一种基于多载波DTMB信号的PN序列目标探测处理方法与流程

本发明属于雷达通信技术领域，尤其涉及一种基于多载波DTMB信号PN序列目标探测处理方法。

背景技术：

近十年来，我国数字广播电视迅速发展，特别是DTMB(Digital Television Terrestrial Multimedia Broadcasting)数字电视地面广播信号已基本覆盖国内大中小城市。DTMB标准于2006年提出，包括单载波和多载波两种模式。其中，多载波模式使用正交频分复用技术调制帧体，这种技术和传统的频分复用相比，提高了频谱利用率，同时具有出色的对抗多径的能力。该模式使用PN序列及其循环前缀和循环后缀作为帧头即充当保护间隔，同时也被用作同步和信道估计。

多载波模式的DTMB信号帧的帧头有PN945模式和PN420模式，采用BPSK调制且信号平均功率是帧体信号平均功率的2倍。PN945模式由一个PN511序列及前同步后同步构成，PN511序列长度为511，由9阶LFSR生成，前同步是PN511序列的后217个数据构成，后同步是PN511序列的前217个数据构成，这样构成的帧头具有循环特性，如图2-2和图2-3所示。PN420模式和PN945模式大致相同，只是采用了PN255序列及前后同步。PN255采用的8阶LFSR生成，前同步是PN255序列的后82个数据构成的，而后同步是PN255序列的前83个数据构成，如图5-1和图5-2。(参考中国国家标准GB20600-2006，数字电视地面广播传输系统帧结构、信道编码和调制，中国标准出版社，2006)。

城市环境中的低空目标监测是雷达探测领域中的一个难点，特别是近年来，国内低空开放政策的出台，对低空监管技术的研发，也日益受到重视。数字广播电视信号具有带宽宽、距离分辨率高、发射功率稳定以及低空覆盖等优点，使其成为有效探测手段之一。然而，该信号结构、组网方式等是为了适应通信的需要而设计的，将其直接作为雷达辐射源不可避免会带来新的问题，如参考信号获取、自适应对消运算量大、互模糊函数运算量大等问题。

技术实现要素：

针对城市环境中的低空近目标的监测(如无人机探测、前向散射区目标探测等)和现有的利用数字电视信号源的雷达探测方法需要对参考信号提纯以及运算量大等问题，本发明提出了一种利用多载波DTMB信号的PN序列目标探测处理方法，该方法无需额外的参考通道，充分利用PN序列特征以及信号平均功率为帧体信号平均功率的两倍，大大降低了运算量，提高了目标探测性能同时系统更简单、更容易在工程上实现，具体包含以下步骤：

步骤一、对雷达接收到的DTMB信号利用本地已知的PN序列进行PN模式识别和同步运算，提取DTMB信号中的PN序列并补偿频偏；

步骤二、利用本地已知的PN序列对步骤一处理得到的PN序列进行多径杂波干扰抑制；

步骤三、对步骤二处理后的PN序列信号进行相干积累，即相干叠加、匹配滤波，然后再进行后续的目标检测与跟踪等处理；

优选地，上述步骤一具体为：

步骤1.1、利用已知的PN序列与接收的DTMB信号相关，通过相关峰值和相邻峰值间隔来识别多载波DTMB信号PN模式，然后再进行DTMB信号同步计算。

步骤1.2、利用已同步的DTMB信号，根据DTMB信号模式帧结构连续提取PN序列，记为其中n＝0,1,…,N-1，N为单个PN序列长度，m＝1,2,…,M，M为处理的PN序列个数，i为PN序列的编号，相应取值为信号帧编号的周期循环，即其中Nframe为DTMB信号帧最大编号，Num为M与Nframe相除的商；

步骤1.3、将步骤1.2提取出的PN序列信号进行载波频偏补偿即其中f_es为DTMB信号同步时估计出的载波频偏，f_s为DTMB信号基带采样率7.56MHz，N_s为一个DTMB信号帧长度；

优选地，上述步骤二具体有两种处理方法：

方法1、多径杂波不抑制，只做相应的处理，使其多径杂波自相关具有冲激函数δ的性质；即将步骤一获得PN序列与本地相应的PN序列进行信道估计，且不能将估计值中小于门限值的其它地方置零，记为Res_m；

方法2、多径杂波抑制，即将步骤一获得的PN序列信号减去信道估计出的多径，获得抑制后的PN序列，具体步骤为。

步骤2.1、将步骤一获得PN序列与本地相应的PN序列进行相关信道估计，且要将小于门限值的地方置零，记为

步骤2.2、将获得PN序列减去本地相应PN序列与卷积的值，即表示卷积运算。

优选地，上述步骤三具体有两种处理方法：

方法1、直接相干叠加获取目标距离回波信息，即将步骤二获得的Res_m直接相干叠加，获取目标距离回波信息，然后送入后续的目标检测与跟踪等处理(该方法适合低速目标)；

方法2、匹配滤波处理，获取距离多普勒二维谱数据，具体步骤为：

步骤3.1、将步骤二获得杂波抑制后的PN序列与本地相应的PN序列进行循环相关，获取回波信号在快时间维的距离维数据，即

步骤3.2、将步骤1获取的数据在慢时间维上做傅里叶变换获取距离多普勒二维谱数据，然后送入后续的目标检测与跟踪等处理。

相比现有的利用数字电视信号源的外辐射源雷达探测方法不仅需要对参考信号提纯，而且后续的杂波对消运算量大、互模糊函数运算量大等问题，本发明利用已知的数字电视信号源的PN序列进行目标探测，无需额外的参考通道，且充分利用PN序列特征(PN序列信号平均功率为帧体数据平均功率的两倍，通过相应的处理后PN序列自相关具有冲激函数的性质)，大大降低了运算量，提高了目标探测性能同时系统更简单、更容易在工程上实现。

附图说明

图1：为本发明处理流程框图；

图2-1：为多载波DTMB信号帧结构示意图；

图2-2：为多载波DTMB信号PN945序列结构示意图；

图2-3：为PN945序列用于目标探测的PN_511数据段示意图；

图3：为实施例探测一架民航飞机直接采用相干叠加处理后的目标双基地距离随时间变化曲线；

图4-1为实施例探测一架民航飞机采用杂波不抑制方法的距离多普勒图；

图4-2为实施例探测一架民航飞机采用杂波抑制方法后的距离多普勒图；

图4-3为实施例探测一架民航飞机的目标航迹与广播式自动相关监视(ADSB)记录信息对比图；

图5-1：为多载波DTMB信号PN420序列结构示意图；

图5-2：为PN420序列用于目标探测的PN_255数据段示意图；

图5-3：为PN420序列探测一架无人机的距离多普勒图。

具体实施方式

本发明提出了一种基于多载波DTMB信号的PN序列目标探测处理方法，下面通过实施例并结合附图对本发明的技术方案作进一步具体的说明，其DTMB信号帧结构见附图2-1。

本实施例是以DTMB信号模式三的PN945序列为例进行说明的，其PN序列信号结构见图2-2。

(一)信号模型

DTMB信号模式三的帧头PN945序列为循环扩展的9阶m序列，由一个前同步PN217、一个PN511序列和一个后同步PN217构成，且帧头PN序列信号平均功率是帧体信号平均功率的2倍，其生成标准详见GB20600-2006《数字电视地面广播系统帧结构、信道编码和调制》。

PN945在去掉循环前缀后变为PN_511，见图2-3，其满足下列等式：

(二)PN序列模式识别、提取与频偏补偿；

步骤1、利用已知的两零相位PN420与PN945序列分别与接收的DTMB信号相关，通过相关峰值和相邻峰值间隔来判别DTMB信号模式，其中用来相关的DTMB信号长度不小于两个信号帧长度即可，本实施了中用来相关的DTMB信号长度取为20000，相邻峰值间隔为4725个单元，即多载波DTMB的PN序列为PN945；

步骤2、对识别后的DTMB信号进行同步处理，估计出帧头起始点编号i＝1的位置和载波频偏f_es(本实测数据估计值为f_es＝115.2Hz)，根据DTMB信号帧结构连续提取PN_945序列，记为其中n＝0,1,…,944，m＝1,2,…,256，i＝1,2,...200,1,2,...56；

步骤3、将步骤2提取出的PN序列信号进行载波频偏补偿即f_s为DTMB信号基带采样率7.56MHz，N_s为一个DTMB信号帧长度4725；

(三)多径杂波干扰抑制，PN序列自相关满足等式(1)，杂波干扰抑制可以采用两种方法，方法1、多径杂波不抑制，只做相应的处理，使其多径杂波自相关具有冲激函数δ的性质，来抑制杂波干扰导致噪声基底的抬高；方法2、多径杂波抑制，利用多径杂波时不变特性，首先通过信道估计的方法估计出多径，然后减掉多径杂波。

方法1、多径杂波不抑制，只做相应的处理，使其多径杂波自相关具有冲激函数δ的性质；即将获得PN序列与本地相应的PN序列相关计算，通过迭代相消方法依次消除多径杂波干扰，具体实施分为以下四步。

步骤1、相关计算；

步骤2、估计多径杂波条数L；通过设置门限gate，把中大于gate值的峰值看作多径，由此就可以计算出多径的条数L；其中coef的一般取值为0.01到0.03；

步骤3、找出中最大峰值然后通过下式抑制该多径在其它距离单元处的干扰；

然后，通过迭代依次从中找到其它多径峰值l＝1,...L-1，利用公式使多径相关值具有冲激函数δ的性质，其中Num＝511；

步骤4、计算PN序列数据，重复步骤1到步骤3，直至处理完所有的PN序列，记为Res_m。

方法二：多径杂波干扰抑制，利用多径杂波时不变特性，首先通过信道估计的方法估计出多径，然后通过相减来抑制多径杂波的干扰；

步骤1、利用方法一的前三步估计多径杂波，并把n≠n_l,l＝0,1,...L-1的地方置零，记为

步骤2、将获得PN序列减去本地相应的PN序列与卷积的值，获取杂波抑制后的PN序列，即

步骤3、计算PN序列数据，重复步骤1、2，直至处理完所有的PN序列，记为y_m；

(四)相干积累获取目标信息，其处理方法有两种，方法1、通过在短时间内相干叠加获取目标距离信息，方法2、匹配滤波处理，获取目标的距离多普勒二维信息。

方法一：直接相干叠加获取目标距离信息，其中PN序列的个数M一般取值为5到15，本实施例中M的取值为10(该方法适合低速目标)；即

附图3为该实施例直接采用相干叠加处理后，检测到一个真实飞行目标双基地距离随时间变化的曲线。

方法二：匹配滤波处理，获取目标的距离多普勒二维谱信息，具体步骤为：

步骤1、将步骤二获得杂波抑制后的PN序列与本地相应的PN序列进行循环相关计算，获取回波信号在快时间维的距离维数据，即

步骤2、将步骤1获取的数据在慢时间维上做傅里叶变换获取距离多普勒二维谱数据，即：R_D(n)＝fft(R(n))，n＝1,2...,511。

该方法也适合多径杂波不抑制情况，直接将处理后的信号Res_m在慢时间维上做傅里叶变换获取距离多普勒二维谱数据，R_D(n)＝fft(Res(n))，n＝1,2...,511。

整个系统处理流程如附图1所述。

附图4-1为该实施例中探测一个真实飞行目标采用杂波不抑制方法的距离多普勒图，从图中可以看出杂波表现为理想的图钉形，不会抬高噪声基底，不影响远处目标探测。

附图4-2为该实施例中探测一个真实飞行目标采用杂波抑制方法的距离多普勒图，从图中可以看出杂波被抑制，目标突显。

附图4-3为该实施例中探测一架民航飞机的航迹与ADSB记录信息比较，从图中可以看出目标探测航迹与记录信息基本吻合，说明了利用该PN序列信号源探测和处理方法的可行性。

应该理解的是，本发明同样对DTMB信号模式一(多载波模式)的PN420序列适用，附图5-1为多载波DTMB信号PN420序列结构示意图，附图5-2为PN420序列用于目标探测的PN_255数据段示意图。附图5-3为PN420序列探测一架无人机的距离多普勒图，说明了利用PN420序列同样可以探测目标。