基于數(shù)字告警接收機(jī)的雷達(dá)信號(hào)分選與識(shí)別方法研究

吳 琳，何曉明，王正生

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司51所，上海201802）

0 引 言

在現(xiàn)代電子對(duì)抗中，電磁信號(hào)環(huán)境變得越來(lái)越復(fù)雜，新雷達(dá)體制不斷涌現(xiàn)，其抗干擾能力不斷完善，所有這些都對(duì)雷達(dá)對(duì)抗的信號(hào)分選與識(shí)別提出了新的挑戰(zhàn)。例如在密集、復(fù)雜多變的電磁環(huán)境下，雷達(dá)告警設(shè)備還普遍存在增批、虛警、批號(hào)更換頻繁以及對(duì)窄波束掃描信號(hào)漏批等問題。分析其原因，一方面是隨著雷達(dá)工作帶寬和數(shù)字處理技術(shù)的發(fā)展，使空間雷達(dá)信號(hào)形式越來(lái)越復(fù)雜；另一方面是在信號(hào)處理過程中關(guān)鍵信息和雷達(dá)特征沒有充分運(yùn)用［1］。如何使設(shè)備量既不龐大、復(fù)雜，又能夠?qū)崿F(xiàn)雷達(dá)信號(hào)快速準(zhǔn)確的分選與識(shí)別，這是有待深入研究的課題。本文對(duì)傳統(tǒng)的雷達(dá)信號(hào)分選方法給予優(yōu)化，提出了基于數(shù)字告警接收機(jī)的雷達(dá)信號(hào)分選和識(shí)別算法。

1 研究?jī)?nèi)容

機(jī)載雷達(dá)告警系統(tǒng)一般在頻域上和方位上都是寬開的，相應(yīng)的信號(hào)處理設(shè)備的輸入脈沖流具有信號(hào)類型多樣、密集交迭的基本特點(diǎn)。傳統(tǒng)的告警系統(tǒng)是由比幅測(cè)向機(jī)和測(cè)頻機(jī)組成，比幅測(cè)向接收機(jī)直接給出到達(dá)方位角（DOA）供信號(hào)分選，作為可靠的參數(shù)使用，而該參數(shù)所依賴的雷達(dá)脈沖幅度（PA）并不穩(wěn)定，尤其針對(duì)掃描雷達(dá)時(shí)，虛警、增批現(xiàn)象嚴(yán)重。而采用數(shù)字告警接收機(jī)的新型雷達(dá)告警系統(tǒng)，每個(gè)通道都送出完整的脈沖描述字（PDW），這樣就為信號(hào)分選提供了更多的雷達(dá)特征參數(shù)。所以，通過新的雷達(dá)信號(hào)分選算法，不僅可以盡量避免虛警、增批等弊病，而且也可以解決對(duì)不同方向的同時(shí)到達(dá)雷達(dá)信號(hào)的告警問題。

在這個(gè)系統(tǒng)中，一個(gè)脈沖進(jìn)入到告警系統(tǒng)的多個(gè)接收通道后被量化為相應(yīng)通道的PDW。按原先做法，是將各個(gè)PDW送入數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）后，由軟件直接合成為一個(gè)帶DOA信息的PDW。但此時(shí)計(jì)算DOA的各通道PA并不穩(wěn)定，誤差較大，從而使DSP中的信號(hào)處理軟件出現(xiàn)了錯(cuò)誤的DOA，用這樣的DOA進(jìn)行預(yù)分選工作就產(chǎn)生了大量的增批和錯(cuò)判。于是，就想到在信號(hào)處理軟件中進(jìn)行單通道的信號(hào)分選和識(shí)別，將各個(gè)通道中的輻射源描述字進(jìn)行綜合，同時(shí)將輻射源同批次錄取的PA進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和平滑后再進(jìn)行該輻射源的DOA計(jì)算，然后識(shí)別和告警，這樣可以解決增批、虛警等弊病。告警軟件的數(shù)據(jù)流程如圖1所示。

圖1 告警軟件數(shù)據(jù)流向圖

1.1 信號(hào)分選

1.1.1 信號(hào)的時(shí)域模型

1.1.1.1 常規(guī)信號(hào)／射頻捷變信號(hào)的時(shí)域模型

常規(guī)信號(hào)和射頻捷變信號(hào)的時(shí)域模型是一樣的，如圖2所示。常規(guī)信號(hào)的脈沖序列的射頻值是固定不變的；而頻率捷變信號(hào)的脈沖序列的射頻值是在一定范圍內(nèi)跳變的。

圖2 常規(guī)信號(hào)及頻率捷變信號(hào)的時(shí)域模型

1.1.1.2 脈沖多普勒（PD）信號(hào)的時(shí)域模型

PD信號(hào)是由若干組固定重頻的脈沖序列構(gòu)成的。同一組內(nèi)的重頻是固定不變的，脈組間的重頻是變化的。PD信號(hào)的時(shí)域模型如圖3所示。

圖3 PD信號(hào)的時(shí)域模型

1.1.1.3 參差信號(hào)的時(shí)域模型

圖4顯示了一個(gè)二參差信號(hào)的脈沖序列圖。

圖4 參差信號(hào)的時(shí)域模型

1.1.1.4 重頻抖動(dòng)的時(shí)域模型

重頻抖動(dòng)信號(hào)的脈沖序列是以某一重頻為中心，做一定幅度的抖動(dòng)。重頻抖動(dòng)信號(hào)的時(shí)域模型如圖5所示。

圖5 重頻抖動(dòng)信號(hào)的時(shí)域模型

1.1.1.5 射頻分集的時(shí)域模型

圖6顯示了一個(gè)四分集信號(hào)的脈沖序列（TPRI0＜10μs）。其中0、4、8號(hào)脈沖的射頻值為fRF0，1、5、9號(hào)脈沖的射頻值為fRF1，2、6、10號(hào)脈沖的射頻值為fRF2，3、7、11號(hào)脈沖的射頻值為fRF3。

圖6 分集信號(hào)的時(shí)域模型

1.1.2 預(yù)分選

首先采用射頻（RF）、脈寬（PW）雙參數(shù)預(yù)分選模式。把RF、PW都相同的脈沖歸并到同一脈沖組。這種分選模式是數(shù)據(jù)集（脈沖）到RF、PW二維平面的映射?？紤]到參數(shù)的測(cè)量誤差，一般把此二維平面劃分成若干小格，每個(gè)小格稱為一個(gè)分選單元。

考慮到每個(gè)通道都覆蓋了一定的空域范圍，再用PA信息做一次相關(guān)攔截，但由于不同重頻的信號(hào)其幅度的變化相差較大，參考最低重頻信號(hào)的要求將幅度設(shè)置相關(guān)容差。

經(jīng)RF、PW和PA三參數(shù)分選后，高密度的輸入脈沖流被分離成多個(gè)稀釋的脈沖流（一個(gè)分選單元對(duì)應(yīng)一列脈沖流），對(duì)這些脈沖流還需作進(jìn)一步重復(fù)周期／重復(fù)頻率（PRI／PRF）時(shí)域分選去交錯(cuò)處理，也就是信號(hào)分選的主分選。

1.1.3 主分選

重頻相關(guān)分選是整個(gè)信號(hào)分選過程的主分選，它是利用脈沖信號(hào)的周期相關(guān)性，將交迭脈沖流分離成各雷達(dá)的脈沖列，可分選PRI抖動(dòng)、重頻參差、頻率分集等特殊雷達(dá)信號(hào)。

重頻相關(guān)分選是對(duì)某一PW、RF和PA都相關(guān)的脈沖序列進(jìn)行的時(shí)域規(guī)則統(tǒng)計(jì)，將統(tǒng)計(jì)出來(lái)的結(jié)果與之前描述的各種雷達(dá)信號(hào)的時(shí)域模型進(jìn)行匹配，從而識(shí)別出各種雷達(dá)信號(hào)［2］。為了適應(yīng)復(fù)雜信號(hào)環(huán)境，在做完簡(jiǎn)單的重頻相關(guān)統(tǒng)計(jì)之后，還必須對(duì)脈沖序列進(jìn)行交錯(cuò)PDW間的間隔的相關(guān)統(tǒng)計(jì)，以識(shí)別復(fù)雜重頻信號(hào)。信號(hào)分選流程如圖7所示。

圖7 信號(hào)分選主處理流程

1.1.3.1 單一常規(guī)信號(hào)和PD信號(hào)的提取

單一常規(guī)信號(hào)和PD信號(hào)的提取是利用相鄰脈沖間的間隔的相關(guān)統(tǒng)計(jì)進(jìn)行分選。此處進(jìn)行處理的間隔是由前后2個(gè)相鄰的PDW的到達(dá)時(shí)間（TOA）相減而得到的，處理速度快，正因?yàn)槿绱?，將該步放到重頻分選的第一步。此處要進(jìn)行匹配的信號(hào)模型是單一常規(guī)信號(hào)和PD信號(hào)。

用滿足相關(guān)個(gè)數(shù)門限的PRI相關(guān)項(xiàng)內(nèi)的脈沖與常規(guī)信號(hào)模型進(jìn)行匹配，此時(shí)的匹配要求相對(duì)應(yīng)該嚴(yán)格一些，若相關(guān)個(gè)數(shù)和連續(xù)脈沖個(gè)數(shù)均滿足設(shè)定的門限要求，可在此處確認(rèn)常規(guī)，同時(shí)記錄該脈沖序列的首個(gè)脈沖的到達(dá)時(shí)間。

PD信號(hào)的提取，需要對(duì)所形成的所有PRI相關(guān)項(xiàng)目進(jìn)行比對(duì)，其詳細(xì)比對(duì)流程如圖8所示。

圖8 PD信號(hào)的PRI搜索流程圖

由于截獲概率的問題，PD信號(hào)很有可能在某一時(shí)刻被分選為常規(guī)信號(hào)，需要在后續(xù)處理中進(jìn)行整合。

要注意的是，射頻分集信號(hào)的脈沖在經(jīng)過RFPW的預(yù)分選相關(guān)后，會(huì)被分為若干組脈沖序列，而每組脈沖序列都符合常規(guī)信號(hào)的時(shí)域特征，所以在此時(shí)的處理中會(huì)被當(dāng)作常規(guī)信號(hào)，為了后續(xù)的整理合并，要在此時(shí)記錄每個(gè)脈沖序列的首個(gè)脈沖的TOA。

1.1.3.2 重頻參差信號(hào)的提取

多常規(guī)信號(hào)和重頻參差信號(hào)的提取是利用交錯(cuò)脈沖間的間隔的相關(guān)統(tǒng)計(jì)進(jìn)行分選的。需要注意的是，若系統(tǒng)出現(xiàn)倍頻或分頻的情況，一個(gè)常規(guī)信號(hào)的脈沖序列很可能呈現(xiàn)出如參差信號(hào)的序列，這時(shí)，需要對(duì)各個(gè)重復(fù)周期做相關(guān)比對(duì)，以對(duì)錯(cuò)誤進(jìn)行修復(fù)。流程圖如圖9所示。

圖9 參差信號(hào)的PRI的搜索流程圖

1.1.3.3 重頻抖動(dòng)信號(hào)的提取

重頻抖動(dòng)信號(hào)的提取是采用動(dòng)態(tài)容差做相鄰脈沖間的間隔的相關(guān)統(tǒng)計(jì)進(jìn)行分選的，此處所做的時(shí)域模型匹配處理與第1.1.3.1節(jié)中的對(duì)常規(guī)信號(hào)進(jìn)行匹配的內(nèi)容一樣，只是在做重頻相關(guān)統(tǒng)計(jì)時(shí)，將設(shè)置每個(gè)新重頻的重頻相關(guān)容差再與相關(guān)庫(kù)中的重頻作比對(duì)相關(guān)。

1.1.3.4 射頻捷變信號(hào)的提取

射頻捷變信號(hào)的提取是采用對(duì)所有脈沖做射頻容差放大后的射頻相關(guān)。此處所做的時(shí)域模型匹配處理與第1.1.3.1節(jié)中的對(duì)常規(guī)信號(hào)進(jìn)行匹配的內(nèi)容一樣。

1.1.3.5 射頻分集信號(hào)的提取

射頻分集信號(hào)的提取是通過對(duì)單通道信號(hào)庫(kù)中的常規(guī)信號(hào)進(jìn)行規(guī)整合并完成的。圖10為其分解示意圖。

整合規(guī)則：

（1）Δt0＝Δt1＝Δt2（僅得到一個(gè)小周期時(shí)，可合成一個(gè)分集信號(hào)）；

圖10 四分集信號(hào)分解示意圖

（2）當(dāng)?shù)玫?個(gè)小周期時(shí)，找出最小的一個(gè)Δtmin，較大的周期的個(gè)數(shù)只能等于1，若此時(shí)可以滿足：最小的周期×最小周期的個(gè)數(shù)＋較大的周期＝TΔtmin，同樣可合成一個(gè)分集信號(hào)；

（3）當(dāng)?shù)玫?個(gè)或3個(gè)以上的小周期，情況較為復(fù)雜，很可能分集信號(hào)混合了一個(gè)（或幾個(gè)）參數(shù)相同的常規(guī)信號(hào)。

1.2 信號(hào)識(shí)別

信號(hào)識(shí)別是將被測(cè)輻射源信號(hào)參數(shù)與預(yù)先獲得的輻射源庫(kù)中的參數(shù)相比較，以確認(rèn)該輻射源屬性的過程。其主要包括以下內(nèi)容：

（1）輻射源識(shí)別：判別雷達(dá)類型和型號(hào)。

（2）目標(biāo)（載機(jī)、平臺(tái)）識(shí)別：判別目標(biāo)類型與關(guān)聯(lián)的武器系統(tǒng)。

（3）威脅等級(jí)確定：判定輻射源工作模式。

（4）給出識(shí)別置信度。

1.2.1 識(shí)別方法

輻射源識(shí)別的基本過程如圖11所示。

圖11 輻射源識(shí)別原理框圖

由圖11可見，識(shí)別處理是將測(cè)量和分析得到的輻射源描述字與威脅數(shù)據(jù)庫(kù)（輻射源庫(kù)）中已有的輻射源描述字進(jìn)行比較，若它與其中某個(gè)的所有參數(shù)完全吻合（在允許的容差范圍內(nèi)），對(duì)應(yīng)輻射源以較高的置信度被識(shí)別出來(lái)，若它們僅有部分參數(shù)吻合，則識(shí)別該輻射源的置信度較低。

為加快識(shí)別速度，通常將威脅數(shù)據(jù)庫(kù)分成兩部分：

（1）數(shù)據(jù)庫(kù)（任務(wù)庫(kù)）：置于外存貯器中，能提供盡可能全面的敵輻射源信息，存儲(chǔ)雷達(dá)數(shù)千部。

（2）活動(dòng)輻射源文件（臨時(shí)庫(kù)）：本次開機(jī)得到的輻射源數(shù)據(jù)（幾十部至一百多部雷達(dá)）有DOA信息。識(shí)別時(shí)，先將獲得的輻射源描述字與活動(dòng)輻射源文件內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，如果沒有符合的，再到數(shù)據(jù)庫(kù)中查找、比較。

輻射源庫(kù)要利用平時(shí)或戰(zhàn)時(shí)的偵察結(jié)果不斷充實(shí)、更新，以適應(yīng)威脅環(huán)境的不斷變化。

1.2.2 威脅等級(jí)判別

威脅判別主要是對(duì)分離統(tǒng)計(jì)后的數(shù)據(jù)進(jìn)行威脅等級(jí)的判別。威脅等級(jí)的識(shí)別只與雷達(dá)脈沖PRI、脈寬以及雷達(dá)的載頻有關(guān)。PRI低的雷達(dá)信號(hào)，認(rèn)為威脅等級(jí)高；雷達(dá)脈沖的脈寬越小，認(rèn)為威脅等級(jí)越高；雷達(dá)載頻高，認(rèn)為威脅等級(jí)高［3］。先對(duì)各部雷達(dá)的威脅性大小進(jìn)行判定，然后對(duì)各部雷達(dá)威脅等級(jí)進(jìn)行排序，將雷達(dá)按照威脅等級(jí)由高到低順序輸出其參數(shù)。威脅識(shí)別首先將分選出來(lái)的雷達(dá)數(shù)據(jù)與威脅庫(kù)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配，然后將剩余的數(shù)據(jù)進(jìn)行威脅排序。具體流程如下：

（1）將關(guān)聯(lián)處理后的數(shù)據(jù)與已知威脅庫(kù)中數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配，匹配成功的數(shù)據(jù)作上標(biāo)志，未成功的數(shù)據(jù)繼續(xù)進(jìn)行下一步。

（2）對(duì)未作標(biāo)記的數(shù)據(jù)進(jìn)行PRI由小到大排序（對(duì)于復(fù)雜PRI信號(hào)取PRI均值），并按照其在排序結(jié)果中所處的位置給予不同的權(quán)值。

（3）對(duì)未作標(biāo)記的數(shù)據(jù)進(jìn)行PW由小到大排序，并按照其在排序結(jié)果中所處的位置給予不同的權(quán)值。

（4）對(duì)未作標(biāo)記的數(shù)據(jù)進(jìn)行RF由大到小排序（對(duì)于跳頻信號(hào)取RF均值），并按照其在排序結(jié)果中所處的位置給予不同的權(quán)值。

（5）將每組數(shù)據(jù)PRI、PW、RF的權(quán)值分別再乘以不同的權(quán)值，然后求和，對(duì)求和的結(jié)果進(jìn)行排序。

（6）用以上結(jié)果作為威脅等級(jí)排序的結(jié)果。

其中，與已知威脅庫(kù)中的數(shù)據(jù)匹配上的輻射源認(rèn)為威脅等級(jí)最高。

同時(shí)還要對(duì)已知輻射源數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行更新和補(bǔ)充，就是將識(shí)別的雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析并與原有數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行比較，對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中原有雷達(dá)的參數(shù)進(jìn)行更新，同時(shí)將新出現(xiàn)的雷達(dá)信號(hào)補(bǔ)充入數(shù)據(jù)庫(kù)。

信號(hào)識(shí)別的處理流程如圖12所示。

圖12 信號(hào)識(shí)別的處理流程圖

2 結(jié)束語(yǔ)

通過對(duì)基于數(shù)字告警接收機(jī)的多通道雷達(dá)信號(hào)分選與識(shí)別方法的研究和利用雷達(dá)信號(hào)環(huán)境模擬器在暗室進(jìn)行的測(cè)試等相關(guān)工作，充分證明了這種新的處理方法的可行性和技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

［1］趙國(guó)慶.雷達(dá)對(duì)抗原理［M］.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2001.

［2］楊文華，高梅國(guó).基于PRI的雷達(dá)脈沖分選方法［J］.現(xiàn)代雷達(dá)，2005（3）：50－52.

［3］宋小梅，吳濤，倪國(guó)新.基于機(jī)載火控雷達(dá)電子偵察的信號(hào)分選方法［J］.現(xiàn)代雷達(dá)，2010（6）：43－45.