一種威脅雷達信號告警方法

沈家煌,黃建沖

(電子工程學(xué)院,安徽 合肥 230037)

0 引言

現(xiàn)代戰(zhàn)場環(huán)境中單位時間內(nèi)出現(xiàn)的脈沖信號平均數(shù)少則數(shù)萬，多則數(shù)百萬,在如此密集的信號流中快速準確地篩選識別出具有威脅力或重點關(guān)注的雷達輻射源信號，能夠為部署防御工作和采取對抗措施贏得寶貴的時間，提高己方在復(fù)雜戰(zhàn)場中的生存能力。因此，研究復(fù)雜環(huán)境下對威脅雷達快速正確地告警具有重大意義。

隨著雷達信號識別領(lǐng)域的深入研究，許多新的識別方法不斷出現(xiàn)。文獻[1]研究了一種基于模板脈沖序列的雷達輻射源識別方法，該方法在識別處理過程中，不需要完成預(yù)處理和特征提取的步驟，加快了識別速度。文獻[2]研究了一種基于集對分析和滑窗技術(shù)的雷達輻射源快速識別技術(shù)。文獻[3]提出了基于脈沖樣本圖TOA差級算法的重點輻射源快速識別方法，其對脈沖流的每個脈沖都需要計算多個TOA差級，使得計算量增加。本文針對威脅雷達信號識別中需匹配脈沖次數(shù)多、影響識別速度、計算量大等問題，提出了一種基于脈沖序列檢測識別的威脅雷達信號告警方法。

1 雷達信號PRI的數(shù)學(xué)模型

1.1 重頻固定和重頻抖動

重頻固定雷達信號是指脈沖重復(fù)頻率為一非時變的常數(shù)的雷達信號，即:

PRIi=C,?i=1,2，……

(1)

重頻抖動雷達信號的PRI值在真實值的一定范圍內(nèi)的隨機抖動,其數(shù)學(xué)模型為:

PRIn=PRI0+δ

(2)

式中，PRI0為雷達信號PRI的中心值或平均值；δ一般為在-T,T內(nèi)均勻分布的隨機序列，T為抖動范圍。

1.2 重頻參差

重頻參差雷達信號具有多個脈沖重復(fù)頻率，其PRI按一定的規(guī)律進行變化。對于具有m個重復(fù)頻率的雷達:

PRIi=PRIk,k=imodm

(3)

式中，m為周期參差數(shù)；PRIk(1≤k≤m) 為m個確定的PRI常數(shù)。以m個脈沖為一周期，各PRI值循環(huán)變化一次。

1.3 重頻滑變

重頻滑變雷達信號的PRI單調(diào)地增加或減少，其到達一個極值點時快速返回到另一個極值,變化是連續(xù)的,滑變的模式往往是周期的。其PRI模型為：

(4)

式中，PRIr為PRI初始值，maxδn為調(diào)制幅度，σn為相鄰脈沖PRI的變化增量。PRI變化范圍為PRIr,PRIr+maxδn或PRIr-maxδn,PRIr。

1.4 重頻正弦調(diào)制

重頻正弦調(diào)制信號的PRI值在有限的范圍內(nèi)近似正弦變化，其脈沖到達時間可表示為:

TOAn=TOAn-1+PRI0+Asin(2πv·PRI0·

n+φ)+ωn

(5)

式中，PRI0為PRI均值；A為調(diào)制幅度；v為調(diào)制速度；φ為初始相位。PRI變化范圍為PRI0-A,PRI0+A。

1.5 重頻分組

重頻分組脈沖調(diào)制又稱重頻脈組捷變，重頻分組脈沖調(diào)制雷達信號脈沖序列由多個常規(guī)PRI構(gòu)成，每個PRI值持續(xù)一定的時間段后自動、快速地切換到下一個PRI值,通常使用小于100～125μs的脈沖重復(fù)間隔在幾個值之間進行轉(zhuǎn)換[5]。

2 脈沖序列快速檢測方法

2.1 標準脈沖序列檢測法

接收機截獲的高密度混合脈沖流，可以以任意脈沖作為基準脈沖，采用任意長度的PRI作為參照去檢測，這使得快速檢測識別出威脅雷達信號成為可能。由于雷達脈沖信號序列存在脈沖丟失的現(xiàn)象，因此需要設(shè)置一個丟失脈沖比例的檢測門限。當(dāng)預(yù)計在某處應(yīng)該檢測到某種PRI的雷達信號脈沖，卻未檢測到，即發(fā)生脈沖丟失時，若丟失脈沖比例未超過檢測門限則繼續(xù)檢測，反之則認為在現(xiàn)有的脈沖流中不存在這種PRI的雷達信號。脈沖丟失比例的設(shè)置應(yīng)根據(jù)不同脈沖信號而變化，故脈沖丟失比例定義為:

θ=D/N

(6)

式中，θ為丟失脈沖比例；D為丟失脈沖數(shù)；N為脈沖序列中該信號的總周期數(shù)。

設(shè)各待識別威脅雷達信號的重復(fù)周期為PRI1,PRI2,PRI3,…,PRIn，其中最長重復(fù)周期不超過PRImax(記為Pm)，將標準檢測法定義為以單個PRI為檢測步長的檢測方法，如圖1所示。

圖1 標準脈沖序列檢測示意圖

搜索混合脈沖序列中的威脅雷達信號步驟如下：

1)以1為基準脈沖，以PRIi為步長檢測是否存在以PRIi為周期的某雷達信號，若存在則告警。在實際環(huán)境中存在脈沖丟失情況，如“4”脈沖，如果脈沖丟失比例小于門限值，則繼續(xù)進行檢測，反之則認為混合序列中無該雷達信號，退出該信號檢測。當(dāng)存在脈沖交疊時，選擇誤差最小的脈沖作為信號在該位置的脈沖或?qū)γ}沖采用脈內(nèi)參數(shù)做進一步匹配。最后判斷是否檢測出所有威脅雷達信號，若不是則轉(zhuǎn)步驟2)。

2)以“2”為基準脈沖,分別以未被檢測出的威脅雷達信號的PRI對混合脈沖序列進行檢測，判斷其是否存在于混合脈沖序列中。

3)以此類推，直到以“Pm”長度中最后一個脈沖為基準脈沖進行檢測后，若仍存在未被檢測出的威脅雷達信號，則認為在混合脈沖序列中不存在該信號。

2.2 變步長檢測法

標準檢測法的檢測步長不夠靈活多變，如果針對某種威脅雷達信號，假設(shè)在觀測的時間段內(nèi)有105個PRI，當(dāng)檢測完105個PRI后再判定是否存在該威脅雷達信號，最后進行告警，這樣勢必造成計算量大、花費時間長的問題。因此，本文提出一種變步長檢測法，它是在標準檢測法基礎(chǔ)上采用變化的步長進行檢測的方法。

變步長檢測法原理[4]：假設(shè)某威脅雷達信號的PRI在觀測時間內(nèi)重復(fù)105次，我們只需要檢測其中的一部分，例如只檢測150個預(yù)定出現(xiàn)該信號的脈沖的位置，看是否存在該信號。設(shè)丟失脈沖比例為θ,在這150次檢測中，只要丟失脈沖數(shù)量不超過150θ，就認為周期為PRI的該威脅雷達信號存在。即在105個PRI中只選擇某些點進行檢測，而不是每次都以一個PRI為步長進行檢測，如圖2所示。

圖2 變步長檢測示意圖

用標準法檢測時需檢測所有PRI點，而用變步長法檢測時只檢測圖2中1、3、6、10等號數(shù)的脈沖，檢測步長則是1～3、3～6、6～10等長度。如果依次檢測一定數(shù)量的PRI，如105個PRI的前700個，從虛警和漏警的角度上分析，固定步長只檢測前一段的結(jié)果和變步長法的結(jié)果是相同的。但變步長檢測法改變了檢測步長，僅選取某些點進行檢測，能夠避免PRI跳變信號被誤檢測為“周期性信號”。在檢測某威脅雷達信號時，我們也可以先用變步長檢測法進行粗略地檢測該種雷達信號是否存在，如果檢測結(jié)果為存在，那么可以檢測更多個點，其實質(zhì)是在滿足漏警的要求上降低虛警的概率。

2.3 倍步長檢測法

倍步長檢測法指檢測步長成倍數(shù)增長，采用倍步長檢測法檢測威脅雷達信號，能夠大幅節(jié)省時間。例如，分別檢測1PRI，2PRI，4PRI，8PRI，16PRI……，看是否存在該種雷達信號的脈沖。參照文獻[5]計算方法可知這樣檢測16個點，該信號脈沖序列長度就達到了216。如果觀測時間內(nèi)的序列更長，可以更多倍地變步長進行檢測，如1PRI，4PRI，16PRI，64PRI……。當(dāng)檢測點過少以致影響精確度時，可多插入一些檢測點。

在信號檢測識別過程中，檢測步長應(yīng)根據(jù)目標威脅雷達信號的特征進行選取。例如對于PRI固定的信號應(yīng)該選取較大的步長，從而加快識別速度；而對于PRI正弦變化或者長重復(fù)周期的雷達信號，不能選取過大的步長，從而避免在觀測時間內(nèi)無法準確地檢測信號或因檢測點過少造成漏警。

上述的步長檢測法具有先密后疏的檢測優(yōu)點，即開始時檢測點取得密些，以便于在一開始就檢測不到信號情況下及時退出，避免浪費檢測時間和加大計算量。從以上分析可知，本文的威脅雷達信號快速檢測識別法較一般的序列檢測法的檢測速度是成數(shù)量級地提高。對于存在脈沖丟失的情況，也采用脈沖丟失比例的檢測門限處理。

3 威脅雷達信號識別告警

3.1 PRI固定威脅雷達信號識別

在進行信號檢測前對混合脈沖序列進行預(yù)分選，是為了提高后續(xù)的信號檢測準確度和降低虛警概率。PRI固定的雷達信號是一種常規(guī)雷達信號，與復(fù)雜調(diào)制信號相比，其結(jié)構(gòu)相對簡單，識別系統(tǒng)也較為簡單。如果用標準檢測法對PRI固定雷達信號進行檢測，會增大不必要的計算量并影響信號的檢測識別速度。因此，可采用變步長檢測法或倍步長檢測法檢測。PRI抖動雷達信號的PRI值在真實值的一定范圍內(nèi)的隨機抖動，故可看作單周期變化雷達信號。與PRI固定的雷達信號同理，可采用變步長檢測法對其進行檢測。但是由于PRI抖動雷達信號的PRI抖動量在±1%～±10%內(nèi)，所以容差的設(shè)定是識別抖動信號的關(guān)鍵因素之一。單部PRI固定雷達信號檢測流程如圖3所示。

圖3 單個PRI固定威脅雷達信號檢測流程圖

3.2 PRI參差威脅雷達信號識別

從文章前部分論述可知，PRI參差雷達信號是大周期重復(fù)的雷達信號。因此，可將其看作是幾種周期性雷達信號在不同起始位置的疊加組合，單個雷達信號的重復(fù)間隔為PRI=PRI1+PRI2+PRI3。

圖4為某三參差雷達信號分解方法，設(shè)信號序列的第一個大重復(fù)周期內(nèi)的PRI1,PRI2,PRI3的脈沖位置分別為P1、P2、P3，由于檢測時只考慮到達時間，故可表示為：

(7)

由此可得出，脈沖1、4、7、10、13、16……構(gòu)成一種單周期脈沖信號；2、5、8、11、14……構(gòu)成一種單周期脈沖信號；3、6、9、12、15……構(gòu)成一種單周期脈沖信號。因此，對參差雷達信號檢測時，先將其進行分解，然后對分解后的信號檢測，最后綜合判斷參差信號是否存在。

從以上論述可知，對參差信號檢測流程為先對分解后的各個單周期信號進行檢測，然后根據(jù)信號組合還原結(jié)果綜合判定參差信號是否存在，最后進行告警。同理，由于PRI滑變雷達信號、PRI正弦調(diào)制雷達信號都為大周期上重復(fù)的信號，也可將其分解成多個單周期信號，所以也可以用這種方法檢測。從文章前部分論述可知，重頻分組雷達信號的每個PRIi值都會持續(xù)一定時間，從而重頻分組雷達信號的脈沖以所有的PRIi值持續(xù)時間和為大重復(fù)周期。因此，本文的信號檢測的方法對重頻分組雷達信號也是有效的。但是對大重復(fù)周期內(nèi)脈沖數(shù)較多，PRI調(diào)制較復(fù)雜的信號檢測較為繁瑣，這是下一步研究的方向。

圖4 三參差信號分解法

4 仿真分析

在實際環(huán)境下，需要告警的威脅雷達信號往往是多個的，為加快信號檢測速度，本文采用的多個信號同時檢測的檢測結(jié)構(gòu)。仿真實驗接收混合信號包含六部雷達信號，分別為1部PRI固定雷達信號，PRI值為150μs；1部PRI抖動雷達信號(抖動量δ=10%)，其中心值PRI0=240μs；1部三參差雷達信號，子周期分別為PRI1=410μs,PRI2=460μs，PRI3=490μs；1部滑變信號，PRI滑變范圍為390～1010μs；1部正弦調(diào)制信號，PRI調(diào)制均值PRI0=200μs；1部PRI脈組捷變雷達信號，其PRI∈30μs，60μs，詳細信息見表1。

為研究實際環(huán)境中噪聲對威脅雷達信號檢測的影響，分別在噪聲引起參數(shù)測量誤差值為0.1%、1%、5%的環(huán)境下仿真，并計算在每種噪聲環(huán)境下對6種信號的檢測準確度，結(jié)果如表2所示。為客觀驗證，將本文告警方法與文獻[3]中重點雷達信號識別方法的結(jié)果對比，其中檢測準確度為檢測出的脈沖數(shù)和檢測點數(shù)的比值。

由表2可看出，隨著雷達信號參數(shù)測量誤差的增大，脈沖丟失數(shù)量增加，檢測結(jié)果的準確度也有所下降；雷達信號檢測識別方法對結(jié)構(gòu)越簡單的雷達信號，檢測識別效果越好;對組成威脅雷達信號的單周期信號個數(shù)越少，檢測識別效果越好。

表1 威脅雷達信號信息表

表2 不同環(huán)境下雷達信號檢測結(jié)果

序號脈沖個數(shù)檢測點個數(shù)環(huán)境1環(huán)境2環(huán)境3脈沖丟失個數(shù)準確率%準確率%脈沖丟失個數(shù)準確率%準確率%脈沖丟失個數(shù)準確率%1700174010095．3994．8391．81790．232700174497．793．61193．6889．31889．6632100519010095．73593．2692．95888．82435008600100—6892．10—11986．165700016970100—18888．92—25884．806420010290100—8791．55—15385．16

圖5、6、7分別為環(huán)境1、環(huán)境2、環(huán)境3中信號檢測點脈沖的到達時間(TOA)曲線。從圖5可知，雖然參差、滑變、正弦調(diào)制、脈組捷變等PRI調(diào)制雷達信號的調(diào)制方式和組成信號的單周期數(shù)不同，但是它們的到達時間在誤差較小時都集中分布一條直線上，因為組成威脅雷達信號的多個單周期信號的重復(fù)周期相同。將同一雷達信號在不同環(huán)境下的TOA曲線進行比較可知，信號參數(shù)誤差越小，脈沖到達時間越集中在一條直線上，反之隨脈沖到達時間越大越偏離直線，如圖6、7出現(xiàn)了多條TOA曲線。另外，檢測的脈沖的TOA集中在直線上，說明檢測點的脈沖屬于同一單周期信號的脈沖。結(jié)合仿真的信號檢測結(jié)果和到達時間曲線圖可看出，噪聲引起的誤差越大快速檢測法的檢測準確度也隨之下降，組成信號的各個單周期信號的TOA曲線偏離角度越大。

圖5 環(huán)境1中檢測點脈沖的TOA曲線

圖6 環(huán)境2中檢測點脈沖的TOA曲線

5 結(jié)束語

本文首先給出了幾種常用周期性雷達信號的PRI和TOA的數(shù)學(xué)模型，并對各個信號的特性進行分析。然后針對復(fù)雜電磁環(huán)境下威脅雷達告警問題，結(jié)合脈沖序列快速搜索算法，提出一種威脅雷達信號檢測識別及告警的方法。從仿真分析可得，本文提出的威脅雷達信號快速檢測識別法過程簡單，在有噪聲、信號種類多、數(shù)量未知、密度高的復(fù)雜環(huán)境下能夠有效識別出混合信號中的威脅雷達信號。與傳統(tǒng)的識別方法相比，本文檢測識別法無需信號特征提取，避免了復(fù)雜的分選過程。由于采用變步長對某些點

圖7 環(huán)境3中檢測點脈沖的TOA曲線

的脈沖進行檢測，所以大大減少了信號檢測識別過程的計算量，從而為在復(fù)雜戰(zhàn)場中采取防御措施和組織攻擊取得更多的時間，提高了在戰(zhàn)場中的生存能力,可為研究威脅雷達信號告警系統(tǒng)提供參考?！?/p>

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