一種基于多相濾波結(jié)構(gòu)的雷達(dá)信號(hào)檢測(cè)技術(shù)

謝旻睿，沈志博

(西安電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院，陜西西安 710071)

在電子戰(zhàn)環(huán)境中，信號(hào)一般都具有復(fù)雜化、密集化的特點(diǎn)，占用的頻譜越來(lái)越寬，從而對(duì)雷達(dá)信號(hào)的檢測(cè)技術(shù)也提出了更高的要求［1］。信道化接收技術(shù)是解決寬帶信號(hào)檢測(cè)等問(wèn)題的一種有效方式。信道化接收機(jī)因其具備較大的瞬時(shí)帶寬、能夠檢測(cè)和處理同時(shí)到達(dá)的信號(hào)、具有準(zhǔn)確的參數(shù)測(cè)量能力和一定的信號(hào)識(shí)別能力等優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用。

1 基于多相濾波結(jié)構(gòu)的數(shù)字信道化

基于多相濾波結(jié)構(gòu)［2－3］的信道化接收機(jī)數(shù)學(xué)模型如圖1所示。信號(hào)x(n)通過(guò)一個(gè)旋轉(zhuǎn)開(kāi)關(guān)將原信號(hào)分到每個(gè)信道上，相當(dāng)于按因子D進(jìn)行下采樣［4］，經(jīng)過(guò)每一路的子濾波器濾波后，通過(guò)一個(gè)D點(diǎn)的DFT，使不同頻率的信號(hào)在不同的頻帶輸出。

圖1 多相濾波結(jié)構(gòu)的信道化接收機(jī)模型

其中，hk(m)是由高階的低通濾波器原型h(n)分解得到;h(n)按照每個(gè)信道的帶寬來(lái)設(shè)計(jì)，h(n)與hk(n)滿足關(guān)系 hk(n)=h(k+nD)，k=0，1，…，D －1。實(shí)際中常選擇D為2的N次冪，以便用FFT算法代替DFT。

設(shè)信道數(shù)為D，原型低通濾波器階數(shù)為N，當(dāng)每個(gè)信道都輸出一個(gè)數(shù)據(jù)時(shí)，多相濾波結(jié)構(gòu)的信道化接收機(jī)所需的乘法運(yùn)算量［5］為

經(jīng)運(yùn)算可知，此類接收機(jī)的運(yùn)算量遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的信道化接收機(jī)，在實(shí)際應(yīng)用中具有更高的效率。

2 多相濾波結(jié)構(gòu)的雷達(dá)信號(hào)檢測(cè)技術(shù)

隨著信號(hào)產(chǎn)生和處理技術(shù)的發(fā)展，一部雷達(dá)往往能根據(jù)需要產(chǎn)生多種不同樣式的波形，而且現(xiàn)代雷達(dá)信號(hào)環(huán)境日益復(fù)雜，信號(hào)形式多變，在同一時(shí)間可能有多個(gè)信號(hào)同時(shí)出現(xiàn)［6］。利用多相濾波信道化的方法，將時(shí)域重疊但頻域不重疊的信號(hào)劃分到各個(gè)子信道上，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)此類信號(hào)的檢測(cè)。信道劃分形式的示意圖如圖2所示。

圖2 多相濾波結(jié)構(gòu)信道化的信道劃分形式

由圖2可以看出，信道交疊處設(shè)計(jì)有特定的信道阻帶衰減帶，相鄰?fù)ǖ辣仨氂幸粋€(gè)重疊區(qū)域，這可以通過(guò)設(shè)置濾波器的帶寬和過(guò)渡帶來(lái)實(shí)現(xiàn)。但這種設(shè)計(jì)方法會(huì)導(dǎo)致一個(gè)窄帶信號(hào)的輸出跨越一個(gè)或多個(gè)輸出通道，這種情況在分析任意帶寬和任意中心頻率譜時(shí)經(jīng)常發(fā)生，因此必須采用一定的判定方法對(duì)信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)。

對(duì)于同時(shí)在信道中出現(xiàn)的信號(hào)，說(shuō)明信號(hào)的到達(dá)時(shí)間相同，這可能是幾個(gè)同時(shí)到達(dá)的獨(dú)立信號(hào)，也可能是一個(gè)窄帶信號(hào)在兩個(gè)信道同時(shí)有輸出。若信號(hào)均在不相鄰的信道出現(xiàn)，則認(rèn)為是同時(shí)到達(dá)的幾個(gè)獨(dú)立信號(hào);若信號(hào)在相鄰兩個(gè)信道出現(xiàn)，則認(rèn)為是一個(gè)窄帶信號(hào)在相鄰兩個(gè)信道同時(shí)有輸出。對(duì)于這種信號(hào)的判別方法有兩種:當(dāng)相鄰兩個(gè)信道的信號(hào)幅值大小相差很遠(yuǎn)時(shí)，則將幅值大的信號(hào)輸出信道作為真實(shí)信號(hào)所在的信道;當(dāng)相鄰兩個(gè)信道的信號(hào)幅值大小相近時(shí)，可以采用兩個(gè)信道中心頻率取平均的方法，即取兩個(gè)信道中心頻率之和的1/2，此時(shí)的測(cè)頻誤差為信道帶寬的1/2，只要誤差在允許范圍內(nèi)，這種方法是具有可行性的。

對(duì)于不同時(shí)在信道中出現(xiàn)的信號(hào)，說(shuō)明信號(hào)的到達(dá)時(shí)間不同，這可能是幾個(gè)獨(dú)立的信號(hào)，也可能是一個(gè)跨越幾個(gè)信道的寬帶線性調(diào)頻信號(hào)。若為單個(gè)寬帶線性調(diào)頻信號(hào)，設(shè)其初始頻率為f0;調(diào)頻斜率為μ;t0時(shí)刻到達(dá)，每個(gè)子信道帶寬為B;第i個(gè)信道的中心頻率為fi，則這個(gè)信號(hào)在第i個(gè)信道的結(jié)束時(shí)間為

在第i+1個(gè)信道的起始時(shí)間

因?yàn)閒i+1－fi=B，所以在理想情況，即濾波器為理想濾波器的情況下，有ton=toff，也就是說(shuō)寬帶線性調(diào)頻信號(hào)會(huì)按時(shí)間順序依次出現(xiàn)在各子信道。但一般情況下濾波器不是理想的矩形，而會(huì)有一個(gè)過(guò)渡帶，過(guò)渡帶的大小與濾波器的具體設(shè)計(jì)有關(guān)，在此設(shè)為ΔB。由于過(guò)渡帶的影響，使得信號(hào)不會(huì)嚴(yán)格的按時(shí)間順序依次出現(xiàn)在各子信道，子信道內(nèi)出現(xiàn)的信號(hào)時(shí)域會(huì)有重疊部分，重疊時(shí)間 Δt≈ΔB/μ，所以若滿足Δt，則可認(rèn)為是按時(shí)間順序依次出現(xiàn)在每個(gè)信道的。

由以上分析可知，若要判斷信號(hào)為單個(gè)寬帶線性調(diào)頻信號(hào)需要滿足兩個(gè)條件:一是信號(hào)應(yīng)按時(shí)間順序依次出現(xiàn)在各相鄰子信道;二是要滿足各子信道的幅值相近。若到達(dá)時(shí)間不連續(xù)或幅值有明顯差異，均認(rèn)為是兩個(gè)獨(dú)立的信號(hào)。

3 多相濾波結(jié)構(gòu)雷達(dá)信號(hào)檢測(cè)仿真

仿真中采樣率設(shè)為200 MHz，信道數(shù)為16，有效信號(hào)頻率范圍為－100～100 MHz，所以每個(gè)通道的帶寬為12.5 MHz。注意到相鄰兩個(gè)信道間會(huì)有一定的交疊，這樣設(shè)計(jì)可以保證不會(huì)丟失頻點(diǎn)，但同時(shí)也會(huì)對(duì)信號(hào)的檢測(cè)產(chǎn)生一定的影響。

圖3給出了多相濾波結(jié)構(gòu)的信道化接收機(jī)正頻域8通道的時(shí)域包絡(luò)，相應(yīng)的圖4是各通道的頻譜分析。

圖3中的包絡(luò)并非是原始包絡(luò)，因?yàn)榇诵盘?hào)的頻域占3個(gè)輸出通道，輸出時(shí)按時(shí)間先后順序輸出，先輸出通道3，再輸出通道4，最后輸出通道5的包絡(luò)。相應(yīng)的輸出頻譜也占據(jù)了3個(gè)通道，每個(gè)通道的通帶寬度為12.5 MHz，從圖4中可以看出，信號(hào)頻域輸出與輸入信號(hào)的參數(shù)設(shè)置是一致的。圖3和圖4是理想情況下的信號(hào)檢測(cè)結(jié)果，信號(hào)沒(méi)有處于信道交疊的過(guò)渡帶。

選取窄帶信號(hào)起始頻率為33.5 MHz，帶寬100 kHz，信號(hào)的時(shí)域包絡(luò)如圖5所示。這時(shí)在第3、4通道內(nèi)均有信號(hào)輸出，但信道4內(nèi)的信號(hào)幅度明顯大于信道3內(nèi)的幅度，此時(shí)認(rèn)為信號(hào)所在真實(shí)通道為信道4。

圖5 窄帶信號(hào)正頻域8通道時(shí)域包絡(luò)輸出

若在相鄰兩個(gè)信道出現(xiàn)的信號(hào)幅值相近，設(shè)所加信號(hào)起始頻率為31.5 MHz，帶寬100 kHz，信號(hào)的時(shí)域包絡(luò)如圖6所示。此時(shí)在3、4通道內(nèi)出現(xiàn)兩個(gè)幅值相近的信號(hào)，無(wú)法采用上面的方法確定信號(hào)實(shí)際所在的通道，此時(shí)可采用兩信道中心頻率取平均的方法認(rèn)為測(cè)得信號(hào)的頻率約為31.25 MHz，測(cè)頻誤差為0.25 MHz。采用這種方式對(duì)頻率進(jìn)行估計(jì)不可避免會(huì)產(chǎn)生一定的測(cè)頻誤差，但也具有一定的可行性。

圖6 窄帶信號(hào)正頻域8通道時(shí)域包絡(luò)輸出

當(dāng)信號(hào)形式為單個(gè)寬帶線性調(diào)頻信號(hào)時(shí)，信號(hào)帶寬大于單個(gè)子信道的帶寬，理想情況下，信號(hào)會(huì)按時(shí)間順序依次出現(xiàn)在每一個(gè)子信道內(nèi)?？紤]到實(shí)際濾波器中的過(guò)渡帶，各子信道內(nèi)出現(xiàn)的信號(hào)時(shí)域上會(huì)有重疊，重疊部分大小取決于濾波器過(guò)渡帶的設(shè)計(jì)。線性調(diào)頻信號(hào)在信道中出現(xiàn)的形式如圖3和圖4所示。需要注意的是，只有在各個(gè)子通道內(nèi)的信號(hào)幅值相近且按時(shí)間順序依次出現(xiàn)時(shí)的信號(hào)才認(rèn)為是線性調(diào)頻信號(hào)。

若信號(hào)只是按時(shí)間順序依次出現(xiàn)但幅值相差較大，則認(rèn)為是按時(shí)間先后順序到達(dá)的兩個(gè)信號(hào)。如圖7所示，信號(hào)在2、3、4這3個(gè)信道均有輸出，前兩個(gè)信道幅值相同且時(shí)間上連續(xù)，4信道信號(hào)雖然出現(xiàn)在3信道之后，但幅值明顯大于前兩個(gè)信道出現(xiàn)的信號(hào)，此時(shí)認(rèn)為2、3信道的信號(hào)是一個(gè)跨兩通道的線性調(diào)頻信號(hào)，而4通道是另一個(gè)線性調(diào)頻信號(hào)。

圖7 幅值不同的兩個(gè)信號(hào)正頻域8通道時(shí)域包絡(luò)輸出

若信號(hào)幅值相近但時(shí)間上不連續(xù)，則也認(rèn)為是在不同時(shí)間出現(xiàn)的兩個(gè)相同強(qiáng)度的信號(hào)。如圖8所示，信號(hào)在2、3、4這3個(gè)信道均有輸出且幅值相近。前兩個(gè)信道在時(shí)間上連續(xù)，4信道信號(hào)雖然幅值和2、3信道相同，但出現(xiàn)時(shí)間不連續(xù)，此時(shí)認(rèn)為2、3信道的信號(hào)是一個(gè)跨兩通道的線性調(diào)頻信號(hào)，而4信道是另一個(gè)時(shí)間到達(dá)的線性調(diào)頻信號(hào)。

4 結(jié)束語(yǔ)

由以上研究與分析可以得出，采用多相濾波結(jié)構(gòu)的信道化對(duì)進(jìn)行信號(hào)類型進(jìn)行檢測(cè)是快速且有效的，雖然信道交疊部分會(huì)對(duì)信號(hào)的時(shí)頻參數(shù)測(cè)量產(chǎn)生一定的影響，但如果按照上文所述的準(zhǔn)則進(jìn)行判定，基本可以滿足對(duì)雷達(dá)信號(hào)的檢測(cè)要求。文中所研究的基于多相濾波結(jié)構(gòu)的數(shù)字信道化接收機(jī)的信號(hào)檢測(cè)方法具有運(yùn)算量小、便于系統(tǒng)硬件的實(shí)時(shí)處理等優(yōu)點(diǎn)，在工程實(shí)現(xiàn)上具有一定的意義。

圖8 到達(dá)時(shí)間不同的兩個(gè)信號(hào)正頻域8通道時(shí)域包絡(luò)輸出

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