基于匹配模板的二相編碼信號識別方法

祝 強(qiáng),莫翠瓊,潘繼飛

(1.電子工程學(xué)院,合肥 230037;2.安徽省電子制約技術(shù)重點實驗室,合肥230037)

0 引 言

現(xiàn)代電子對抗信號環(huán)境日趨復(fù)雜、交錯,雷達(dá)體制愈加多變,威脅雷達(dá)的種類和數(shù)量也在不斷增加。低截獲概率(LPI)技術(shù)使雷達(dá)信號識別面臨新的挑戰(zhàn)。目前,國內(nèi)外的雷達(dá)信號識別技術(shù)研究思路基本相同,均集中在信號參數(shù)提取方法上,具體說,多為利用計算機(jī)技術(shù)和模式識別技術(shù)來實現(xiàn)信號自動識別。但是,當(dāng)信號較弱、參數(shù)提取困難時,無法有效完成雷達(dá)信號的檢測與識別。數(shù)字接收機(jī)的研制與投入使用為解決這一問題提供了新的思路。本文提出的匹配模板法基于數(shù)字接收機(jī),采用數(shù)字信號處理方法進(jìn)行LPI雷達(dá)信號——二相編碼信號的截獲與識別。

1 匹配模板識別方法的基本思路

數(shù)字接收機(jī)的一個巨大優(yōu)勢是可以將截獲到的雷達(dá)信號存儲起來,進(jìn)行事后分析。如果先期在雷達(dá)信號主瓣或者信號條件良好的情況下截獲到二相編碼信號并且成功分析,就可以制定針對該信號的匹配模板,構(gòu)造匹配濾波器;當(dāng)信號再次出現(xiàn)時,完成匹配接收與識別。匹配模板識別方法的關(guān)鍵步驟包括匹配模板的創(chuàng)建、匹配算法的實現(xiàn)和匹配輸出性能參數(shù)的提取與分析這3個方面。

1.1 匹配模板的創(chuàng)建

匹配模板法屬于單個脈沖雷達(dá)識別范疇。匹配模板的制作可在時域進(jìn)行,也可在頻域進(jìn)行。時域模板就是直接保存的脈沖數(shù)據(jù),長度為一個整脈沖。頻域模板是以一個整脈沖數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源,選定模板長度,對數(shù)據(jù)源進(jìn)行分段傅立葉變換并且疊加,段長度為模板的長度。兩種模板的使用方法大體相同。

理想匹配模板是“干凈”的、不受任何污染的,這樣的模板比較難以獲得。在實際工程應(yīng)用中,當(dāng)信號環(huán)境良好時,雷達(dá)偵察接收機(jī)在截獲雷達(dá)信號后,通過脈內(nèi)特征分析器準(zhǔn)確獲取信號參數(shù),數(shù)字接收機(jī)將這些雷達(dá)信號數(shù)字化后存儲起來,作為匹配模板。當(dāng)感興趣的雷達(dá)信號再次出現(xiàn)時,與模板庫中的雷達(dá)信號進(jìn)行匹配處理,將會獲得較大的處理信噪比,實現(xiàn)低信噪比條件下的匹配接收;根據(jù)匹配輸出結(jié)果,判斷輸入信號是否與模板庫中的信號相匹配,一旦滿足匹配的條件,即完成識別。

根據(jù)匹配濾波器理論,設(shè)輸入信號為s(t),其頻譜為S(ω),則其對應(yīng)的匹配濾波器的脈沖響應(yīng)為h(t)=kS*(t0-t),t0為信號輸出最大時刻。匹配濾波器在頻率域的特性為 H(ω)=kS*(ω)?exp(-jω t0)。模板創(chuàng)建過程就是匹配濾波器頻率響應(yīng)獲取的過程。

1.2 匹配算法的實現(xiàn)

匹配濾波器的輸出為y(t)=s(t)?h(t),?為卷積符號。根據(jù)傅里葉變換理論,時域的卷積等效于頻域的乘積,可得Y(ω)=S(ω)H(ω),這是頻域處理的理論基礎(chǔ)。圖1為頻域處理的原理框圖。

圖1 頻域處理原理框圖

頻域處理首先將截獲的雷達(dá)信號進(jìn)行采樣,數(shù)字化后再進(jìn)行快速傅里葉變換(FFT),與事先存儲在匹配模板庫中的數(shù)字譜相乘,得到的結(jié)果使用快速傅里葉逆變換(IFFT)還原為時間離散信號,計算表達(dá)式為:

假設(shè)輸入信號s(n)的點數(shù)為 N1,模板h(n)的點數(shù)為N2,那么FFT的點數(shù)可以確定為:

式中:ceil表示向上取整。

如果濾波器中存儲有輸入信號的數(shù)字譜,那么它相對于輸入信號便構(gòu)成了匹配濾波器。對于此時特定的匹配模板,匹配輸出結(jié)果是一定的,這點可以從下面的計算機(jī)仿真得到驗證,據(jù)此便能判別輸入的雷達(dá)信號。

1.3 匹配輸出性能參數(shù)的提取與分析

相位編碼信號的復(fù)數(shù)表達(dá)式為:

信號的復(fù)包絡(luò)函數(shù)為:

式中:φ(t)為相位調(diào)制函數(shù)。

對二相編碼信號來說,φ(t)只有0或2π兩個可能取值。如果二相編碼信號的包絡(luò)為矩形,則二相編碼信號的復(fù)包絡(luò)為:

式中:v(t)為子脈沖函數(shù);τ1為子脈沖寬度;N為碼長;T=Nτ1為編碼信號持續(xù)期。

用傅里葉變換不難得到二相編碼信號的頻譜:

用頻域處理方法,以二相編碼信號為例研究匹配輸出性能。模板信號各參數(shù)為:f0=160MHz,N=13,T=13 μ s,τ1=T/N=1 μ s。當(dāng)輸入信號為二相編碼信號且各參數(shù)與模板信號參數(shù)相同時,由式(1)可得匹配處理的時域波形,見圖2。

圖2 理想匹配處理結(jié)果

通過對理想匹配輸出性能參數(shù)的提取與分析,可以制定針對二相編碼信號的匹配識別準(zhǔn)則:主副瓣形狀都為三角形,且副瓣三角形高度相等,均為碼長的倒數(shù),即1/N;主副瓣個數(shù)之和等于碼長的倍數(shù)。只要輸出的結(jié)果同時滿足以上2點,就能說明該信號為二相編碼信號。

2 計算機(jī)仿真

除理想匹配處理外,輸入信號與模板信號還存在以下2種關(guān)系:輸入信號與模板信號類型不同;輸入信號與模板信號類型相同,但不是同一雷達(dá)信號。

2.1 輸入信號與模板信號不是同一類型信號時匹配處理結(jié)果

當(dāng)模板為二相編碼雷達(dá)信號時,理想的匹配輸出結(jié)果是輸入信號和模板信號相同的情況。當(dāng)輸入信號與模板信號不是同一類型信號時,最容易判別輸入信號不是期望信號。例如,模板信號為二相編碼信號,當(dāng)輸入信號分別為簡單脈沖與線性調(diào)頻信號時,匹配輸出結(jié)果如圖3所示,對照匹配識別準(zhǔn)則,與理想結(jié)果相差甚遠(yuǎn),可以很快判定信號不是期望信號。

圖3 信號類型不同時匹配輸出結(jié)果比較

2.2 信號類型相同,參數(shù)不同時匹配處理結(jié)果

當(dāng)其他參數(shù)均相同,輸入信號的載頻 f0依次為160MHz、159MHz、158MHz、 157MHz、161 MHz、162 MHz時匹配輸出結(jié)果如圖4所示。

圖4 載頻不同時匹配輸出結(jié)果比較

表1計算出了匹配輸出性能參數(shù)。從計算結(jié)果看,主副瓣幅度保持不變,但輸出的主副瓣個數(shù)隨輸入信號載頻與模板信號載頻之差的變化而變化。假設(shè)載頻之差為n,則輸出主副瓣個數(shù)之和為碼長的2n倍,根據(jù)匹配識別準(zhǔn)則,可以判定輸入信號為期望信號。當(dāng)其他參數(shù)均相同,輸入信號的碼長 N依次為13、11、7、5時匹配輸出結(jié)果如圖5所示;當(dāng)其他參數(shù)均相同 ,子碼寬度 τ1 依次為 1 μ s、2 μ s 、3 μ s、4 μ s時匹配輸出結(jié)果如圖6所示。

表1 匹配輸出性能參數(shù)分析

在這2種情況下,匹配輸出的結(jié)果與理想結(jié)果相差甚大,無法計算性能參數(shù),此時可以判定輸入信號不是期望信號。也由此可見,要想得到二相編碼信號的理想匹配輸出結(jié)果,對輸入信號參數(shù)的要求比較苛刻。

圖5 碼長不同時匹配輸出結(jié)果比較

2.3 噪聲對匹配識別結(jié)果的影響

當(dāng)輸入信號與模板信號匹配,但是受到了噪聲的污染,此時將會對匹配輸出性能參數(shù)的提取帶來一定影響。圖 7繪制出了信噪比分別為10 dB,0 dB 、-5 dB、-6 dB、-8 dB 、-10 dB、-12 dB 的匹配識別結(jié)果,表2計算出了匹配輸出性能參數(shù)。從計算結(jié)果看,隨著噪聲的增大,峰值位置出現(xiàn)少許的偏移,副瓣高度呈現(xiàn)增高的趨勢,但根據(jù)匹配識別準(zhǔn)則,仍然可以識別出該信號。

圖6 子碼寬度不同時匹配輸出結(jié)果比較

圖7 噪聲對匹配識別結(jié)果的影響

表2 匹配輸出性能參數(shù)分析

3 結(jié)束語

本文介紹的匹配模板法是基于先期獲取敵方二相編碼信號數(shù)據(jù)并且制定出匹配模板的前提下進(jìn)行的,由于匹配模板的唯一性,決定了該方法只對期望信號有效。文中通過對輸入信號與模板型號可能存在的幾種情況進(jìn)行仿真實驗,驗證了匹配準(zhǔn)則的有效性和該方法的可行性。當(dāng)輸入信號為期望信號時,識別信噪比可以達(dá)到-6 dB。在實際應(yīng)用中,采用二相編碼信號制作匹配模板,當(dāng)期望信號再次出現(xiàn)時即可以成功截獲并識別。

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