復(fù)雜電磁環(huán)境下雷達(dá)信號(hào)脈內(nèi)特征分析

熊永坤，白長河，郭新民

（解放軍92785部隊(duì)，秦皇島066200）

0 引 言

雷達(dá)信號(hào)脈內(nèi)特征分析是20世紀(jì)80年代中期開始研究的一項(xiàng)技術(shù)。隨著數(shù)字射頻存儲(chǔ)、中頻采樣和數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的迅速發(fā)展，以及高速大規(guī)模集成專用芯片的應(yīng)用，雷達(dá)信號(hào)脈內(nèi)特征分析技術(shù)已成為雷達(dá)對(duì)抗偵察系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)之一，是識(shí)別雷達(dá)輻射源個(gè)體及其所屬武器平臺(tái)和系統(tǒng)的重要手段[1]。

1 雷達(dá)信號(hào)脈內(nèi)特征的分類

雷達(dá)信號(hào)脈內(nèi)特征也稱雷達(dá)信號(hào)的指紋特征，可分為無意調(diào)制與脈內(nèi)有意調(diào)制。

1.1 無意調(diào)制

無意調(diào)制，是大功率雷達(dá)發(fā)射機(jī)的發(fā)射管、調(diào)制器和高壓電源等器件或電路產(chǎn)生的不期望的各種寄生調(diào)制。

1.2 脈內(nèi)有意調(diào)制

脈內(nèi)有意調(diào)制包括脈內(nèi)頻率調(diào)制、相位調(diào)制、幅度調(diào)制及3種調(diào)制組合的混合調(diào)制，為充分利用雷達(dá)發(fā)射機(jī)的功率，一般不采用幅度調(diào)制。脈內(nèi)有意調(diào)制特征主要表現(xiàn)在信號(hào)的幅度、頻率和相位的變化和分布上，對(duì)不同的輻射源信號(hào)，其脈內(nèi)有意調(diào)制特征在幅度、頻率和相位上的變化和分布上具有不同的瞬時(shí)值。

1.2.1 脈內(nèi)頻率調(diào)制

脈內(nèi)頻率調(diào)制主要包括線性調(diào)頻、非線性調(diào)頻和頻率編碼。其中脈內(nèi)頻率編碼信號(hào)是把發(fā)射機(jī)發(fā)射的寬脈沖分成若干時(shí)間片段，每個(gè)時(shí)間片段內(nèi)的載頻可以根據(jù)需要而有所不同，該類信號(hào)可通過控制時(shí)間和頻率而改變信號(hào)的時(shí)間和帶寬[2]。

1.2.2 脈內(nèi)相位調(diào)制

脈內(nèi)相位編碼調(diào)制就是在載頻不變的前提下，脈內(nèi)各個(gè)碼元根據(jù)需要采用不同的初始相位。根據(jù)初始相位的備選集合不同，脈內(nèi)相位調(diào)制可分選為二相編碼、四相編碼和多相碼。

2 雷達(dá)信號(hào)脈內(nèi)特征分析方法

雷達(dá)信號(hào)脈內(nèi)特征分析技術(shù)通過幾十年的研究，已初步形成了一些較為有效的分析方法，主要有時(shí)域自相關(guān)法、時(shí)頻分析法和數(shù)字中頻法等。本文重點(diǎn)介紹時(shí)頻分析法和數(shù)字中頻法等。

2.1 數(shù)字中頻技術(shù)

對(duì)雷達(dá)信號(hào)進(jìn)行高保真采樣是分析提取脈內(nèi)信息特征的關(guān)鍵。高位、高速采集卡是解決這一關(guān)鍵難題的理想電子器件。雙通道8位數(shù)模轉(zhuǎn)換器、采樣速率1GHz的高速采集卡已用于電子偵察系統(tǒng)。采樣速率達(dá)2GHz的高速采集卡正在研制中。

數(shù)字中頻處理的基本方法是：將接收到的射頻信號(hào)下變頻至中頻，用高速采集卡對(duì)保持全部相位和幅度信息的中頻信號(hào)進(jìn)行高保真的采樣。采樣后利用多種數(shù)字信號(hào)處理方法，從時(shí)域、頻域和時(shí)頻域?qū)χ蓄l信號(hào)進(jìn)行分析處理。

對(duì)于載波為正弦的任何雷達(dá)信號(hào)，都可表示為：

式中：f0為信號(hào)載頻；A（t）為信號(hào)幅度包絡(luò)；ω（t）為信號(hào)的瞬時(shí)頻率；φ（t）為瞬時(shí)相位。

雷達(dá)信號(hào)的任一脈內(nèi)調(diào)制方式都是通過改變A（t），ω（t），φ（t）這3個(gè)參數(shù)來完成的。

該信號(hào)可用解析信號(hào)表示為：

其中同相分量Si（t）和正交分量Sq（t）為：

由Si（t）和Sq（t）可計(jì)算出雷達(dá)脈內(nèi)特征信號(hào)的瞬時(shí)參數(shù)，即計(jì)算信號(hào)的瞬時(shí)幅度、瞬時(shí)相位和瞬時(shí)頻率等脈內(nèi)參數(shù)，通過對(duì)這些參數(shù)的分析判斷信號(hào)類型和提取信號(hào)參數(shù)：

2.2 時(shí)頻分析方法

信號(hào)分析一般是在時(shí)域或頻域內(nèi)進(jìn)行，但這種分析方法一般只針對(duì)平穩(wěn)時(shí)變信號(hào)，而對(duì)于非平穩(wěn)時(shí)變信號(hào)，比如存在脈內(nèi)調(diào)制的雷達(dá)信號(hào)，單獨(dú)在時(shí)

式中：s（t）為將要被分析的信號(hào)；h（t）的作用是限制時(shí)間；e－j2πft的作用是頻率限制；STFT 是時(shí)間和頻率的二維函數(shù)，它的時(shí)間分辨率和頻率分辨率可以用時(shí)間－頻率平面上的一個(gè)矩形來說明，該矩形窗口稱為分析窗口。

短時(shí)傅里葉變換克服了傳統(tǒng)傅里葉變換的缺點(diǎn)，用一個(gè)具有合適寬度的窗函數(shù)從信號(hào)中提取出一段來作傅里葉分析，通過沿時(shí)間軸移動(dòng)窗口得到1組STFT，它反映了信號(hào)的傅里葉變換隨時(shí)間大致變化的規(guī)律[4]。

本文采用數(shù)字中頻技術(shù)與短時(shí)間傅立葉變換相結(jié)合的方法，對(duì)雷達(dá)脈內(nèi)特征信號(hào)進(jìn)行綜合提取和分析，詳細(xì)分析出信號(hào)的頻譜、瞬時(shí)幅度、瞬時(shí)頻率和瞬時(shí)相位。其信號(hào)處理框圖如圖1所示。域或頻域進(jìn)行分析難以反映出信號(hào)的時(shí)變特性，因?yàn)檫@種信號(hào)分量的幅度、頻率、相位等都隨時(shí)間而變化。時(shí)頻分析采用局部變換的方法，通過時(shí)間和頻率的聯(lián)合分布函數(shù)來表示信號(hào)，同時(shí)也可以描述信號(hào)在不同時(shí)間和頻率的能量密度和強(qiáng)度。

其中時(shí)頻分析方法有短時(shí)傅里葉變化、Wigner-Ville分布和小波變化法等。在復(fù)雜電磁環(huán)境下，這幾種時(shí)頻分析方法各有優(yōu)劣：短時(shí)傅里葉變化有很好的抗干擾性能，但時(shí)域分辨率和頻域分辨率相互矛盾；Wigner分布法受噪聲影響小，但是非線性預(yù)算，也不適用于多信號(hào)混疊的場(chǎng)合；小波變化易受噪聲影響，且計(jì)算量大，不適合實(shí)時(shí)處理。下面以短時(shí)傅里葉變化為例介紹時(shí)頻分析法[3]。

短時(shí)傅里葉變化的思想是：把信號(hào)劃分成許多小的時(shí)間間隔，并進(jìn)行傅里葉變換，以確定信號(hào)頻率成分隨時(shí)間變化情況。短時(shí)傅里葉變化公式：

圖1 信號(hào)處理框圖

由圖1可以看出，系統(tǒng)對(duì)接收到的脈內(nèi)信號(hào)先進(jìn)行正交變化，然后計(jì)算出信號(hào)的頻譜、瞬時(shí)幅度、瞬時(shí)頻率、瞬時(shí)相位，接著進(jìn)行參數(shù)識(shí)別和估計(jì)，再輸出數(shù)據(jù)。圖1中的短時(shí)傅立葉變換用于對(duì)脈內(nèi)調(diào)頻信號(hào)的輔助分析，包括判斷調(diào)頻類型和提取調(diào)頻參數(shù)。與其他方法相比較，該方法更適合在復(fù)雜條件下提取雷達(dá)脈內(nèi)特征信號(hào)，適用性更強(qiáng)[5]。

3 結(jié)果與分析

下面以線性調(diào)頻雷達(dá)信號(hào)為例，分析其脈內(nèi)調(diào)制特性，開發(fā)工具為VisualC＋＋6.0。當(dāng)高速采集卡采集到已知模擬雷達(dá)信號(hào)（頻率為5 500MHz，脈寬6μs，調(diào)頻帶寬45MHz），送到分析軟件處理。分析軟件通過對(duì)獲取數(shù)據(jù)的處理，獲得信號(hào)的載頻、類型和其他參數(shù)信息。分析結(jié)果如下：

3.1 信號(hào)頻譜

信號(hào)頻譜的分析是對(duì)接收到的某個(gè)時(shí)間段內(nèi)信號(hào)數(shù)據(jù)的傅立葉變換，如圖2所示?？蓽y(cè)出信號(hào)載頻參數(shù)為5 549.7MHz，與已知信號(hào)參數(shù)誤差只有0.3MHz。

圖2 線性調(diào)頻信號(hào)頻譜圖

3.2 信號(hào)瞬時(shí)幅度

對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行包絡(luò)檢波得到信號(hào)的瞬時(shí)幅度，該幅度參數(shù)由矢量信號(hào)的實(shí)部平方與虛部平方的和再開方得到。

通過軟件分析得出圖3，可直觀看到脈沖形狀和脈沖間隔等參數(shù)，并測(cè)得信號(hào)脈寬為5.96μs，與已知參數(shù)相差0.04μs。

圖3 線性調(diào)頻信號(hào)瞬時(shí)幅度圖

3.3 信號(hào)瞬時(shí)頻率

信號(hào)瞬時(shí)頻率值由瞬時(shí)相位對(duì)時(shí)間求導(dǎo)計(jì)算得出。通過瞬時(shí)捕獲區(qū)域的分析數(shù)據(jù)，可以直觀地對(duì)脈內(nèi)頻率調(diào)制脈沖進(jìn)行參數(shù)測(cè)量。

通過軟件分析得出圖4，從圖中可以看出瞬時(shí)頻率為一傾斜直線，信號(hào)調(diào)制帶寬為43.4MHz，與已知參數(shù)相差1.6MHz。

圖4 線性調(diào)頻信號(hào)瞬時(shí)頻率圖

3.4 信號(hào)瞬時(shí)相位

通過對(duì)矢量信號(hào)的虛部與實(shí)部比值的反正切得到信號(hào)瞬時(shí)相位。根據(jù)相位的周期性特點(diǎn)，瞬時(shí)相位即原始相位折疊至－180°～180°內(nèi)的數(shù)值。

從圖5可看出，通過該區(qū)域數(shù)據(jù)分析脈內(nèi)相位調(diào)制情況能判斷信號(hào)調(diào)制類型、測(cè)量碼元長度和信號(hào)編碼規(guī)律。

圖5 線性調(diào)頻信號(hào)瞬時(shí)相位圖

4 結(jié)束語

通過軟件分析和硬件平臺(tái)的實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果可以看出，本文提出的數(shù)字中頻技術(shù)結(jié)合短時(shí)傅里葉變換法能精確地對(duì)雷達(dá)信號(hào)脈內(nèi)調(diào)制特征進(jìn)行提取。該方法可應(yīng)用于不同平臺(tái)偵察系統(tǒng)精測(cè)接收機(jī)，具有廣闊的應(yīng)用前景。

[1]胡愛明，胡可欣.相位編碼信號(hào)在雷達(dá)中的應(yīng)用[J].艦船電子對(duì)抗，2007，30（5）：66-68.

[2]呂新正，柳桃榮，洪一.低信噪比下基帶編碼信號(hào)的脈內(nèi)特征分析[J].雷達(dá)與對(duì)抗，2006（3）：31-34.

[3]胡小勐，孫志勇，張劍云.一種基于小波變換的二相編碼信號(hào)識(shí)別方法[J].電子信息對(duì)抗技術(shù)，2006，21（3）：6-10.

[4]張直中.雷達(dá)信號(hào)的選擇與處理[M].北京：國防工業(yè)出版社，1979.

[5]穆世強(qiáng).雷達(dá)信號(hào)細(xì)微特性分析[J].電子對(duì)抗，1992（1）：1-11.