技術(shù)首先估計出直達(dá)波或多徑信號的距離、多普勒等相關(guān)參數(shù)，然后從時域接收信號中減掉雜波分量以分離出目標(biāo)信號；迭代或塊自適應(yīng)濾波算法基于維納濾波理論求出自適應(yīng)濾波器權(quán)系數(shù)，濾除雜波后得到目標(biāo)信號?？沼蛱幚淼姆椒ㄊ嵌鄰诫s波抑制最為常用的方法，普通雙通道無源雷達(dá)系統(tǒng)直接通過降低監(jiān)測天線的副瓣來實現(xiàn)直達(dá)波雜波抑制，多通道陣列無源雷達(dá)可通過自適應(yīng)波束形成深零陷以抑制主多徑雜波；文獻(xiàn)介紹了一種適合于OFDM波形的分載波空域處理算法，它可以在抑制主路徑雜波的同時抑制弱多徑雜波。文獻(xiàn)[57, 58]也研究了利用空時自適應(yīng)處理算法(Space Time Adaptive Processing, STAP)來抑制無源雷達(dá)中的直達(dá)波及多徑回波。另外，文獻(xiàn)[59]提出了一種基于基追蹤(Basis Pursuit, BP)的匹配濾波方法來探測目標(biāo)，它基于壓縮感知理論，可以實現(xiàn)在不抑制直達(dá)波和多徑雜波的情況下提取弱目標(biāo)信息。

(4) 目標(biāo)檢測、跟蹤與融合

DBPR的終極目的是獲取目標(biāo)信息，目標(biāo)信息提取集中在檢測、跟蹤和融合3個步驟?？傮w而言，DBPR的目標(biāo)檢測與傳統(tǒng)單站雷達(dá)的共性多于特性，發(fā)展相對成熟；跟蹤則面臨諸多新情況新問題，正在積極探索解決方案；而信息融合還處于初步構(gòu)想階段。

DBPR目標(biāo)檢測通常在距離多普勒2維譜上進(jìn)行，已有的恒虛警檢測技術(shù)均可應(yīng)用。所存在的特殊問題是：發(fā)射功率和信號波形均不受雷達(dá)設(shè)計者控制，改善探測性能的一個措施是盡量獲得高的信號處理增益，而延長相干處理時間則需要應(yīng)對由此而帶來的距離和多普勒徙動問題。

相對而言，DBPR跟蹤定位則具有更多特點：(a) 工作頻段低，方位測量精度不高，常利用多站量測信息定位，方位被用作于輔助信息；(b) 單頻網(wǎng)結(jié)構(gòu)下，一個目標(biāo)可能受多個站的照射而檢測出多個量測值，且量測值與發(fā)射站的對應(yīng)關(guān)系事先未知，于是牽涉到量測值與發(fā)射站的關(guān)聯(lián)問題，這是單頻網(wǎng)結(jié)構(gòu)所特有的問題，考慮各種關(guān)聯(lián)組合導(dǎo)致虛假目標(biāo)(ghost)數(shù)量劇增，加大了跟蹤難度。

就目前已公開發(fā)表的文獻(xiàn)看，對于非SFN結(jié)構(gòu)，跟蹤研究集中在如何利用更為有效的跟蹤濾波方法改善跟蹤精度。針對SFN結(jié)構(gòu)的跟蹤問題，在可獲取較為可靠的方位信息時，可利用單站方位和時延信息進(jìn)行模糊定位，然后通過航跡關(guān)聯(lián)確定真航跡排除假航跡。而在方位測量較為粗略、目標(biāo)較為密集的情況下，模糊定位精度差，導(dǎo)致航跡關(guān)聯(lián)出錯概率增加，此時對方位信息依賴較小的多階段跟蹤方法可能更為有效。目前單頻網(wǎng)跟蹤仍處于仿真驗證階段，可以預(yù)計隨著DBPR研究的深入，該技術(shù)會逐漸成為新的研究熱點。

此外，數(shù)字廣播電視分布廣泛，頻段跨度大，故DBPR的一個潛在優(yōu)勢是可利用多站信息實現(xiàn)空間分集，利用多頻段/道信息實現(xiàn)頻率分集。融合多站多頻信息可顯著改善探測性能，實現(xiàn)優(yōu)勢互補。

(5) 實時信號處理

系統(tǒng)運算的復(fù)雜性主要取決于信號處理帶寬、相干累積時間、接收陣列規(guī)模。不同頻段的探測具有不同的特點。HF/VHF波段目標(biāo)檢測依賴長相干累積獲取大處理增益和高多普勒分辨率，UHF波段大信號帶寬需要高采樣率，這都對系統(tǒng)的存儲空間、運算實時性提出了不同的要求。眾核處理架構(gòu)(例如面向圖形處理器GPU通用計算的CUDA)具有片上大規(guī)模并行計算的能力，代表了高性能計算普及化的最新發(fā)展趨勢，在雷達(dá)信息處理領(lǐng)域，眾核處理架構(gòu)的研究和應(yīng)用目前還處于起步階段，發(fā)展空間巨大。雷達(dá)信號處理中的一些常用算法(如CFAR, FIR, SVD, STAP, SAR, ISAR以及FFT等)，加速比可到幾倍至上百倍不等。基于這一新型計算平臺深入研究外輻射源雷達(dá)關(guān)鍵算法(如互模糊函數(shù)計算，多徑雜波抑制、CFAR等)的并行求解方法為該體制雷達(dá)的實時信號處理提供了解決方案。此外通過優(yōu)化或簡化部分算法及利用現(xiàn)代高速FPGA和DSP技術(shù)，也是實現(xiàn)高效實時處理的途徑。

6 外輻射源雷達(dá)的發(fā)展趨勢

數(shù)字廣播電視的普及是未來發(fā)展的必然趨勢。隨著現(xiàn)代微電子技術(shù)和高速數(shù)字信號處理技術(shù)的發(fā)展，外輻射源雷達(dá)已成為新體制雷達(dá)發(fā)展的一個重要分支，DBPR是其中最為熱門的研究領(lǐng)域之一。雖然DBPR具有多項主動雷達(dá)無法比擬的優(yōu)勢，但該雷達(dá)的大范圍應(yīng)用依然受到諸多限制：(a) 該雷達(dá)使用受外輻射源信號覆蓋的限制，并不是所關(guān)心的探測區(qū)域都能被廣播電視信號覆蓋；(b) 該雷達(dá)無需發(fā)射設(shè)備，雖然部分降低了系統(tǒng)成本，實際上由于數(shù)字廣播電視信號都是連續(xù)波發(fā)射而且通常采用單頻網(wǎng)結(jié)構(gòu)，因此對接收系統(tǒng)的動態(tài)范圍提出了嚴(yán)格要求，這往往需要較大規(guī)模的陣列天線和接收系統(tǒng)來解決；(c) 部分關(guān)鍵技術(shù)難點還正在研究之中，為了能充分發(fā)揮該體制雷達(dá)優(yōu)勢，探測性能的提升還依賴拓展系統(tǒng)規(guī)模、發(fā)展更為有效或更加復(fù)雜的信號處理和數(shù)據(jù)處理方法來解決。DBPR探測系統(tǒng)總的發(fā)展趨勢可歸納為如下幾點：

(1) 系統(tǒng)配置網(wǎng)絡(luò)化

數(shù)字廣播電視采用單頻網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)了頻譜資源的有效利用、降低了發(fā)射功率并提高了覆蓋范圍，這同時為實現(xiàn)分布式協(xié)同組網(wǎng)探測提供了天然條件。通過網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)計可構(gòu)建更加靈活的多基地收發(fā)配置(單發(fā)多收、多發(fā)單收、多發(fā)多收)，如圖5所示，這也是DBPR最具吸引力的應(yīng)用方式。采用空間分集和信息融合等技術(shù)，通過優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)設(shè)計，可以擴展雷達(dá)探測范圍、提高系統(tǒng)的檢測和跟蹤性能、改善系統(tǒng)的測量精度。這將成為未來DBPR的重要研究方向。

(2) 多波段綜合一體化

不同頻段的廣播電視信號在電波傳播特性、基站布局、信號功率與覆蓋、信號帶寬與結(jié)構(gòu)等方面具有較大差異，綜合利用多照射源信號的優(yōu)點實現(xiàn)一體化探測為性能改善提供了途徑。比如：利用同一觀測地點的多頻段(HF/VHF/UHF)廣播電視信號構(gòu)建多波段混合DBPR，通過信號融合的方法可以最大改善外輻射源雷達(dá)目標(biāo)檢測與跟蹤能力；利用同一頻段多個不同頻道(窄帶)信號構(gòu)建合成寬帶DBPR，通過相參合成或非相參合成等方式，可獲得在距離和方位分辨(ISAR成像)、雜波抑制、檢測信噪比、覆蓋面積等指標(biāo)方面的性能改善。

(3) 承載平臺多樣化

除了地基外輻射源雷達(dá)之外，基于機載和車載等移動平臺的研究也成為近年該領(lǐng)域所關(guān)注的方向。外輻射源雷達(dá)無需發(fā)射裝置，具有重量輕、體積小、功耗低等適宜機載的特點，通過提升平臺高度，可有效減小雷達(dá)低空探測盲區(qū)。特別是隨著無人機(UAV)平臺和技術(shù)在歷次局部戰(zhàn)爭的應(yīng)用，無人機發(fā)展勢頭日趨強勁，因此發(fā)展無人機載外輻射源雷達(dá)也是發(fā)展方向之一。機載雷達(dá)面臨嚴(yán)重的地海雜波，下視探測目標(biāo)能力與目標(biāo)跟蹤精度受到嚴(yán)重影響，由于雜波強度大、分布廣、且因載機運動雜波展寬嚴(yán)重，因此雜波的有效抑制比地基外輻射源雷達(dá)復(fù)雜得多。因此研究空時自適應(yīng)處理方法(如DPCA, STAP等)在機載外輻射源雷達(dá)中的應(yīng)用，提高復(fù)雜背景下的目標(biāo)檢測能力和目標(biāo)跟蹤精度是其重要研究內(nèi)容。

(4) 探測應(yīng)用多元化

已有外輻射源雷達(dá)的應(yīng)用研究以高速目標(biāo)探測為主。隨著該技術(shù)的理論和實驗研究逐步深入，開發(fā)并拓展其他應(yīng)用領(lǐng)域也是該技術(shù)的發(fā)展趨勢之一。通過選擇合適的相干積累時間，其可以用于船只、車輛等其它移動目標(biāo)監(jiān)測，可以在港口管理、橋墩防撞、地面交通等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。此外，外輻射源雷達(dá)作為一種現(xiàn)有環(huán)境遙感設(shè)備的重要補充，還可以用來獲取電離層、大氣、海洋表面動力學(xué)參數(shù)等信息。

圖5 多基地收發(fā)配置圖

7 結(jié)束語

隨著各種軍事需求和民用需求賦予雷達(dá)的觀測任務(wù)不斷增加，對新一代雷達(dá)提出了許多新的要求，包括增強對低空和低可觀測目標(biāo)的探測能力、提高系統(tǒng)在惡劣電磁環(huán)境條件的工作能力、增強在硬打擊下的生存能力等。基于數(shù)字廣播電視的外輻射源雷達(dá)具備良好的“四抗”性能，可以較好地滿足上述雷達(dá)發(fā)展的需求，這正是外輻射源雷達(dá)技術(shù)在近十年獲得快速發(fā)展和應(yīng)用的重要原因。

我國新體制外輻射源雷達(dá)的發(fā)展應(yīng)當(dāng)充分借鑒國外(尤其是歐洲)的研究成果，緊跟我國數(shù)字廣播電視技術(shù)的發(fā)展趨勢，立足國內(nèi)利用現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)，聯(lián)合高校、研究所、工業(yè)部門和應(yīng)用行業(yè)，發(fā)揮各自的優(yōu)勢科技資源和產(chǎn)業(yè)資源，在各種軍事需求和民用需求牽引下積極探索新型體制和攻克關(guān)鍵技術(shù)，揚長避短開辟更為廣闊的研究與應(yīng)用空間?？梢灶A(yù)見，我國基于數(shù)字廣播電視的外輻射源雷達(dá)研究在今后十年將進(jìn)入更為快速的發(fā)展時期。

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An Overview on Development of Passive Radar Based on the Low Frequency Band Digital Broadcasting and TV Signals

Wan Xian-rong

(Radio Propagation Laboratory, School of Electronic Information Wuhan University,Wuhan 430072, China)

Starting from the detection principle anddevelopment of passive radar based on the low frequency band (HF/VHF/UHF) digital broadcasting and TV signal. Based on the radio coverage ratio and technical features of digital broadcasting and TV signals, the research status in abroad, especially in Europe, is introduced at first, on experimental systems, technical parameters, and comparative experiments. Then the latest development of passive radars, in different frequency bands in China, both theory and experimental study are presented. Followed is the commentary on the key techniques and problems of Digital Broadcasting-based Passive Radar (DBPR), including the waveform’s properties and its modification,

ignal extraction, multipath clutter rejection, target detection, tracking, and fusion as well as real-time signal processing. Finally, the prospects of

Passive radar; High Frequency(HF) radar; Very High Frequency (VHF) radar; UltraHigh Frequency (UHF) radar; Air surveillance radar

TN958.97

A

2095-283X(2012)02-0109-15

10.3724/SP.J.1300.2012.20027

2012-04-26收到，2012-06-11改回；2012-06-14網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先出版

國家自然科學(xué)基金(60971101, 41074116, 41106156) 和湖北杰出青年基金(2009CDA016)資助課題

萬顯榮 xrwan@whu.edu.cn

萬顯榮(1975-)，男，博士，武漢大學(xué)電子信息學(xué)院教授，博士生導(dǎo)師，中國電子學(xué)會高級會員。研究方向為無源雷達(dá)、超視距雷達(dá)、新體制雷達(dá)系統(tǒng)與雷達(dá)信號處理等。主持和參加國家級科研項目10余項，發(fā)表SCI/EI檢索論文40余篇。

E-mail: xrwan@whu.edu.cn