（信息与通信工程专业论文）基于直播卫星发射信号的空间目标被动探测技术.pdf

国防科技太学研究生院学位论文摘畏本文以嗣家高拽术“8 6 3 ”计划项目“基于直播卫星发射信号的空间目标被动搛测技术”鸯课题鹜爨，扶系统实藏方案、链栽仿凑及关键技术等凡个方蘸醭究了该瑗技术魄可行性。本文共分兔五拿章繁。第一章为绪论，圭要穷绥了谋题鬻鬃及磷究意义，并篙爨鹜顾了机会照射源雷达系统的发展历史。第二章主要研究了系统的实施方案，首先给出了空阉强标魂鏊单菇被动定位方法，辩与之稠藏静系统时域信号处理方法以及影响系统楚理增兢的因素进行分析，同时提出了卫星电视试验接收系统改造方察。第三章仿真分析了系统的探测性能。以s i n o s a t - 1 卫羹为例，藩重分析了探测中、低轨道目标时对系统处理增藏的要求。同时，分析了其弛因素对系绫探测陡能款影响。最鹾，以利用s i n o s a t - 1探测阑际空间站( i s s ) 为例对简化的系统模型进行了验证。第四章首先给出了系统体系结掇框图，莠焱毖基磁上分撰了系绞实麓过穗孛震要孵决的a 令关键技术运鼹。第五褰总结了本文所完成的工作，并分析了需疆进一步研究和完善的问题。关键词：直播卫星双基地雷达探测性能信号检测无源定位国防科技大学研究生院学位论文a b s t r a c tt h eb a c k g r o u n do ft h i sp a p e ri so n eo ft h e “8 6 3p r o g r a m ”p r o j e c t s ：t h et e c h n o l o g yo fs p a c eo b j e c t sp a s s i v e d e t e c t i n gs y s t e mu s i n gd b s ( d i r e c t b r o a d c a s t i n g s a t e l l i t e ) i l l u m i n a t o r s ”s y s t e mi m p l e m e n t a t i o ns c h e m e ，s i m u l a t i o no fs y s t e md e t e c t i o np e r f o r m a n c ea n dk e yt e c h n o l o g yp r o b l e m so f t h es y s t e ma l ei n v e s t i g a t e di no r d e rt oc o m p l e t et h ef e a s i b l er e s e a r c h e so nt h i st e c h n o l o g y t h i st h e s i sc o n s i s t so ff i v ec h a p t e r s c h a p t e ro n ei st h ep r e f a c e i nt h i sc h a p t e r , t h eo r i g i na n dt h ea d v a n t a g eo ft h i sp r o j e c t ，a n dt h eh i s t o r yo fr a d a ro fi l l u m i n a t o r so fo p p o r t u n i t ya r ei n t r o d u c e d i nc h a p t e rt w o ，s y s t e mi m p l e m e n t a t i o ns c h e m ei ss t u d i e d s p a c eo b j e c t sp a s s i v e - l o c a t i o nm e t h o di sp r e s e n t e da tt h eb e g i n n i n go ft h i sc h a p t e r t h e n ，c o r r e s p o n d i n gt i m e - d o m a i ns i g n a lp r o c e s s i n gm e t h o do ft h es y s t e m ，f a c t o r st h a ti n f l u e n c et h es y s t e mp r o c e s s i n gg a i na n dt h er e c o n s t r u c t i o ns c h e m eo fd b sr e c e i v i n gs y s t e ma l ea n a l y z e d i nc h a p t e rt h r e e ，t h ed e t e c t i o np e r f o r m a n c eo ft h es y s t e mi sa n a l y z e da n ds i m u l a t e d t a k i n gs a t e l l i t es i n o s a t 一1a sa ne x a m p l e ，i tl a y se m p h a s i so nt h er e q u i r e m e n to fs y s t e mp r o c e s s i n gg a i ni no r d e rt od e t e c tl o wo rm i d d l eo r b i ts p a c e b o r n et a r g e t s a l s o ，i tp o i n t so u to t h e rf a c t o r st h a th a v ei n f l u e n c eo ns y s t e m sd e t e c t i o np e r f o r m a n c e f i n a l l y , d e t e c t i o np e r f o r m a n c eo f t h es y s t e mt h a tu s e ss i n o s a t - 1t od e t e c ti s s ( i n t e m a t i o n a l s p a c e s t a t i o n ) i ss i m u l a t e d ，t h u st h es i m p l i f i e dm o d e lu s e di sv a l i d a t e d i nc h a p t e rf o u r ，s y s t e mi m p l e m e n t a t i o nb l o c ki sp r e s e n t e d ，a n dk e yt e c h n i c a lp r o b l e m so ft h es y s t e ma r ep o i n t e do u ta n da n a l y z e d i nc h a p t e rf i v e ，t h em a i nw o r ko ft h i st h e s i si ss u m m a r i z e d a l s o ，i tp u t sf o r w a r ds o m ep r o b l e m st ob ei n v e s t i g a t e dd e e p l yi nf u t u r e k e y w o r d s ：d i r e c t - b r o a d c a s t i n g - - s a t e l l i t eb i s t a t i cr a d a rd e t e c t i o np e r f o r m a n c es i g n a ld e t e c t i o np a s s i v el o c a t i o ni i -独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。学位论文题目：基土直搔里星发盟焦量鲍空闻旦拯越勉拯型捷盔学位论文作者签名：缝世叁日期：如多年1 1 月，7 日学位论文版权使用授权书本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定。本人授权国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档，允许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保密学位论文在解密后适用本授权书。)学位论文题目：基士亘鲎里星旌盟焦兰啦空闷目拯越麴拯趔撞苤学位论文作者签名：毪垫叁作者指导教师签名衄日期：加 年，月7 日日期：抽3 年月p 日国防科技大学研究生院学位论文图2 1 - 1图2 1 2图2 2 1图2 2 ，2銎2 。2 3图2 2 4图2 3 1强2 ，3 2图2 3 ，3圈2 。3 - 4图2 3 5图2 4 1爱2 。4 - 2图2 4 3图2 5 1鼙3 。1 1图3 1 2圈3 1 3圈3 1 - 4图3 2 1图3 ，2 2图3 2 3图3 3 1图3 3 2图3 3 3圈3 3 4圈4 1 ，1图4 2 1图表目录系统双基地构成平面图示5空闽星标定经原理图示。6彩儇全电视信号组成示意瀚7电视信号等效同步脉冲9等效彩色金瞧援僖譬缝或辩淹特毪1 0d v b s 系统组成枢阔11系统时域信号处理简略框图1 5穰鼙信号璃元穗位及颓谱1 7模溅信号的模糊函数1 8模擞信号憋囊媚关溺数1 8模激信号的速度模糊函数1 8不同直达波信噪比下的互相关输出结果2 0几萃孛不同秘是下不蠲辕遴舞度曩撂“穿”过接l | 芟波隶鼹辩蠢2 4不同直达波干扰情况下的系统互相关输出比较2 6正交双通道基带信母试验撼取系统功能框豳2 9系统双墓滤配置图示3 1系统双基地距离积计算图示3 3接收售噪魄三维整示3 4接收站信噪比等值线标3 5一迩轨道糍度上的目标双基地距离积计算阁示3 6搽测不因鞔遂毫度嚣标要求熬系统处理增靛3 7几种典型轨道高度目标在不同仰角时要求的系统处理增益3 7利用s i n o s a t 1 探测i s s 仿凝结果- l 一3 9嗣髑s i n o s a t - 1 探溺i s s 傍粪结栗- 2 一3 9利用s i n o s a t 1 探测i s s 仿真结果。3 4 0剥嘲s i n o s a t - 1 搽测i s s 傍爨缝栗4 一4 0系统体系结构构想框图4 1时域“拉伸”法实现多照射源的功率合成4 8表2 2 1同步脉冲信号标准8表3 1 1c k u 叛羧卫星耄援业务魄较。+ 3 2国防科技丈学研究生院学谯论文第一章绪论1 1课题背景近年来的几次局部战争表明，空间已成为维护图家利益的“战略制高点”，未来的军事砖争垮遴一步自乡 层空阗扩展，空淘攻爨鼹挠将不可避燕。空瓣玫茨武器要实瑗露敌方空间目标的有效攻击，鼹求事先准确掌握其时间空间信息和物理特性。因此，建立与攻防武器配套静空阋昏际信怠获取系统至获重要。雷这 筝为一静有效静瑟标搽浏、跟踪与识别工具，是空间目标监视、监测的重要手段。国内航天测控网对空间目标有一定的观测能力，可以实现对低轨目标的探测。然而，由于中、商轨目标距地遥远，应厢传统意义鲍主动霍达进行空间鳗标的搽测，必然要求嚣达发射帆有极蕊的发射功率，实现起来有很大的困难，且整个系统十分复杂。因此，肖必要寻求一种新的空间目标监视、监测手段。在过去的几十年思，双( 多) 基地雷达系统的研究取得了很大的进展。其中，撼于乡 辐搿滚瓣甏达系绕宙予其窍一系列豹饶势嚣弓l 超了久餐懿广泛关注。薹予终爨射深的外辐射源目标探测与跟踪雷达利用空间已有的其它非合作辎射源作为照射源，通过接收来啻照射源的直达波和经蠢标反射豹隧波，溺得蟊标的多瞽勒频移、到达时差及到遮角等，经处理藤实现对目标的探测和跟踪。由于自身不发射电磁波，因而不易被敌方侦察系统发现，巢有很强的生存能力；猩形式上又是一种双基地系统，具有空域上反隐身的特性。弱时，喹于纛霈寒功率发射桃，降氐了系统成本。撼子机会照射源的外辐射源目标探测与跟踪雷达系统的发展，提供了种新颖的实瑷空阀毽标簸撬、黢测瓣愚恕，本文将骚变稍曩位予缝球惑步赣遂翳大功率瞧撬蠢疆翌星( d b s ) 的辐射信号作为非合作照射源，实现对空间目标的探测。1 2基于机会照射源的无源雷达系统的发展历史基于机会照射源的被动雷达系统的发展历史，按照技术水平可以分为三个阶段，下瑟作一篱擎食绍。 起源于光线电传播试验的早期探测阶段雷达是强无线电通信和电波传播试验的基础上诞生的。第一次在战争环境下使嗣双国防科技大学研究生院学位论文基遮掇会发射霉这黪楚第二次壤爨大泼孛德耀豹“k l e i nk e i d e l b e r g ”设套，这套设镰接收来自英国的海岸空防雷达“c h a i nh o m e ”的直射信号和来自目标的反射信号，通过测量鼹信号鹣翔达对差( h ) 0 a ) 移反 l 砉绩号静裂达角( d o a ) 寒定位嚣稼，箨瑶蹉篱绞为4 5 0 k r n ，精度大约为1 0 k i n 。遮一对期豹雷达绝大多数都是遥续渡静双基遗体制，工捧在民掰通信静主要波段上，通过多普勒频移发现羼标，以到达方向实现糨定位，也逐渐如现了测t d o a 及d o a 实现目标定位的雷达体制。孩信号辩域娃瑾受主豹中龌磺究泠段天线收发转换开关发明以后，人们的注意力开始转移到单基地嚣达的研究上。从二战到2 0 世纪8 0 年代，双基魄雷达的研究主鞭局限于合作雷达的范潲内。1 9 8 6 年，菠国伦敦大学的 壬，d g r i f f i t h s 和n r w l o n g 公稚了他们研究的基予电视髅号的非合作式鼹基地雷达的成聚”3 。他们研究了电视信号作为雷达信麓的特点，分析了电视台作为双撼地霍达发射捉黪霉牙髓，并进褥了翅步试验。1 9 9 2 年，英国馀教大学熬珏。d g r i f f i t h s 等人又公布了他们基于星裁电视发射机的非合作战双基地雷达的研究成粜口3 。他们研究了以马霹液罗l 弩卫星上戆电撬发射撬为辐射澈麓 台侮式双豢逡霄这，接浚搬出翌登魏蟊接收机改造丽成，接收1 1 7 0 h z 、1 2 2 g h z 的卫星电视信号。接收机由接收卫星电视直达信号和接收霄标散射信号的两个稽道组藏，采用三级下交灏、相参和非褶参处理。1 9 9 9年，荚国的p e h o w l a n d 博士发表了对基于电视的非合作式双基地霭达深入研究的理论成果”。这一时期麴研炎主要集中在电携憩f m 广撂售母的壹射和基标数射回波的时域襁予处理，获取t d o a 和d o a 信息实现目标定位，通常情况下，多普勒频移作为干扰加以 镁溃狳。 新技术的应用与新一代系统的出现2 0 世纪9 0 年代中期以精，随着高速数字信号处理方法和器件的发展，雷达领域成熟戆信号捻溺技术鳇雩| 入，基予壤会照= ! l 砉爨双蓬逮霍迭系绕致褥了较大懿发爨，出璞了死套典型的实用化系统。这一时期的研究主要有：法圈基于地面电视信号的多基地雷达系统静磷究，该系绕仪仅翻弱蟊稼静多普赣信息实现瓣器标静定位；英莺基予邃瑶毫褫信号的单接收机无源雷达系统研究，该系统通过测量多普勒频移及d o a 实现目标的定位；美国华盛顿大学研究的用予探溺电离层等离子体波动的m r r ( m a n a s t a s hr i d g er a d a r ) g g 基国防科技大学研究生院学位论文地被动探测系统3 等。另外，澳大利亚国防科技部研究了利用电台调频调幅信号和电视信号的无源雷达；德国d i e h lg r a i l & c o 公司对利用g p s 系统作为照射源的无源防空多基地雷达系统进行了研究；芬兰技术研究中心研制了以t d f 卫星作为照射源的s o d a r系统。真正达到实用化、商业化的基于电视、广播的双基地雷达系统是由美国l o c k h e e dm a r t i n 公司完成的。该公司从1 9 8 3 年开始研究基于电视或调频广播的非合作式双基地雷达，1 9 9 8 年研制出“沉默哨兵( s i l e n ts e n t r y ) ”系统邙卜n 1 “，并进行验证性试验。试验以马里兰州g a i t h e r s b u r g 的调频广播电台为双基地雷达的发射机，s i l e n ts e n t r y 系统成功地跟踪了b a l t i m o r e - w a s h i n g t o n 国际机场起落的飞机。s i l e n ts e n t r y 系统接收调频广播和电视信号( 5 0 _ 8 0 m h z ) 。天线为8 2 5 英尺的相控阵，测向精度很高，可以覆盖方位1 0 5 。、俯仰5 0 。的空域，最好的方位范围是6 0 6 ，9 0 。方位内的性能仍很好。系统采用大动态范围的数字化接收机、s i l i c o ng r a p h i c s 公司的每秒几千兆次运算的并行处理计算机、a u t o m e t r i c 公司的软件、三维战术显示器。s i l e n ts e n t r y 系统测量目标的到达角、多普勒频移以及目标散射信号与直达信号的时间差，进而对目标进行定位与跟踪。对一个散射面积为1 0 m2 的目标，系统的探测距离达1 8 0 k i n ，并将扩展到2 2 0 k i n 。公司还将进一步提高s i l e n ts e n t r y 系统性能，使系统分辨力达到1 5 m ，能跟踪2 0 0 批目标，且具有目标识别能力。1 3研究意义及优势基于外辐射源的雷达系统可利用的辐射源有许多种，各种辐射源均存在由其自身信号特点及辐射源位置分布等所决定的特性。由基于机会照射的双基地雷达系统的发展历史可以看出，国际上在此领域的研究主要集中在利用地面电台、电视台辐射信号的双基地雷达系统上，由于其波束覆盖范围及辐射功率的限制，一般只能应用于对空中目标的探测。本文的研究，是以直播卫星发射信号作为外辐射源从而实现对空间目标的探测，该系统与传统机会发射无源雷达系统相比具有其自身的独特优势。随着技术的进步电视直播卫星转发器数目及功率不断加大，卫星电视信号也由模拟向数字化转化。d b s 发射信号带宽宽( 极限可达1 0 0 0 m h z 以上) ，可供利用的辐射源资源多；同时，由于直播卫星分布于地球同步轨道上，使得d b s 发射信号覆盖范围极广。这就使利用d b s 发射信号作为机会照射源的可能性增大。因此，利用大功率直播卫星的辐射信号探测空间目标，国防科技大学研究生院学位论文具有十分重要的意义，可以解决一次雷达需要极大的发射功率才能作用距离远的问题而且可以做到单站对空间目标的探测与跟踪。1 4本文的主要工作本课题主要进行基于大功率直播卫星发射信号的空间目标地基单站被动探测技术可行性研究，具体包括以下几个方面的内容： 基于直播卫星信号的空间目标单站被动探测系统方案论证。基于大功率赢播卫星发射信号的空间目标地基单站被动探测系统指标仿真计算与分析。 基于大功率直播卫星发射信号的空间目标地基单站被动探测系统组成框图与关键技术分析。国防科技大学研究生院学位论文第二章基于直播卫星发射信号的空间目标单站被动探测系统方案论证2 1空间目标双基地被动定位原理基于大功率直播卫星辐射信号的空间目标地基单站被动探测雷达系统的发射机与接收机分离而置，接收机接收空间目标的非后向散射信号，对目标的定位基于发射机一目标一接收机三角形。其平面构成图如图2 i i 所示。l图2 1 1 系统双基地构成平面图示( 图中，s a t 代表卫星，t a r 代表目标，r e c 代表接收站，b 代表双基地角，l 为基线长度)系统采用距离和一角度定位法，这样可以实现单站对目标的定位与跟踪，基本定位原理如下：设卫星与被动接收站间的距离即基线长度为l ，因为直播卫星位于地球同步轨道上，位置固定，那么l 可看作是已知的。因此，目标双基地距离和r = 坼+ r 。( r t 、r r 分别为目标到直播卫星及地面接收站的距离) 可由回波信号相对于直达波信号的延时确定，即r = r r + r r = l + c - t ，( 2 i 1 )式( 2 1 1 ) 中c 为光速，为回波信号相对于直达波信号的延时。设双基地平面上的目标视角( 即目标和接收站间的连线与基线延长线的夹角) 为0 ，如图2 1 1 所示。则由余弦定理，得：卟赫m ，同时，设直播卫星及目标的方位角和仰角分别为靠、以及锦、磊并示于图2 1 2中。由图2 1 2 所示关系，推导可知：口= a r c e o s s i n 5 s s i n 8 r + c o s ( ，s c o s 月c o s p k 一岛) ( 2 1 3 )s a t 图2 1 2 空间目标定位原理图示( 靠、蠡、锦、靠分别为直播卫星及目标的方位角和仰角)式( 2 1 3 ) 中，以、蟊可以事先得到，而靠、民为观测量。将式( 2 1 3 ) 代入式( 2 1 2 ) ，即可得到目标到接收站的距离r 。如果想得到的是目标的轨道高度h ，那么可以利用下面的公式：h = 蟛+ + 2 r rs i n d r h o( n o 为地球半径)( 2 1 4 )有了上面的距离和角度信息，再加上目标多普勒频移信息，即可实现对目标的空间定位和跟踪。利用单个卫星照射源对空间目标进行定位，定位精度不高，采用距离和一角度定位法时距离远线误差大。可以采取增加照射源数目的方法，采用时差定位法对空间目标进行定位。2 2数字模拟卫星电视信号性能分析与比较在基于直播卫星发射信号的空间目标被动探测系统中，利用大功率直播卫星的发射信号作为非合作照射源。显然，直播卫星发射信号不是专门为了雷达应用而设计的，因- 6 国防科技大学研究生院学位论文此，分析其波形特点，探讨其用于雷达照射源信号的性能特点，对于整个系统研究来说具有重要的意义。直播卫星电视信号有模拟卫星电视信号和数字卫星电视信号两种，而每种信号又有多种不同制式，这里仅将符合我国标准的直播卫星电视信号作为研究对象。卫星电视信号有其自身的特点，归纳而言主要是：夺信号的时变性：包括信号有效带宽的时变性；夺信号前后间的相关性：即相邻信号间有重复信息；夺信号中含有各种确定性成分：主要指各种同步信号或同步字节及固定信息字节。数字模拟卫星电视信号在上述三个方面的不同，导致其作为本系统非合作机会照射源的性能不同。本文将从以上三个方面着手，对数字模拟卫星电视信号波形特点进行比较，在此基础上定性分析其相关函数特性并进行比较，以判别哪种形式的信号更适合于作为本系统的非合作式机会照射源。2 2 1 模拟卫星电视信号性能分析由于模拟卫星电视的视频信号只需经过对彩色全电视信号进行能量扩散和频率调制的简单处理即可得到，因此，分析模拟卫星电视信号波形特点的关键是对彩色全电视信号进行深入分析。为分析的方便，图2 2 - 1 给出我国所采用的p a l d 制式彩色全电视信号的基本组成( 以下各处所说的彩色全电视信号均指p a l d 制式彩色全电视信号) “。图象色、亮度图2 2 ，1彩色全电视信号组成示意图消隐彩色全电视信号由视频信号、音频信号及各种同步信号组成。其中，视频信号由一个亮度信号和两个调制在副载频上的色差信号构成；音频信号则调制在音频副载频上；国防科技大学研究生院学位论文同步信号包括行场同步信号、行场消隐信号、槽脉冲信号和前后均衡脉冲信号等。通过对彩色全电视信号的分析，可以看出其具有以下几个明显的特点： 相关性：对于一帧图像来说，其相邻两行或多行间有许多重复信息；对于缓慢变化的图像来说相邻帧间有许多重复信息。周期性：信号的周期性是由电视扫描特点所决定的。脉冲性：包括各种同步信号及视频亮度信号的脉冲性。时变性：这主要是对视频图像信号及音频信号而言。为了分析相关函数特性的方便，可以将彩色全电视信号看作是由两部分构成：具有固定形式和周期的各种同步脉冲信号；具有强相关性的随机成分，主要指视、音频信号成分。下面，将主要从相关性和周期性两个方面着手分析上述这两部分信号对模拟卫星电视零中频信号相关函数特性的影响。各种同步脉冲信号图2 2 1 示出了各种同步脉冲的时域特性( 各种同步脉冲是简单叠加在一起的) 。从图2 2 1 中可以看出，行同步脉冲出现在行消隐期内；而在场消隐期内，又包含了场同步脉冲信号、行同步脉冲信号、开槽脉冲信号和前后均衡脉冲信号。各种同步脉冲信号具有一个共同的特点，那就是周期性与确定性，所不同的仅是脉冲周期、脉冲宽度及脉冲幅度。为简化分析，将槽脉冲和前后均衡冲均等效为行同步脉冲。同时，由g b 3 1 7 4 8 2彩色电视广播标准，可知各种同步信号的脉宽、脉冲幅度及周期如表2 2 1 所示( 基准电平为0 v ，峰值白电平为o 7 v ) 。表2 2 1同步脉冲信号标准苈号均衡行消隐行同步场消隐场同步槽脉冲特性脉冲脉冲宽度1 2 0 s4 、71 t s1 6 1 2 1 t s1 6 0 1 x s4 ，7 p s2 3 5 u s脉冲幅度0 v0 3 v0 v0 3 vo 3 v0 3 v场同步占据的总时脉冲周期6 4 9 s6 4 9 s2 0 m s2 0 m s脉冲内间为3 2 0 9 s由于在场消隐期间的行同步脉冲依然存在，而场同步脉冲又被槽脉冲所占据，槽脉冲及前后均衡脉冲可等效为行脉冲，那么在表2 2 1 所示的标准下，所有同步脉冲可等效国防科技大学研究生院学位论文为脉宽“= 4 7 u s ，周期为瓦= 6 4 u s ，幅度为一0 3 v 的周期脉冲串，如下图2 2 2 所示。0卜毛= 6 4 时一：卜t h = 4 7 u s图2 2 2电视信号等效同步脉冲视、音频信号传统上电视采用的扫描方式为匀速单向直线扫描，将图像信息在空间( 行) 和时间( 场) 上离散化。这种周期性的扫描方式使得电视图像信号具有周期性的特点，且含有许多冗余信息。在一帧画面中，规则物体和背景产生的数据冗余称作空间冗余，空间冗余将导致同一帧画面中相邻行间的强相关性；而时间冗余指相邻两帧或数帧电视画面间的相关性。对p a l d 制式来说，一秒内传送的电视画面为2 5 帧，其前后两帧或数帧画面间肯定包含相当多的一致信息。特别是对于静止或变化缓慢的图像来说，前后几帧间几乎包含完全相同的信息。同时，彩色电视图像信号是具有脉冲性质的亮度信号和采用正交平衡调幅方式调制在色度副载频上的两个色差信号相叠加的结果。图像信号空间相关性导致相邻时间内的亮度脉冲信号的幅度变化小且具有周期性( 行周期) ；同时，由于色差信号采用的是正交平衡调幅的调制方式，图像信号的空间相关性将会导致两个色差信号相位变化具有周期性( 对于完全是细节的图像来说，每个像素的色差信号的初始相位是随机的) 。而对于音频信号而言，一般来说，在极短的时间范围内( m s 量级) ，其声音信息变化非常微小，可以在短记录时间下将其看作是恒幅恒频的( 即可以看作是确定性的) 。综合以上的分析，可以将彩色全电视信号组成作这样的等效：具有恒定脉宽、幅度及周期的确定性行同步脉冲信号：( 在短的记录时间内) 幅度变化缓慢且以行程为周期的亮度脉冲信号；( 在短的记录时间内) 相位变化缓慢且以行程为周期的色差信号；( 在国防科技大学研究生院学位论文短的记录时间内) 确定性的音频信号。有一点需要说明的是，当数据记录时i 自q d , t - n 步脉冲周期即6 4 b t s 时，图像信息的相关性将取决于行内各像素间所含信息的差异。同时，在1 8 的行逆程及8 的场逆程期内，由于消隐信号的作用将不会出现音、视频信息。另外，由于色同步信号所占时间极短( 小于u s 级) ，故未加考虑。综上，彩色全电视信号组成时间特性如图2 2 3 所示。图2 2 3等效彩色全电视信号组成时间特性信息出上面分析的彩色全电视信号的组成特点并考虑到模拟卫星电视信号的调制方式( f m 制) ，可以看出：对于确定性的同步脉冲来说，其频率分量主要集中在低频端部分( 需要注意的是，消隐期的0 幅度脉冲经过调频后得到的基带信号将变为非o 幅度) ；而对于图像信号来说，一般其中包含了较为丰富的信息，其带宽大于同步脉冲的带宽。因此，对模拟卫星电视信号而言，记录时间内图像信息的丰富程度决定了其信号带宽进而决定了其自相关函数的主瓣宽度亦即距离分辨力性能；而图像信息行、场间的相关性( 即周期性) 连同各种同步脉冲的周期性和确定性综合影响卫星电视信号相关函数的旁瓣性能即距离模糊性能，使间隔6 4 9 s ( 即1 9 2 k m 距离和) 出现高的距离旁瓣，从而使利用模拟卫星电视信号作为机会照射源的被动雷达系统有恶劣的距离模糊问题。另外，在1 8 的行逆程及8 的场逆程期内，由于消隐信号的作用不出现音、视频信息，若采用正交处理，1 8 的行逆程将在间隔6 4 1 a s 的位置形成高旁瓣；8 的场逆程将在间隔2 0 m s的位置形成高旁瓣。国防科技大学研究生院学位论文2 2 2数字卫星电视信号性能分析数字卫星广播实质就是利用数字手段来传输模拟电视信号，而现行的模拟电视信号数字化之后，信息传输速率大约在1 0 0 m b p s 左右，因此必须对其进行压缩编码。同时，为了在卫星信道中有效、可靠地传递信息，还必须对信源编码压缩处理后的数据进行信道编码。我国将d v b s ( d v b ：d i g i t a lv i d e ob r o a d c a s t i n g ) 作为数字卫星广播的标准，在射频信号调制形式上采用q p s k 方式，信源编码应用m p e g 一2 标准。为了下面分析的需要，现给出数字卫星广播d v b s 系统的简化原理框图“”( 见图2 2 4 ) 。i 塑塑绝塑矍卜i目i 童塑缠堡墨卜_复：用传l 陬磊丽升器送2复用i且器l 一竺竺：! 篓塑! 墅竺要正墨? 墅登要竺一一图2 2 4d v b s 系统组成框图在对数字卫星电视信号的波形特点进行具体分析之前信号的频谱函数及其自相关函数的表达式。数字直播卫星电视q p s k 信号的复数形式可表示为：4 0 = “( f ) e 口甜= 4 ( f k 叫) e j 2 v o 先给出数字卫星电视q p s k( 2 2 ，1 )式( 2 2 1 ) 中，“( f ) = a ( t ) e ，9 ( 为其复包络，妒o ) 为相位调制函数。相= b笔幄z 。( f ) ：4 r 酗n v o 一圮)【00 f 7 2 n t s( 2 2 3 )e l s e国防科技丈学研究生院学位论文戏( 2 2 。3 ) 中，疑为子默冲宽度( 即褥譬宽度) ，n 为躲冷个数( 帮镑号令数) ，c ，为二避制序列，q = e j m ) 。v o ) 为子脉冲函数，为了限制信号传输带宽、减弱码间干扰，d v b ，s 系统慕蘑了敝狰或影技术，v 矗 秀滚辫系鼗瑾= 0 3 5 熬平方鬏舞余弦滚降滤波器熬冲激响应。在上述表示方式下，数字整播里蓬电筏q p s k 信号复毽络靛颓谱函数u ( ，) 为：，n i、秽口) = y 汐) 掣业掰il( 2 ，2 ，4 )k = o，戏( 2 2 ，4 ) 中，矿汐) 为予脉冲v 0 ) 的频谱函数。数字直播卫星电视q p s k 信号复包络“o ) 的自榈关函数艘。( ) 为：一l 一lr 。0 ) = c 。c ：露，【f 一( 一洲沈】( 2 ，2 5 ) ；o m = 0蕊( 2 ，2 5 ) 中，霆，和) 为子赫渖v 章戆囊鞠关遨数。氇簸是说，数字蛊撵卫星毫褫q p s k 信号熨包络“o ) 的自相关函数晨。0 ) 的熙体形式取决于序列c 。 。若h 是完全随机酶，那么震。和) 豹形式与袁，( r ) 一致，无疑这楚最为瑷怨豹情形。那么，实繇数字翌l 萎电视信母信息序列奴 的非周期性自相关函数如何昵? 这就需要对数字卫星电视信号的编码方式及加扰措施有清晰的了解。数字卫爨电援图像压缀编码使盟m p e g 。2 标准“，m p e g 2 楚成功斡运魂萋像压缩标准，其关键的技术有三个：d c t 变换、h u f f m a n 编码和运动补偿，这三种技术也是整令m p e g 2 懿核心肉褰。嚣汪提囊，毫褪图像信号鸯诲多空澜冗余，瑟d c t 交换大大减少了图像的空间冗余( 即行间及行内相关) 。普通图像经d c t 变换后，能擞主要集中在低鞭医壤内，且经；芟阙僮量化后静d c t 系数中高现了很多连续静“0 ”。这就是说在对应用了d c t 变换的镪个图像块( 每块内有8 x 8 个像索) 进行编码时池现了编码冗余，而h u f f m a n 编码恰恰可以减少编码过稷中出现的编码冗余，同时对连续的长“0 ”码采溺了游程缡码的方式压缝其玛率。同时，m p e g 充分利髑相邻鼹峻场阕的相关性来避行运动补偿( m p e g 一2 允许根据情况选择帧编码和场编粥两种模式，分别对应于图像画面物葵运动速度嫒小巍较大熬谤凝) ，运动蛰偿甓显减少了运动圈缘懿l l 量窝提关注。绦上，d c t 变换使相邻像索及行间的相关性降低；h u f f m a n 编码减弱了编码过程中的冗余；运动每 缮技术减弱了稳邻帻场阉筠褶关往。因琵，车觅频信惫进行了涯缩编弱磊，箕符号及码问相关性大为减弱，可以锝到较好的信息序列相关函数性能。对于信邋适配部分，重点分祈一下d v b s 系统中采用的抗码技术对码间相关槛的影国防科技大学研究生院学位论文响。假设信源编码后的数据中仍然有长串的连“o ”码或连“l ”码，这将恶化序相关函数性能。而用伪随机序列扰码后，可以限制连o 码和连“1 ”码的长度，从而改善序列相关函数性能。又若信源编码后输出的数字基带信号为周期不长的周期信号( 这将导致序列相关函数旁瓣性能恶化) ，则这种短周期信号经扰码后将不再具有类似的周期性质，同样可以得到较好的序列相关函数性能。最后，考虑数字卫星电视信号中各种同步字节及确定性信息字节对数字卫星电视信号自相关函数性能的影响，这涉及到数字卫星电视信号帧结构的问题。数字卫星电视信号帧结构主要涉及到m p e g - 2 的系统层也就是复用和同步问题。在m p e g 一2 中，为了便于存储和传输，编码后的基本码流分割成为若干打包的基本码流( p e s ) ，一个p e s 的典型长度为2 0 4 8 b 。且m p e g 一2 中定义了两种类型的码流输出到信道中去，数字卫星广播应用传输流( t s ) ，传输流由若干传输小包组成，每个小包的长度为1 8 8 b 。p e s 和t s 有双层复用的问题，每个p e s 的头部必须位于一个传输小包的起始位置。p e s 头部由8 - 1 0 b 组成，传输小包的前4 b 为其头部。头部信息主要包括同步字节、节目信息以及频道信息等，其中有一些是确定性的( 如同步字节) ，但这些确定性信息字节在整个包中所占的比例很小( 如果与模拟卫星电视信号的情形相比，几乎可以忽略) ，对信号相关函数的影响很弱。综上，图像信息序列经压缩编码后，码间( 至少是字节间) 相关性大为减弱；编码后的序列由于受信道适配器中加扰作用的影响，将在某种程度上具有伪随机序列的性质( 加扰信息序列的带宽展宽) ；数字卫星电视号帧结构的特点又使得各种同步字节及确定性信息字节在时域上占据的比例很小，减弱了固定部分的影响，使得数字卫星电视信号可以得到较低的旁瓣，改善了系统的距离模糊性能。而由式( 2 2 5 ) 可知，信息序列间的相关性越弱，就可以得到越好的相关函数性能。2 2 3结论综合前面的分析，可以认为数字卫星电信视号具有比模拟卫星电视信号优越的相关函数性能，但有几点需要注意：1 卫星电视信号的时变性导致卫星电视信号相关函数的时变性。对于不同记录时段的信号而言，由于其中所包含的图像信息不同以及各种确定性部分所占比例不同，其信号带宽会有很大差异，进而导致相关函数性能的差异。因此，不能说在任何情况下，数字卫星电视信号都会得到比模拟卫星电视信号优越的相关函数性能。国防科技大学研究生院学位论文2 一般来说，漆于记袭瓣闻越长，卫爨电援镶号中艇含的图像蠖息也魏越丰蜜，信号带宽越宽，也就可以得到越好的自相关函数主瓣性能。因此，从这个意义上讲，要求嚣霹憝戆焱溃是务耱要求戆范銎蠹选择长记录嚼毅豹里星魄援信弩迸雩亍处壤。3 模拟数字卫星电视信号自相关函数主瓣宽度问题。每路模拟卫星频道电视信号靛疆大带宽为2 7 m h z ；s c p c 革籍单载波) 翻数字卫星颓道电视信号静最大宽痰为6 - 7 m h z ；m c p c ( 多路单载波) 制数字卫星频道电视信号的最大带宽农3 6 m h z 及5 4 m h z等几种。由于信号带宽决定着其自相关函数的主瓣宽度，因此，若从可以得到的最僚距离分瓣力角度考虑，s c p c 制数字卫殿频道电视信号最差，模拟卫星频道电毒见信号履中，m c p c 制数字卫星频道电视信号最优。2 ，3系统盼域信号处理理论分析囱系统搽溺洼畿仿真分褥( 冤繁三章) 褥知，空淹嚣标露渡信号在接浚瓿输入游静信噪比极低( 负的几十乃至负的上百d b ) 。那么，如何在这么低的信噪比情况下对目标回波遥行检测并确寇其相对于直达信号的时延和频移参数，是整个课题的核心问题。当采用距离和一角度定位方法时，如何进行有效的时延估计则是重中之重。由信号检测理论特别是雷达信号处理理论“朝可知，对微弱信号进行检测的通用而肖效的方法是进行相干处理，同时必了遂一步提趣处理壤蕴，可以对经摆于处瓒最熬波影遘霉亍j 稳干积累。信号的相干处理实质上等同于匹配滤波，对信号实施互相干处理要求有一参考源。相干缝璞在捷鬈冬巍灌盏懿蠢瓣窦溪了结繁在辩城豹压缝，渡善了系统懿分辨力。菲摇予鲶理对压缩后的波形直接相加，起到一种脉冲积累的作用。 蟊2 ，2 节的分褥可知，采用m c p c 镧豹数字卫凝电视信号毙采麓s c p c 翻的数字卫星电视信号及模拟卫星电视信号作为照射源县有更为优越的相关函数性能，并且，数字卫星电视是赢播卫鬓电视技术的发展方向，模拟卫缀电视将逐渐被淘汰。因此，下面所分攒敕照射源剥用鲍均是m c p c 制款数字卫星电视绩号。2 3 。1 系统肘域信号处理框网因为采用距离和一角度定位方法，因此憋个信号处理系统的关键是进彳亍有效的时延估计，为达劐这一强麴，擞采瘸葙予及菲撩干积累瓣方法安魂罄液信号能爨静积豢。系统时域信号处理的筒略框图见图2 3 1 。国防科技大学研究生院学位论文低零上匝喘噪由亩卧频试放正验大交处器处理理旦画醚糕! 鍪巾 删图2 3 1系统时域信号处理简略框图2 3 2m c p c 制d b s 信号目标回波的数学表示方法在式( 2 2 1 ) 式( 2 2 5 ) 的基础上，为简化分析，假定v ( f ) 为矩形脉冲函数，即：呻，= 骺0 ， 参考源为不含噪声的“纯净”信号：参考信号与回波信号严格相参；回波中的噪声为高斯白噪声； 回波中噪声分量与信号分量相互独立： 回波信号记录时间不受限制。在上述情况下，设相干处理增益为g 。，则由匹配滤波理论，有：g 。=e s = 铲= 鲁m 。曰( 2 4 1 )n o1式( 2 4 1 ) 中，为相干处理时间( 单位为秒) ，e ，为相干处理时间间隔内的回波信号总能量，p 为回波信号平均功率，b 为接收系统带宽( 单位为h z ) 。设对m 个经相干处理后的压缩波形进行非相干积累，非相干积累时间为t ，非相干积累增益为g ，则：- m e 弧q2 铲，n4面= 蹶j( 2 4 2 )则，理想情况下经相干和非相干处理后总的处理增益g 。为：坼= g c - g ，= b 瓜( 2 4 3 )而实际处理增益受到各种条件的限制，下面对影响系统实际处理增益的各项因素进行分析。2 4 1 参考源中的噪声对系统相干处理增益的影响本系统应用的参考源并非“纯净”的信号，而是混有噪声成分的卫星电视直达波。对直达波和回波记录数据进行相干处理的结果可表示为：r 凡( f ) = r 品岛0 ) + r 品b ( f ) + r s 。( f ) + r ( f )( 2 4 4 )式( 2 4 4 ) 中，r 靠岛( f ) 为直达波中“纯净”信号与目标回波中“纯净”信号的互相关函数，其它各项有类似的含义。第二项及第四项为直达波中的噪声部分对相干处理结国防科技大学研究生院学位论文果的影响a 若筇d ( r ) 与& ( f ) 及繇( f ) 完全不相关，则这两项为零。而事实上，由于相干积分时间为有限长，实际的r 岛站( f ) 及r 砧( f ) 均不为零，而是一个随相干积分时间增加而趋于零的随机变量。图2 4 1 给出了在不同的直达波信噪比情况下，系统互相关处理的结果。从图中可以看出，互相关输出的结果受直达波信噪比的影响较小，当直达波信噪比较高时( 如大于3 0 d b ) ，这种影响几乎可以忽略。而达到这样的直达波信号信噪比是容易实现的( 只要直达波接收天线孔径足够) 。图2 4 1 不同直达波信噪比下的互相关输出结果2 4 2 目标运动对相干积分及非相干积累的时间限制为了达到信号能量积累的效果，必须保证积分时间内目标回波与参考信号( 直达波)间的相干性。假设在下变频及正交处理过程中相干性得到了保证( 即在变换过程中，回波和直达波采用同一本振) ，同时不考虑固定目标反射波相对于入射波的随机相位变化。那么，目标回波信号与参考信号间的相干性保持时间由目标的多普勒频移决定。因此，目标运动速度及双基地配置决定了相干积分时间的上限。同时，由于目标运动而产生多普勒频移，即使没有破坏回波信号与参考信号间的相干性，也将导致相干积分增益降低，具体由信号模糊图决定。吾与。口z!葡-o|国防科技大学研究生院学能论文墩娟于稷分时间为t 。，曩檬双基地多登勒频移强力，则为保证黧掭回滚与妻达波阕的相千性，应有：厶兰一1( 2 4 5 )对一定豹蟊标多酱赣逮发( 帮鼙标速度矢量蒂在双鏊地平面上的投彩) ，瑟标藏基地多普勒频移为：力= 孕( 訇眩一舢以、z ，式( 2 4 6 ) 中，芦为哥标双基地角度，占为与目标双基地角平分线间的夹角a 考虑最环的情况，邵，。：v ，声：o ，艿：o 。在这种情况下，式( 3 2 2 ) 即为：孕三。变形，f 一褥穗予积分瓣闯t 应滚足：f l( 2 。4 ，7 )t 瓦为了达到非相予积累的效果，目标在非棚干积累时间t 。陡双基地距离和的变化量r ：应小于系统双基地躐离单元宽度( 近似为c - t ，c 为光速) ，亦即进行非相干积累的各相干积分结果极大傻应位于阍一个躐离和分拱单元内。分垢豫知，在； 相干积累时间t ，内，目标双基地距离和的变化量a r ：不仅仅与目标速度的大小有关，而艇还与目标速度矢量载方两及双纂建配鬟有关。在鞠圈懿双基蟪酝置壤凝下，娄蓬标速度矢量参平孳亍予双基地角平分线时，艘：= 2 v 幔，c o s 晦 ( 多