一种基于OFDM信号的外辐射源雷达微弱目标检测方法与流程
本发明涉及的是一种无源雷达目标检测领域，特别涉及利用OFDM信号作为外辐射源的无源雷达领域内的微弱目标检测方法。
背景技术：
外辐射源雷达(又称无源雷达)是一种利用第三方发射的电磁信号探测跟踪目标的双/多基地雷达系统，该体制雷达本身并不发射能量，而是被动地接收目标反射的非协同式辐射源的电磁信号，对目标进行跟踪和定位。由于基于外辐射源的双/多基地雷达系统具有低成本、无辐射、抗摧毁能力强、机动性强等主要优点，近年来逐渐成为了研究热点。同时，随着数字广播电视及数字通信网络逐步替代传统模拟信号，基于OFDM(正交频分复用)信号外辐射源雷达的发展逐渐受到人们重视并成为新型探测技术的研究重点。此类外辐射源雷达具有：(1)无需频率分配、无辐射、抗摧毁能力强；(2)反隐身、低空探测能力强；(3)研制和维护成本低、设备体积小、机动性强、易于部署等多种优点，从而提供了一种新型“无源”探测手段。
新一代数字广播电视信号在调制方式上大都采用OFDM技术，主要是用来有效对抗广播信道中由于多径传播会造成频率选择性衰落、多普勒频率漂移等带来的恶劣影响。OFDM是一种多载波调制技术，它在多个正交的载波上分别调制数据，即通过设置相邻子载波的频率间隔恰好等于各载波上码元周期的倒数，使得各载波信号在频谱上既是重叠的但又相互正交，从而既能节省带宽多路并行发送数据，又可以在接收端把不同载波信号分离并解调数据；同时为了尽量消除由于多径引起的符号间干扰，通过在OFDM符号之间插入循环前缀(CP)作为保护间隔构成一个完整的OFDM符号。为最大限度地减轻复杂信道环境对广播的影响，数字广播电视系统除了OFDM技术外还采用了其它复杂调制技术，如比特交织、信道编码、单元交织、差错保护和纠错等。
基于OFDM信号的无源雷达的核心技术是无源相干定位技术，其基本思想是以外辐射源发射的直达波信号作为参考信号，监测分析目标反射机会照射源发射的信号能量，估计出目标反射信号的方向、到达时间和多普勒频移等参数，从而实现对目标的定位和跟踪。由于采用了第三方照射源，OFDM外辐射源雷达需要同时设置参考通道和监测通道来分别获取参考信号和监测信号。由于波束副瓣的影响，监测通道中不可避免地会存在直达波和多径杂波，杂波旁瓣使得目标在回波谱上被掩盖。直达波和多径杂波抑制是各种体制外辐射源雷达最为重要的问题。该问题在基于其它种类照射源的无源雷达中已有研究，利用直达波和多径杂波是参考信号的延时信号这一特点，采用时域自适应滤波器消除杂波是常用方法，包括：(1)基于不同准则的时域递推算法，包括最小均方误差(LMS)、归一化最小均方误(NLMS)、递归最小二乘(RLS)算法；(2)基于最小二乘(LS)理论的扩展相消杂波抑制算法(ECA)。根据波形的OFDM特点，载波域扩展相消杂波抑制算法(ECA-C)随之产生，该算法将时域信号变换到载波域，利用载波域直达波和静止多径杂波之前的完全相关性，可以用较少的滤波器阶数抑制静止多径回波，从而降低了系统的内存要求和算法计算量。
技术实现要素：
本发明目的在于提供一种基于OFDM信号的外辐射源雷达微弱目标检测方法，能有效地抑制直达波干扰、零频多径杂波干扰和含多普勒频移的多径杂波干扰，从而实现以OFDM信号作为外辐射源的无源雷达领域内的微弱目标检测。
本发明是通过以下技术方案实现的。
本发明所述的一种基于OFDM信号的外辐射源雷达微弱目标检测方法：采用信号接收机接收到参考通道信号，首先进行下变频处理，然后去除循环前缀提纯直达波；在雷达监测通道中，首先对其进行前置放大和滤波，然后下变频得到基带信号，接着去除循环前缀得到待处理的监测信号，随后利用扩展ECA-C杂波抑制方法进行直达波和多径杂波抑制，对抑制后的信号与参考信号进行匹配滤波，最后进行相干积累、恒虚警处理。
本发明所述的利用扩展ECA-C杂波抑制方法进行直达波和多径杂波抑制的过程如下：
(1)将参考通道得到的数据Sref(n)进行下变频得到基带信号；
(2)去除循环前缀时延-多普勒阵Sref_τf，并对有效数据部分进行离散傅里叶变换(DFT)，进而得到载波域参考信号得到Qk；
(3)将监测通道得到的数据Ssurv(n)进行下变频得到基带信号；
(4)去除循环前缀得到时延-多普勒阵Ssurv_τf，并对有效数据部分进行离散傅里叶变换(DFT)，进而得到载波域监测信号得到Yk；
(5)根据实际需求，给出待抑制多径杂波的频移范围fd；
(6)构造数据阵Xk，将其行向量构造成杂波空间，并针对fd的个数，对杂波空间进行列扩展；
(7)将监测通道信号的每个子载波投影到与Xk正交的子空间，即可得到滤除直达波及多径杂波后的目标信号和噪声；
(8)将经过处理的监测信号进行离散傅里叶逆变换(IDFT)得到滤波后的监测通道信号。
本发明所述的在基于OFDM信号作为外辐射源的无源雷达探测系统中，利用扩展ECA-C杂波抑制算法进行微弱目标检测的方法具有如下积极效果和优点：采用此方法能有效地抑制直达波干扰、零频多径杂波干扰和含多普勒频移的多径杂波干扰，从而使微弱目标可以凸显出来，同时计算量小，适合实时处理。
附图说明
图1是基于OFDM信号作为外辐射源的无源雷达系统示意图。
图2是基于OFDM信号作为外辐射源的无源雷达信号处理过程。
图3是扩展ECA-C杂波抑制方法进行微弱目标检测过程的算法流程图。
图4是扩展ECA-C杂波抑制方法应用于实测数据后与ECA-C算法的第19距离元截面对比图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步阐述。
如图1所示，基于OFDM信号作为外辐射源的无源雷达系统属于双基地无源雷达探测系统，在无源雷达接收机端接收第三方照射源的发射的射频信号，接收阵列包含参考通道和监测通道，分别用来接收直达波信号和经目标反射的回波信号。
如图2所示，采用信号接收机接收到参考通道信号，首先进行下变频处理，然后去除循环前缀提纯直达波；在雷达监测通道中，首先对其进行前置放大和滤波，然后下变频得到基带信号，接着去除循环前缀得到待处理的监测信号，随后利用扩展ECA-C杂波抑制方法进行直达波和多径杂波抑制，对抑制后的信号与参考信号进行匹配滤波，最后进行相干积累、恒虚警处理，达到检测到微弱目标的目的。
结合图3，本发明利用扩展ECA-C杂波抑制方法进行微弱目标检测的过程如下：
(1)将参考通道得到的数据Sref(n)进行下变频得到基带信号；
(2)去除循环前缀时延-多普勒阵Sref_τf，并对有效数据部分进行离散傅里叶变换(DFT)，进而得到载波域参考信号得到Qk；
(3)将监测通道得到的数据Ssurv(n)进行下变频得到基带信号；
(4)去除循环前缀得到时延-多普勒阵Ssurv_τf，并对有效数据部分进行离散傅里叶变换(DFT)，进而得到载波域监测信号得到Yk；
(5)根据实际需求，给出待抑制多径杂波的频移范围fd；
(6)构造数据阵Xk，将其行向量构造成杂波空间，并针对fd的个数，对杂波空间进行列扩展；
(7)将监测通道信号的每个子载波投影到与Xk正交的子空间，即可得到滤除直达波及多径杂波后的目标信号和噪声；
(8)将经过处理的监测信号进行离散傅里叶逆变换(IDFT)得到滤波后的监测通道信号；
(9)将滤波后的监测通道信号与参考通道信号的时延-多普勒阵Sref_τf进行匹配滤波进而检测到微弱目标。
本发明所述的一种基于扩展ECA-C杂波抑制算法的微弱目标检测方法，首先根据实际需求，给出待抑制多径杂波的频移范围fd，对每个子载波构造可扩展的杂波空间，然后将目标回波信号投影在与杂波空间正交的子空间内，对直达波干扰、多径杂波干扰进行有效抑制，最后进行匹配滤波提高对微弱目标的检测能力。
本发明系统中接收阵列包括参考通道和监测通道两部分，参考通道接收OFDM信号的直达波作为参考信号，监测通道接收OFDM信号经过目标反射后到达的信号，此时监测通道中还存在直达波干扰、多径杂波干扰。
在参考通道中，为了获取相对精确的直达波信号，将波束方向对准已知的OFDM信号发射基站，并采样延时τ内的n个数据，这样得到了参考信号数据阵Sref(n)(数据阵为一行n列的矩阵)，为了之后的匹配滤波以及充分利用信号的载波特性，首先重构参考信号时延阵结构并将去除循环前缀，再将信号重构数据阵Sref_τf(数据阵为M行L列的矩阵，其中，M为信号载波数，L为符号数)。
在监测通道中，将波束形成方向调整到期望目标方向，同样采样延时τ内的n个数据，这样得到了监测信号数据阵Ssurv(n)(数据阵为一行n列的矩阵)，然后重构信号结构并去除循环前缀得到数据阵Ssurv_τf(数据阵为M行L列的矩阵，其中，M为信号载波数，L为符号数)。
由于在实际监测情况中会存在含有多普勒频率的多径杂波，例如海杂波，故先给出含多普勒频移的多径杂波的频移量fd，其中fd＝[fd1fd2…fdp]，p为含多普勒频移多径的杂波个数。
首先将时延-多普勒阵Sref_τf进行离散傅里叶变换(DFT)，可将数据变换至频域，进而得到载波域参考信号Qk，其次，将监测信号的时延-多普勒阵Ssurv_τf的有效数据部分进行离散傅里叶变换，经数据重整可得到载波域信号Yk，Yk＝[Y1Y2…Yk]T，其中k为载波个数，T为转置符号。如下式表示：
其中，Atx，ci，cp和Tm分别为直达波、第i条静止多径、第p条有多普勒频移多径和第m个目标的复包络幅度；Nc、Np和NT分别为零频多径条数、非零频多径条数及目标个数；τci、τcp和τm分别为第i条静止多径、第p条有多普勒频移多径和第m个目标的时间延迟；H(ω)为信道传输函数；fdp和fdm为非零频杂波和目标的多普勒频移；Nk为监测通道内载波k的噪声；fR为雷达工作频率；
Qk＝[Ck,1…Ck,l…Ck,L]，L为接收多帧符号个数；Ck,l为载波k第l(l＝1,2,…,L)个符号所对应的复调制码归一化值；Hk,l为载波k第l个符号即Ck,l所对应的信道响应值。
针对每个子载波构造杂波子空间Xk，则第k个载波，杂波子空间为：
利用投影算子P将雷达的监测信号每个子载波分别投影到与杂波空间正交的子空间中，投影算子P表示为：
P＝IL-Xk(XkΗXk)-1XkΗ
式中，Xk为数据矩阵；XkΗ为Xk的共轭转置矩阵；()-1为矩阵的逆矩阵；IL为与Xk同维数的单位矩阵。
将监测信号的每个子载波投影到与Xk正交的子空间，进行正交子空间投影，达到了滤除直达波、零频多径杂波以及含多普勒频移的多径杂波的效果，随后将滤除杂波后的监测信号进行离散傅里叶反变换，并与参考信号时延-多普勒阵Sref_τf进行匹配滤波得到目标信息。
结合图4，选取了DRM外辐射源雷达实测数据并展示了处理结果。在探测实验中，DRM发射站位于青岛沿海，外辐射源雷达接收站位于海阳沿海，收发站间的距离约为50km。发射端DRM广播基本工作参数符合DRM标准B模式，即Nu＝256，Ng＝64，Ns＝15，有效带宽为9.7KHz，保护间隔为5.33ms；工作频率fR为10MHz。接收天线为16元线阵，发射信号主要经过地波传播模式到达接收阵列。图4给出了两种杂波抑制后的第19距离元截面对比图，可见经过扩展ECA-C抑制后，目标的信噪比提升了5dB左右。
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