（信号与信息处理专业论文）基于电视图像信号的外辐射源雷达信号处理方法研究.pdf

摘要 外辐射源雷达是指自身不发射电磁波而是通过接收空中目标反射的外界辐射 源的散射回波来确定目标的位置等信息的雷达系统。利用商用外辐射源如电台、 电视台的双多基地雷达系统，既不受反辐射导弹的威胁，又具有反隐身能力，因 此该种体制在未来的电子战中拥有潜在的优势。本文基于模拟电视图像信号作为 外辐射源，对双( 多) 基地无源雷达系统进行了研究。论文首先分析了模拟电视 图像信号的时域波形和频域特征并分析了将其用作外辐射源的两种雷达信号处理 方案；然后利用失配滤波算法针对使用模拟电视图像信号的外辐射源雷达相消后 的信号旁瓣进行了抑制和目标提取；最后利用模拟电视图像信号载频稳定的特点， 研究了基于目标方位角和多普勒频率的扩展卡尔曼滤波算法实现目标定位和跟踪 的方法，进行了仿真分析和验证。 关键字：外辐射源模拟电视图像信号失配滤波扩展卡尔曼滤波跟踪 a b s t r a c t e x t e r n a ll l l u m i n a t o rb a s e dp a s s i v er a d a rs y s t e mu t i l i z e sd o w n l i n ks i g n a lf r o m c o m m e r c i a lt e l e v i s i o no rr a d i ob r o a d c a s ts t a t i o nt ot r a c ka n dd e t e c ta e r i a lo b j e c t t h u si t c a nn o tb et h r e a t e n e db ya n t i - r a d i a t i o nm i s s i l e sa n dc a np r o v i d et h ea b i l i t yo f d e t e c t i n g s t e a l t ht a r g e t s t h eu s eo f n o n c o o p e r a t i v ea n a l o gt e l e v i s i o nv i d e os i g n a la st h e i l l u m i n a t o rf o rab i - s t a t i cr a d a rs y s t e mi si n v e s t i g a t e di nt h i sp a p e r a n a l o gt vv i d e o s i g n a li sa n a l y z e di nt i m ed o m a i na n df r e q u e n c yd o m a i na n dt w or e l a t e ds i g n a l p r o c e s s i n gs c h e m e sa r ed e v e l o p e da tf i r s t t h e nm i s m a t c h e df i l t e ra l g o r i t h mi su s e dt o s u p p r e s ss i d e - l o b ea n dd e t e c tt a r g e t si na n a l o gt e l e v i s i o nv i d e os i g n a lb a s e db i s t a t i c r a d a rs y s t e m f i n a l l y , as i g n a lp r o c e s s i n gs c h e m et h a ta l l o w sa i rt a r g e t st ob ed e t e c t e d a n dt r a c k e do n l yu s i n gt h ev i s i o nc a r d e ro ft e l e v i s i o nb r o a d c a s ts i g n a li sp r e s e n t e d a n d t h i se k f a l g o r i t h mu s i n gb e a t i n ga n dd o p p l e rf r e q u e n c yi n f o r m a t i o nc a ne s t i m a t e t a r g e t sl o c a t i o na n dv e l o c i t y 、析t l lg o o dp r e c i s i o n k e yw o r d s ： e x t e r n a li l l u m i n a t o r s a n a l o gt v v i d e os i g n a lm i s m a t c h e d f i l t e ra l g o r i t h me k f 创新性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 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 注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果；也不包含为获得西安电子科技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做了明确的说 明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名：至盛 e t 期：2 d 1 0 f i o 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保 留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后 结合学位论文研究课题再撰写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 本人签名：选 导师签名：玉筮 e i 鼓i ：迎! q ：l ! 立 日期：丝坦! f ! ! q 第一章绪论 第一章绪论 1 1 论文研究背景 伴随着电子技术的飞速发展，电子对抗在现代战争中的地位越来越重要。如 何使电子系统在完成对敌方目标的探测、定位与跟踪的同时避开敌方反辐射武器 的打击，是电子对抗研究的关键。而目前大多数电子系统在敌方电子对抗系统的 干扰和反辐射武器攻击下很难发挥作用，原因在于自身的“有源”特性，即它们都是 依靠自身发射电磁波来完成对目标的探测、定位与跟踪的。如果自身不发射信号， 就可以避免来自敌方的电子干扰和反辐射武器的攻击。另一方面，如果利用敌方 发射的电磁波，则接收到的电磁波中或目标反射的电磁波中也包含了其位置和运 动状态等信息，利用这些信息可以对敌方目标进行探测、定位与跟踪。由此可见， 在被动工作方式下对敌方目标的探测、定位和跟踪是对付电子干扰和反辐射武器 攻击的一种有效方法，对这一领域进行研究具有重要的军事意义。 基于外辐射源的无源雷达系统嘲所利用的辐射源不是专门为双( 多) 基地 雷达设置的，而是通过利用模拟( 数字) 电视或广播瞳训 1 0 j 、通信基站或通信导 航卫星的发射信号作为辐射源，来接收空中运动目标对辐射源的散射波，实现对 空中目标进行定位和跟踪。 利用外辐射源探测目标是一种隐蔽的探测手段，这种雷达比普通双( 多) 基 地雷达的生存能力强，隐蔽性好。利用外辐射源的双( 多) 基地雷达的另一个优 势是可以对隐身目标进行探测跟踪。迄今为止，目标隐身技术主要针对1 2 0 g h z 波段的雷达系统，而各种民用设备一般工作在这个频带以外的米波波段。实验证 明米波雷达可使目标的隐身措施效能大大降低，然而这个频道的雷达发射的信号 常会受到同频段的电视、调频广播( f m ) 、移动通信信号的干扰，因此直接利用 电视信号或者f m 信号作为外辐射源的雷达系统就避免了同频干扰的问题。 生存能力强、反隐身两大优点之外，外辐射源雷达系统还有许多优点n 羽： ( 1 ) 由于外辐射源大多数为空中已存在的民用信号，分布普遍，可以用的资 源比较多： ( d 辐射源发射功率强，分布广泛，无低空无盲区，易于进行多站定位； ( 3 ) 较少受到敌方的干扰，抗干扰能力强； ( 4 ) 信号形式灵活多变； ( 5 ) 由于广播电视频段不受天气影响，系统可以全天候工作； ( 6 ) 借用外辐射源，自身不用发射能量，从而省去了大量经费。 当然由于外辐射源的不可控、不可预知、非协作的特性，无源雷达的探测性 2 基于电视图像信号的外辐射源雷达信号处理方法研究 能往往较常规雷达系统差，因此需要采用更复杂的信号处理手段，采取多辐射源 多接收站，融合多站处理结果，提高整个系统检测以及跟踪性能。 1 2 外辐射源国内外发展现状 近年来，用于精密瞄准定位的技术和系统装备发展较快，而无源定位技术已 成为各国研究的重点，而且国外已经进入试飞和工程应用阶段。现对近年来几个 无源雷达系统作比较。 1 、“寂静哨兵口】无源探测定位系统 “寂静哨兵”是由美国洛克西德吗丁公司历时1 5 年研制成功的一种新型无源探 测定位系统。该系统利用商业无线电广播和电视广播信号( 5 0 - - 8 0 0 m h z ) 探测和 跟踪空中目标，是一种基于非合作辐射源的无源探测定位系统。该系统采用大动 态范围数字接收机、相控阵接收天线、每秒千兆次浮点运算的高性能商用并行处 理器和软件等组成。系统采用标准电视接收天线，一个平面阵能覆盖1 0 5 0 方位， 且在仰角5 0 0 、方位角6 0 0 内效果最好，若要实现全向覆盖，则需要采用多个面阵。 “寂静哨兵”的关键技术是无源相干定位技术。它通过接收来自一个或多个调频 无线电台，电视台的直接路径信号或散射信号，并利用目标飞过时产生的反射信 号载波和信号包络定位空中目标。据报道中称该系统具有实时、高精度探测飞机、 直升机、巡航导弹或弹道导弹、火箭等空中目标的能力，并且具有跟踪2 0 0 个以上 目标，并能鉴别出间隔1 5 米的两个目标，同时能有效地发现和跟踪低空目标。 “寂静哨兵”系统分为固定站系统v 2 4 1 f 和快速部署系统v 2 4 1 d 。固定站系统 可安装在建筑物或固定结构上，而快速部署系统可以部署在能够快速机动的飞机、 卡车等上面。 2 、“维拉( v e r a e ) ”无源探测定位系统 “维拉”无源雷达探测系统是由捷克e r a 公司研制的，该系统可以探测隐形飞 机。“维拉”无源雷达探测系统是一种可移动的用于对空中、地面和海上目标进行定 位、识别和跟踪的电子情报和无源监视系统，其工作是基于电磁波到达时间差 ( t d o a ) 的原理实现的。该系统无高功率发射机，自身不向自由空间辐射电波， 只接收来自目标的电磁波所携带的信息。它首先通过3 个监测站同时观测空中目 标，左右两站的检测信息都送到中心监测站，经信息处理后，取出3 站捕捉同一目 标信号的时间差，再经过计算机系统进行快速运算后确定目标的位置。系统工作 的有效半径为2 5 0 公里，可以同时跟踪7 0 个目标。科索沃战争中，正是“维拉”系统 在贝尔格莱德西北面一个小村庄附近探测到并击毁了一架美军的f 1 1 7 “夜鹰”隐形 战斗轰炸机，打破了其不可战胜的神话。 3 、联合研究开发项目( c a ) 第一章绪论 美m c o m p t e k 联合系统公司最近公布的c r a d a 开发计划的试飞结果表明：利 用成熟的商用硬件，根据雷达信号的时域特性进行单站快速定位，定位精度比采 用相位干涉仪测向体制的结果高得多。该机载定位系统仅采用个轻便的商用宽 带d l a v 和一个全向天线，还有一个商用g p s 接收机提供时间与位置数据。还有一 台c 公司制造的c p 一1 0 0 脉冲处理器。因为没有使用“p ”码，或差分g p s ，所以采用 滤波器算法来估计和校正时间、位置噪声。经去交错和参数处理后的目标信号参 数脉冲特征数据，作为对定位算法的输入，产生椭圆形定位概率数据。数据率和 平台机动是t o a 定位收敛时间的一项关键因素。据称，这种设备很轻便，易于安 装，适合于无人机载定位系统。 各个军事强国对无源探测与定位系统的研究已历经数十载，投入大量的人力、 物力进行研究，并取得了很大的进展。目前还有不少无源探测与定位系统正在研 制中。国内的西安电子科技大学，国防科技大学，成都电子科技大学，哈尔滨工 业大学还有电子科技集团2 9 所，电子科技集团5 1 所，上海航天局8 0 2 所等科研院所 均对无源探测与定位技术进行了系统的研究，并取得了一些进展。1 9 9 8 一2 0 0 0 年 底，电子科技集体5 1 所提出测量到达信号相位变化率从而实现单站无源空对地固 定辐射源快速定位方案，并对其原理样机在暗室中进行了测距原理验证试验，并 在直升机单站测向定位系统试飞中进行了半实物仿真试验，两次试验都证明了这 种无源测距方法的可实现性。上海航天局8 0 2 所于19 9 9 年在国内进行调研及探索， 拟采用单站无源定位与跟踪技术作为空一空制导的发射前瞄准手段。8 0 2 所对电子 跟踪相位干涉仪测方向角变化率进行了试验研究。 可以看出，经过十几年的双( 多) 基地雷达系统研制，英美两国在新一代基于电 视及调频广播信号的x 2 ( 多) 基地雷达系统均取得了较大的进展。这一领域因其潜在 的军事应用价值而备受重视。虽然目前这种无源相干定位雷达还不能实现目标的 精确跟踪，只能起到警戒搜索的作用，但随着此领域关键技术的快速发展和不断 完善，它将担负起未来的反隐身探测跟踪的重要使命。 1 3 本文所做的主要工作 本文主要针对模拟电视图像信号的外辐射源雷达系统对目标探测与跟踪进行 了研究，对于模拟电视图像信号作为外辐射源的雷达系统存在的问题进行了讨论， 对其可行性和可实现性进行了理论仿真与分析，具体安排如下： 第一章绪论，介绍了论文的研究背景和发展现状以及本文的安排。 第二章分析了模拟电视图像信号的基本特点，针对由于周期性和高相关性很 难获得目标的距离信息的问题，给出了作为外辐射源雷达进行信号处理的两种不 同的方案：基于失配滤波算法的时域信号处理方案和基于角度和多普勒频移信息 4 基于电视图像信号的外辐射源雷达信号处理方法研究 的扩展卡尔曼滤波算法的信号处理方案。 第三章主要分析了利用模拟电视图像信号作为外辐射源的时域处理方法，即 通过失配滤波算法直接解距离模糊，获得目标的距离信息，并通过一系列的仿真 实验来验证算法的正确性。 第四章介绍了利用模拟电视图像载波的信号处理方案，即在一段持续的时间 里通过测得的目标方位角和多普勒信息，利用扩展卡尔曼滤波算法进行目标跟踪， 形成目标航迹并获得目标的距离信息。 第二章模拟电视图像信号分析 第二章模拟电视图像信号分析 2 1 模拟电视图像信号外辐射源雷达概述 利用模拟电视图像信号作为照射源构成的x 2 ( 多) 基地雷达探测系统有许多优 点：地面电视台的发射功率非常强；台站分布十分广；特别利于双站或多站定位； 可以随时采用不同电视发射台的信号来改变覆盖范围。但是模拟电视图像信号并 不是经过有意设计来满足雷达应用的，因而脉冲压缩后的结果并不理想。因为模 拟电视图像信号是以行为周期传送的，而且行与行之间存在高相关性，所以如果 利用多行模拟电视图像信号作为照射源的话，脉冲压缩后会出现许多高的旁瓣， 经检测后会造成目标的距离模糊。故利用模拟电视图像信号的外辐射源雷达必须 解决脉冲压缩( 匹配滤波) 时的测距模糊问题。另一方面，利用模拟电视图像信 号载波稳定的特性也可以把载波信号提取出来，经过参数提取得到目标的方位角 和多普勒频移的信息，利用扩展卡尔曼滤波的方法对目标进行跟踪，从而实现对 目标距离信息的提取。 2 2 模拟电视图像信号介绍 彩色电视是在黑白电视的基础上发展起来的，世界各国黑白电视制式、标准 有所不同，但归纳起来可分为两大类，其扫描行数和场频分别为t6 2 5 行5 0 h z 、 5 2 5 行6 0 h z 。另外，各国对彩色电视信号的处理方式有不同的观点，因此形成了 当今世界的多种彩色电视广播制式，它们都属于兼容制。总的来说可分为三大类： 美国、日本、加拿大等国采用的n t s c f l ；i ，称作正交平衡调幅制；德国、英国、澳 大利亚和我国等采用的p a l 制，称作逐行倒相正交平衡调幅制；法国、俄罗斯及东 欧的一些国家采用的s e c a m ，称作顺序传送彩条与存储制，有时也称作行轮换调 频制。这三种制式都是用摄像机摄取三基色信号，并转换成y 、r y 、b y 三种电 信号。其主要区别是用不同的方式进行调制编码。 2 2 1 模拟电视图像信号畸3 时域波形分析 模拟电视图像信号有3 种制式：n t s c ，p a l 和s e c a m 。我国采用的是p a l 制 式即逐行倒相正交平衡调幅制，用于调制色度信息的副载波信号是逐行倒相的， 其未倒相行的副载波初相位为1 3 5 0 。而倒相行的副载波初相位为一1 3 5 0 ，其相位平 均值为18 0 0 。未倒相行的相位与n t s c 锘t j 式相同，称为n t s c 行，而倒相行称为p a l 行。全电视信号的基本单元是帧，每秒2 5 帧，每一帧包含6 2 5 行，分奇数场和偶数 场。其中场周期为2 0 m s ，场频5 0 h z ，行周期为6 4 u s ，行频1 5 6 2 5 h z 。电视图像信 基丁i 乜税幽像信号的外辐射源雷达信号处理方法研究 号视频带宽6 m h z ，频道间隔8 m h z ，色度副载波为44 3 3 6 18 7 5 m h z ，负极性调制， 隔行扫描，采用调幅残留边带发射方式。模拟电视系统要完成图像信号的传输， 不失真的重现原图像，除必须传送图像信号这一主体信号之外，还必须传送复台 同步信号，复合消隐信号，槽脉冲和前后均衡脉冲信号等。这些信号属于辅助信 号，它们是为保证收发同步，逆程不昆示光栅及隔行扫描均匀嵌套所必须而设的。 将以上主体信号和辅助信号统称为全电视信号。而图像信号包括色度信号亮度 信号和色同步信号。 模拟电视图像信号主要具有如下特点： i 、古直流，即图像信号具有平均直流成分，其数值确定了图像信号的背景亮 度。换句话说，它的平均值总在零值以上或零值以下的一定范围内变化，不会同 时跨越零值的上下两个区域，这特征又可称为单极性含直流。 2 、对于一般活动图像。相邻两行信号具有较强的相关性。即相邻两行信号差 别很小，可认为是周期信号。 辅助信号有以下几类： l 、复合同步信号 为了收发同步的需要，电视信号发送端每当扫描完一行时加八个行同步脉 冲，每当扫描完一场时加入一个场同步脉冲，其宽度分别小于行、场逆程时间。 通常将行、场同步信号合称为复合同步信号。我国规定，行同步脉冲宽度为47 u s ， 场同步脉冲宽度为1 6 0 u s ，如图21 所示。 幢翼臼竺鹾 图2 1 复台同步信号 2 、复合消隐信号 在电视系统中，发送端在发送图像信号的同时，在逆程期间将消隐信号也发 送出去。显然，行、场消隐信号的电平应等于图像信号的黑色电平：行、场消隐 信号的周期应分别与行、场扫描周期相同；行、场消隐脉冲的宽度应分别等于行、 场扫描的逆程时间。即行消隐脉冲宽度为1 2 p s 场消隐脉冲宽度为1 5 6 2 5 p s ( 其中， 包含着一个行的逆程1 2 p s ) 。但在接收端为了确保消除回扫光栅，实际上消隐脉冲 稍有加宽。复合消隐信号如图22 所示。为了确保同步与消隐都出现在行、场扫描 的逆程，二青相叠加便得到了圈23 的合成波形，图中还给出了他们各自幅度的相 对大小。 第一章模拟电视图像信号分析 7 5 图22 复台消隐信号 图23 复台同步与复台消隐信号的叠加 3 、槽脉冲和均衡脉冲 电视系统中，提取行同步信息的方法，是利用鉴相或微分电路，提取行同步 脉冲的前沿。由于场同步脉冲较宽，因而在场同步期间会使行同步的信息丢失， 这样，在场逆程期间就可能失去同步，造成每场开始时的前几行不能立刻同步t 因而屏幕显示图像的最上面几行出现不稳定现象。解决这个问题的办法是在场同 步脉冲上加开几个槽，称槽脉冲，且使槽脉冲的后沿( 即上升沿) 恰好对应于应该出 现原行同步脉冲的前沿位置。加入槽脉冲之后就可以保证在场同步脉冲期间可以 检测出行同步脉冲。槽脉冲的宽度与行同步脉冲相同，也是4 7 p s 。为了保证偶数 场的扫描线准确的嵌套在奇数场各扫描线之间，在场同步脉冲前、后及中间，每 隔半行都增加一个行同步脉冲，并把这部分脉冲宽度减小为原来的一半( 即23 5 p s ) ， 场同步脉冲上开槽也相应每半行开一个，但槽宽仍为47 u s ，常称其为前、后均衡 脉冲，如图2 4 所示。 图24 槽脉冲和均衡脉冲 彩色全电视信号由图像信号的亮度信号、色度信号、复合同步信号及色同步 信号混合构成。其中复合同步信号都是脉冲信号，包括行同步信号、场同步信号、 行消隐信号、场消隐信号、槽脉冲和前后均衡脉冲信号。图像信号反映了电视系 基u 砚削像信号的外辐射渊雷达信号处理方法q f 究 统所传送图像的信息，是电视信号中的主体，它是在场扫描正程期的行扫描正程 期内传送的。而其它几种信号则是为了保证图像质量例如图像的清晰和稳定而设 的辅助的但却亦是必需的信号，其中行、场消隐信号足为丁消除各自回扫期的痕 迹以使图像清晰，行、场同步信号、槽脉冲和前、后均衡脉冲的作用主要是使重 现图像与摄取图像确实步，正确重现图像并使之稳定。色同步信号是为了保证 彩色稳定。这些辅助信号都是在行、场逆程期间传送的。模拟电视图像信号的组 成如图25 所示。 a n 一n t * 鲁 a t * 一n 目女h h 一 一* j # h 一日目* # _ 厂 h ho ：e1i ：4 ：n 自m 自r h 一 嘞 图2 5 全电视图像信号组成 2 22 模拟电视图像信号“1 频谱分析 我们选用y 、r - y 、b y 三种信号作为彩色电视图像信号，但是它们同属视频 范围，即它们所占据的频带都是0 6 m h z 范围。不仅如此，而且由于彩色摄像机 所采用的扫描方式、制度与黑白摄像机完全相同从而摄取的三基色信号都与黑 白电视信号类似。即使经编码变换成色差信号，它们在频域中，主频谱成分都在斫， 附近，是相互重叠的。因此要做到兼容，必须设法将它们的主频谱互相错开。故 采取了频带压缩和频谱问置的方法。频带压缩是将色差信号所占频带压缩到 1 3 m h z 左右。但是色差频带经压缩后在频域中与亮度信号仍然是重叠的，接收端 还是无法将其分开。而此时由于采用了周期扫描制度它们的频谱集中在行频各次 习芒 m ，二v 第二章模拟电视图像信号分析 9 谐波的附近，且是一簇簇的离散谱，像梳齿一样。它们虽占据了0 6 m h z 范围， 但并未均匀布满。因此可以在亮度信号的频谱间隙里安插色差信号的频谱，即实 现了频谱交错。方法就是将色差信号进行一次调制，只要适当选择其调制载频便 可使已调色差信号的频谱与亮度信号的频谱间置，如下图2 6 所示。因为图像信号 可以被看作是由连续图像被行频和场频复合采样而来，故电视图像信号的频谱是 不连续的，称为梳状频谱。 7h爪肥一 畸h b + l 玩 伽+ 2 ) ，o + 4 ：帆 ( 1 ) f 图2 6 图像信号的频谱 由图2 6 ( a ) 可以看出，相邻两组谱线群之间的间隔为行频厶( 厶= 1 5 6 2 5 h z ) ， 且存在较大的空隙。而谱线群两侧的线状谱是以帧频为间隔的，随着谐波次数的 增高，幅度将越小( 如2 6 ( b ) 所示) 。实际上对于静止或慢速运动的图像，帧频谐 波成分不超过2 0 次，其幅度就可以忽略不计了。如果按2 0 次计算，各谱线群所占 频谱宽度为2 x2 0 x2 5 h z = 1 0 0 0 h z ，而相邻谱线群之间的间隙竞达 f 1 5 6 2 5 1 0 0 0 ) 1 5 6 2 5 - - 9 3 铴。对于动作较快的图像，谱线群之间仍有较大空隙。 n 霸删 潍 厂 y、 一 彭 匕 ：n 屯_443 1 3 i 图2 7 彩色全电视信号的频域示意图 为了和早期的黑白电视制式兼容，彩色全电视信号利用频谱交错原理，将彩 色副载波选为 厶= ( 甩一丢) 厶+ 丢工 ( 2 一， 1 0 基于电视图像信号的外辐射源雷达信号处理方法研究 取n - - - - - 1 8 4 ，厶= 1 5 6 2 5 h z ，力= 5 0 h z 代入得f $ c = 4 4 3 3 6 1 8 7 5 4 h z 。完整的p a l 制 式彩色全电视信号的频域示意如图2 7 所示a 其中伴音信号采用五= + 6 5 m h z ， 整个全电视信号的带宽约为8 m h z 。 2 2 3 本节小结 由前面的介绍可以看出，电视图像信号有如下三个特点： 1 、脉冲性 模拟电视图像信号由图像信号、行同步信号、场同步信号、行消隐信号、场消 隐信号等多种信号组合而成。虽然图像信号是随机的，可以是连续渐变的，也可 以是脉冲跳变的，但辅助信号均为脉冲性质，从而使得电视图像信号成为非正弦 的脉冲信号。 2 、周期性 由于采用了周期性扫描方法，使模拟电视图像信号成为以行频或场频周期性重 复的脉冲信号。因此，无论对静止还是活动图像，其电视图像信号的主频谱仍为 线状离散性质，各主频谱处在行频及其各次谐波频率上，如图2 6 ( b ) 所示。对静 止图像而言，其主谱线两侧将出现以帧频为间隔的副频谱线，构成谱线簇；对活 动图像而言，主谱线两边将出现连续谱带。它们的主要能量均集中在主谱线附近， 并非均匀布满，使每个谱线簇之间存在一些空隙。 3 、单极性 模拟电视图像信号含有直流分量，它的数值总是在零值以上或以下的一定电平 范围内变化的，它不会同时跨越零值上下两个区域，这称之为单极性。因此，模 拟电视图像信号具有平均值，它的数值确定了图像的背景亮度。在传输中可以隔 断直流只传输交流信号，但在图像重现前必须恢复直流以呈现背景亮度。 模拟电视信号有正极性和负极性之分，我国采用的是负极性电视信号，即同步 信号的电平最高；消隐电平次之；图像信号更低；图像信号中的白电平最低。 2 3 模拟电视图像信号的仿真 2 3 i 模拟电视图像信号的仿真 彩色图像信号包括亮度信号y 、红色差信号r - y 及蓝色差信号b y ， 由三基色信号r 、g 、b 相加合成，如下式所示： 耳= 0 3 + o 5 9 + 0 1 1 尺一y = 0 7 r - 0 5 9 g - 0 11 b b y = - 0 3 r o 5 9 g + 0 8 9 b 它们都可 ( 2 - 2 ) ( 2 - 3 ) ( 2 - 4 ) 第二章模拟电视图像信号分析 为了使r y 、b y 信号与y 信号实现频谱间置，需要把这两个色差信号进步 编码，即逐行倒相正交调制成红、蓝色度分量，再将它们加权成色度信号f 。此色 度信号是经加权压缩的，还有一种色度信号是未经加权的。以上这些信号统称为 彩色图像信号。 而标准彩条信号是由彩条信号发生器产生的一种测试信号。它是用电的方法 产生的模拟彩色摄像机拍摄的光电转换信号，常用以对彩色电视系统的传输特性 进行测试和调整。标准彩条信号是由三个基色、三个补色、白色和黑色，依亮度 递减的顺序排列的8 条垂直彩带。彩条电压波形是在一周期内用三个宽度倍增的理 想方波构成的三基色信号。标准彩条信号有多种规范，如“1 0 0 幅度、1 0 0 饱和 度”彩条，这种规范中白电平为1 ，黑电平为0 ，三基色信号的电平非l 即0 。我们这 里使用的就是这种1 0 0 幅度、1 0 0 饱和度的彩条信号。而频带宽度，由分析得 知，绿基色信号频率最低，每扫一行，绿黑变化一次( 或说l 时间等于变化周期) ， 如果t l 正好等于行扫描正程时间5 2 p s ，则绿基色信号的重复频率为1 5 2 p s ，即 1 9 2 3 k h z 。彩条三基色信号中蓝基色方波信号重复频率最高，按同样的算法得其频 率为7 6 9 2 k h z 。由此可见，标准彩条信号是一种频率较低的信息，占有较窄的频带。 彩色电视系统中，为实现色度与亮度信号频谱交错，应用了正交平衡调幅的 方式，只用一个副载波便实现了对两个色差信号的传输，而且在解调端采用同步 解调又很容易分离出红色差与蓝色差分量。在将两个色差信号分别对两个正交的 副载波进行平衡调幅之前，先对其进行适当的幅度压缩，这是不失真传输所需要 的。压缩后的色差信号分别用u 和v 表示，它们与压缩前的色差信号的关系是： u = 0 4 9 3 ( b - ：v = 0 8 7 7 ( r - y ) 。 为保证所恢复副载波与发射端的副载波同频、同相，需要发射端在发送彩色 全电视信号的同时发出一个能反映发射端副载波频率与相位信息的“色同步信号”， 以使电视接收机中的副载波恢复电路所产生的恢复副载波与发射端的副载波同 步。色同步信号是由8 1 2 个周期副载波组成的一小串副载波群构成( 正弦填充脉 冲) ，这个正弦填充脉冲的周期与行周期相同，位于行消隐的后肩上，前沿滞后行 同步脉冲前沿5 6 p s 。色同步信号的幅度与行步脉冲幅度相等。 下图为电视图像信号的仿真图，电视图像信号仿真时采用了标准彩条信号， 其周期为6 4 1 s ，采样率为5 m h z ，图2 8 是未经调制的两行标准彩条信号的仿真图。 由图2 8 可以看出电视信号具有很强的周期性，这正是电视图像信号作为外辐射源 雷达信号的缺点所在。 基于i u 视图像信号的外辐身于游雷达信号处理打法研究 ( 曲两行电视信号 溯一 圈28 电视图像信号的仿真 23 2 模拟电视图像信号的模糊函数仿真 ( b ) 八行电视信号 模糊函数”“。是雷达信号分析和设计的有力工具，它不仅表示了雷达信号的 同有分辨能力和模糊度，也表示了雷达采用该信号后可能达到的距离、速度测量 精度和杂波抑制方面的能力。 信号的距离分辨能力和速度分辨能力与信号波形参数有关。在利用电视图像 信号“1 的外辐射源探测研究中，只有对一般电视图像信号的分析才是屉具实际意义 的。但由于图像信号的随机性和复杂性，其形式是末知的，几乎不可能得到其准 确的数学表达式，因此也很难求得其模糊函数的解析解。但是，如果不考虑数学 表示，利用模糊函数的卷积表示式，仍能得到其模糊函数的计算结果，并做出模 糊图。它是两个目标信号回波复包络的时间一频率复合自相关函数，模糊函数的定 义式及其卷积表示式为 z ( f ，f ) = e “( f - o + f ) e ”础础 = ) e y 2 n 4 , t o h 一们 ( 2 - 5 ) 因为目标信号的分辨一般在信号检波之后进行，即利用信号的模值进行， 所以模糊函数的模值i z ( f ，善1 l 给出了两个相邻目标距离一速度联合分辨能力的 一种量度。如果l z ( l 孝) | 随r 和掌的增加而下降得越迅速，则两个目标就越容 易分辨，也就是模糊度越小，反之，则模糊度越大。 如直接将上一节产生的仿真的电视图像信号包络的采样值代入式( 2 - 5 ) ，则 可计算得到信号的模糊函数矩阵，从而做出其模糊图，而不必推算信号的数学表 第二章模拟电视图像信号分析 达式。1 1 29 ( a ) 即为电视图像信号的模糊国，从图中可以看出其模糊函数模值 k ( f 州随f 和f 的增加并没有下降的很迅速，即不呈现为图钉状，故不容易分辨 目标。图29 ( b ) 为其距离和多普勒维剖面图，从图中可以看出模拟电视图像信号 的距离分辨力很差，频率分辨力还比较理想。 犄1 矿面r 赢_ = 百1 _ _ ；面1 犷丽1 【i 口1 * 啦 ( a ) 自模糊函数图( b ) 距离和多普勒剖面图 圈29 模拟电视图像信号( 来调制) 的模糊图 围2 1 0 中( a ) 和( b ) 分别是四行电视图像信号的自模糊函数经归一化后的距 离维剖面图和多普勒维剖面图。由前面的讨论知理想的雷达信号的模糊函数图 应该是近似为图钉状的尖峰，从而在多普勒维和距离维具有高的分辨力。而从两 图可阻看出电视图像信号的距离维模糊函数图呈现扁平形，距离旁瓣很高，距离 分辨力很低，因此存在距离模糊。故我们通过匹配滤波在距离维无法分辨目标。 i ： 。_ 一r i t i 一 ：二董：缒一蝤= 二_ j ：秽二二撼i ：j ：；：i i ，l 一；、j j 、。 产 n 0 嘲虬蝴堪h “i 。幽m k a ) 距离维剖面( b ) 多普勒维剖面 图21 0 四行电视信号的自模糊图 热 剽 球j 【e 税幽像信号竹外札射潍雷达信号处理n 浊埘 究 35 簧。 詈 05 州 罂 j 懈 t ，02 “s a ) 实际采集到的电视信号 趔 馨 f o2 “s b ) 采集到的电视信号的局部放大 ij、i1 j i5 m h z ( c ) 电视信号的频谱( d ) 电视信号频谱的局部放大 图2 “宴测电视信号时域波形与频谱 图21 1 为实洲的电视图像信号的时域波形和频谱。圈中所显示的为电视图像信 号经过带通滤波器后的信号，带宽为1 0 0 k t l z ，信号经r 变频后的载频为4 6 0 k h z ， 数据的采样率为5 m h z 。由信号的谱线的分布可以看出，利用谱线跟踪技术获取常 载频连续波信号是可行的。由幽21 l ( d ) 的频谱图看出：可以利用窄带带通滤波 器将电视信号的行频和帧频滤除，只剩余载波信号。冈此我们可以对电视图像信 号进行处理利用，也可以只利用r 巳视罔像信号载波分量作为无源雷达的外辐射源。 从上面的分析可【三l 看出采用多行模拟电视图像信号做照射源，会产生许多较 高的旁瓣，旁瓣以6 4 朋为周期出现。这是因为电视图像信号每行之日j 为缓变的， 其帽关程度很高，所以当时间加长，不i 川行的信号之间的相关会造成高的旁瓣， 这样经匹配滤波后的检测将会出现距离模糊。因为大的副瓣( 或者叫距离副瓣) 会在主瓣周围形成虚假目标，而且大目标的距离副瓣也会掩盖其临近距离卜的小 目标造成弱小目标丢失，导致最大探测距离只有96 公里。虽然实际的电视图像 信号与彩条信号有所不同，随着电视节日的不同，探测效果应该会有所改善，但 是如果不对电视图像信号进行处理而直接用于外辐射源雷达系统，还是不u t 取的。 第二章模拟电视图像信号分析 因此要想得到目标的距离信息，必须将匹配滤波出现的旁瓣抑制掉，只保留 主瓣信息。当然由于可以获得电视图像信号的载波信号，我们可以得到目标的多 普勒频移，再结合目标的方位角信息，我们也可以利用角度多普勒频移联合定位 的方法来获得目标的距离。 2 4 模拟电视图像信号外辐射源雷达信号处理方案 电仃物 发射台 图2 1 2 基于外辐射源的雷达实验系统示意图 基于外辐射源的相干定位雷达系统工作在被动接收模式，采用民用非合作照 射源如广播或电视信号。由于对采用电视图像信号进行目标探测的系统来说，探 测信号是一个连续波信号，具体的说雷达发射信号是调制在一个载波上的调频或 者调幅函数。理论上采用相关接收可以获得最好的信噪比。图2 1 2 给出了基于外 辐射源的雷达实验系统示意图。 由以上分析可以得知，从频域分析来看，全电视信号中有频率空间可用；从 时域波形看，全电视图像信号中有许多脉冲信号，客观上提供了脉冲雷达工作所 必须的周期脉冲。因此可以说脉冲雷达的工作条件已经具备。但是利用模拟电视 图像信号的外辐射源雷达能否实现，关键在于工作脉冲的选择、工作频率的选择 以及雷达的作用距离、距离分辨率能否满足雷达的工作要求，能否完成对目标定 位、测速等雷达必须要完成的功能。而在p a l 制传输中，即使相邻两行的电视图像 完全相同，相邻两行的模拟电视图像信号也是不同的，这是由于相邻两行间的副 载波及色同步脉冲的相位不同造成的。因此利用p a l 制电视图像信号作为雷达照射 源的探测性能要优于n t s c $ 0 电视图像信号。 在模拟电视图像信号中既有规则的同步脉冲，又有着较强的载波分量，因此 我们既可以利用电视图像信号在时域进行处理，将距离旁瓣抑制掉，直接获得目 标的距离信息，对目标进行定位，另一方面由于电视图像信号载波功率比较大、 1 6 基于电视图像信号的外辐射源雷达信号处理方法研究 稳定并且可以提取出来，可以获得目标的多普勒频移并结合目标的方位角对目标 进行联合跟踪定位。 2 4 1 失配滤波信号处理的方案 利用电视图像信号雷达的方案：脉冲雷达最主要的工作参数有3 个：单脉冲 宽度f ，脉冲重复周期t ，载波频率厶。对于电视图像雷达而言，石应该选择图 像载频，而t 应该选择场频( 5 0 n z ) 或帧频( 2 5 h z ) ，这两个频率对常规脉冲雷达 而言都有些偏低，但却可以实现超远程警戒；如果选择行频厶= 1 5 6 2 5 h z ，又太高。 f 的选择有几种：场同步脉冲( 1 6 0 a s ) 、行同步脉冲( 4 7 s ) 、前后均衡脉冲 ( 2 3 5 a s ) 、行消隐脉冲( 1 1 8 a s ) 、场消隐脉冲( 1 5 3 6 a s ) 等。为了提高雷达分辨率， 当然是要求脉冲雷达越窄越好，但是太窄，会造成雷达的工作比d = 较小，对检 测运动目标或测速不利。以脉冲重复周期t = 2 0 m s 为例，雷达工作比d 和距离分 辨率r = 吆( c 为光速) 与脉冲宽度之间的关系见表2 1 。 表2 1雷达工作比和距离分辨率与脉冲宽度之间的关系 脉冲名称雷达工作l l 距离分辨率k m 行同步 0 0 0 0 2 3 50 7 0 5 行消隐 0 0 5 9 0 0 01 7 7 0 场同步 0 8 0 0 0 0 0 2 4 0 0 0 场消隐 7 6 8 0 0 0 02 3 0 4 0 0 但是作为脉冲多普勒雷达，信号脉冲串应该是具有尖锐自相关函数的脉冲串。 而由于电视图像信号并不是经过有意设计来满足雷达应用的，因而脉冲压缩后的 结果并不理想。这是因为电视图像信号是以行为周期传送的，而且行与行之间存 在高相关性，所以如果利用多行电视图像信号作为照射源的话，脉冲压缩后会出 现许多高的旁瓣，经检测后会造成目标的距离模糊。为了解模糊，必须使用复杂 的信号处理手段对旁瓣进行抑制。采用电视图像信号作为照射源的外辐射源雷达 系统可以采取以下的信号流程。其中信号处理部分主要包括杂波抑制模块、解模 糊处理模块、距离多普勒处理模块和恒虚警率检测模块，如图2 1 3 所示。信号处 理的核心为解模糊处理模块，也就是采用复杂的信号处理算法去消除距离旁瓣。 第二章模拟电视图像信号分析 1 7 x 带卜卜 卜 卜 距离 恒 通 通 杂 解 航 接 道 波 模虚 收均抑 糊 多普 卜 警 卜 迹 处 勒处 处 检 又 模 卜 衡 卜 制 卜 理 入 理 测 理 块 图2 1 3模拟电视图像回波信号失配滤波处理流程图 2 4 2 方位角多普勒频率信号处理的方案 正如上节所讲，电视图像信号匹配滤波后旁瓣高，难以分辨目标的距离信息。 而失配滤波方法虽然可以抑制旁瓣，但是运算量较大，因此我们试图寻找避开距 离旁瓣获得距离信息的方法。图像信号包含直流分量，相邻两行或相邻两帧信号 间具有极强的相关性，而且图像信号的频谱在0 , - - 6 m h z 的范围内，其频谱是不连续 的，属离散形，且以行频及其谐波为中心，组成梳齿状的离散频谱。因此可以利 用谱线跟踪技术提取载波，获取电视图像信号的载频及目标回波信号，然后用于 双基地雷达。我们可以在带通接收前添加一个窄带滤波器，滤除图像信号、辅助 信号，而获得图像信号的直流分量，从而使得电视图像信号转化为常载频连续波 信号。故基于电视图像载波雷达的方案：对模拟电视图像信号中较强的视频载波 分量，基于连续波雷达原理，可以利用该载波分量在频域上对信号进行检测和估 值。连续波雷达相对于脉冲雷达在同样峰值功率下具有更大的能量，而且在同样 信噪比下为达到相同的精度，信号占据的频谱最窄，因此在信道带宽和峰值功率 受限的环境下，依然可以达到远的作用距离和高的测量精度，具有很高的实用价 值。目前使用电视图像信号中连续波分量的方法是利用电视台发射的视频载波频 率已知而且稳定，通过接收电视载波回波来获得目标的多普勒频移和方位角，采 用扩展卡尔曼滤波跟踪的方法来获取目标的距离信息。 图2 1 4 基于模拟电视图像信号回波方位多普勒频率信息的处理流程图 1 8 基丁电视图像信号的外辐射源雷达信号处理方法研究 2 5 本章小结 本章主要介绍了模拟电视图像信号的时域波形和频域特征，对模拟电视图像 信号作为雷达照射源进行了分析，并针对其中存在的问题进行了讨论，给出了两 种利用电视图像信号的信号处理方案：基于失配滤波解距离模糊的信号处理方法 和基于电视图像信号方位和多普勒频移信息的单站跟踪定位的信号处理方法。 第三章基于模拟电视图像同波信号的时域失配滤波处理 1 9 第三章基于模拟电视图像回波信号的时域失配滤波处理 前面介绍了模拟电视图像信号，指出利用模拟电视图像信号作为照射源构成 的双( 多) 基地雷达探测系统有许多优点：地面电视台的发射功率非常强；台站分布 十分广；特别利于双站或多站定位；可以随时采用不同电视发射台的信号来改变 覆盖范围。但是从第二章模拟电视图像信号的仿真图以及其模糊函数图可以看出 由于它并不是经过有意设计来满足雷达应用的，因而脉冲压缩后的结果并不理想。 这是因为模拟电视图像信号是以行为周期传送的，而且行与行之间存在高相关性。 因此如果利用多行模拟电视图像信号作为照射源，直接进行脉冲压缩( 匹配滤波) 后会出现许多高的旁瓣，经检测后会造成目标的距离模糊，得不到目标的距离信 息。故利用模拟电视图像信号的外辐射源雷达必须在脉冲压缩( 匹配滤波) 的时 候加一个解模糊的过程，即将脉冲压缩后出现的高旁瓣抑制下去，提取出主瓣信 息从而获得目标的距离信息。本章分析用于解模拟电视图像信号距离模糊的失配 滤波算法，并对其进行仿真验证。 3 1 失配滤波算法简介 脉冲压缩n 鲫是现代雷达的一种重要体制，是解决雷达发射机峰值功率和高距 离分辨力之间的矛盾的有效途径，也是雷达反隐身对抗电子干扰以及对抗反辐射 导弹( a r m ) 的有力手段。脉冲压缩技术是通过匹配滤波来实现的，但是这只适用 于t b 值较大的情况，当t b 值较小时其主副比将达不到要求，必须采用失