一種雷達(dá)輻射源時(shí)域相參識(shí)別的新方法*

郭利榮，何明浩，郁春來，王冰切

(空軍預(yù)警學(xué)院，湖北 武漢　430019)

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一種雷達(dá)輻射源時(shí)域相參識(shí)別的新方法*

郭利榮，何明浩，郁春來，王冰切

(空軍預(yù)警學(xué)院，湖北 武漢430019)

摘要：提出了一種雷達(dá)輻射源時(shí)域相參識(shí)別的新方法，通過判斷鑒相脈沖幅度的變化來識(shí)別信號(hào)的相參性。對(duì)時(shí)域識(shí)別法的原理進(jìn)行了分析，給出了時(shí)域識(shí)別法的數(shù)學(xué)推導(dǎo)和具體的識(shí)別步驟，并通過仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)推導(dǎo)結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。此外，討論了信噪比對(duì)時(shí)域識(shí)別法的影響，并給出時(shí)域識(shí)別法的適用條件。仿真結(jié)果表明，該方法在較低信噪比情況下可以實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)相參性的識(shí)別，具有較強(qiáng)的理論價(jià)值。

關(guān)鍵詞：相參信號(hào)；時(shí)域識(shí)別法；鑒相；信噪比

0引言

雷達(dá)輻射源信號(hào)分選是偵察設(shè)備中信號(hào)處理的關(guān)鍵過程，其分選水平是衡量偵察設(shè)備技術(shù)先進(jìn)程度的重要標(biāo)志。日益復(fù)雜的信號(hào)環(huán)境，不斷涌現(xiàn)的新型復(fù)雜體制雷達(dá)，多變快變的信號(hào)形式，對(duì)信號(hào)分選提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。因此，挖掘新的信號(hào)分選特征參數(shù)，實(shí)現(xiàn)高效準(zhǔn)確的信號(hào)分選是當(dāng)前的關(guān)鍵所在[1-2]。

文獻(xiàn)[3]中介紹了單信道、多信道和時(shí)域識(shí)別的3種脈沖多普勒(pulse Doppler,PD)雷達(dá)信號(hào)相參性識(shí)別方法，對(duì)3種方法都未給出具體的識(shí)別步驟。文獻(xiàn)[4]中研究通過將脈沖延時(shí)后，與下一個(gè)脈沖進(jìn)行鑒相處理，來識(shí)別信號(hào)的相參性，并給出了部分仿真結(jié)果，但未給出具體的判別步驟。文獻(xiàn)[5]在文獻(xiàn)[4]的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，提出了新的相干檢波法，但未給出仿真結(jié)果。文獻(xiàn)[6]通過檢測(cè)脈沖信號(hào)相位與時(shí)間的線性關(guān)系來識(shí)別信號(hào)的相參性，但是未對(duì)混合信號(hào)的相參性進(jìn)行識(shí)別。文獻(xiàn)[7]提出了求和曲線斜率判別法，實(shí)現(xiàn)了信號(hào)的相參性識(shí)別，但未給出具體的判別過程。

針對(duì)以上文獻(xiàn)中存在的問題，本文提出了一種雷達(dá)輻射源時(shí)域相參識(shí)別的新方法，即信號(hào)相參性時(shí)域識(shí)別方法。通過對(duì)脈沖信號(hào)進(jìn)行鑒相處理，根據(jù)鑒相器輸出的鑒相脈沖幅度的變化來識(shí)別信號(hào)的相參性，給出了仿真結(jié)果、具體的判別步驟以及適用條件。這為補(bǔ)充新的分選特征參數(shù)和研究信號(hào)分選新技術(shù)奠定了理論基礎(chǔ)。

1相參脈沖串信號(hào)的數(shù)學(xué)模型

雷達(dá)輻射源發(fā)射的相參脈沖信號(hào)，經(jīng)接收機(jī)的帶通濾波、下變頻后得到中頻信號(hào)，對(duì)各脈沖進(jìn)行采樣可得到

(1)

n=0,1,…,N-1;p=0,1,…,P-1，

式中：Ap為第p個(gè)脈沖的幅度；φ0為整個(gè)觀察期間恒定的初始相位；f為信號(hào)的頻率；Kp為第p個(gè)脈沖的起始采樣點(diǎn)；ts為采樣間隔；N為每個(gè)脈沖內(nèi)的信號(hào)采樣點(diǎn)數(shù)；υ為復(fù)高斯白噪聲，滿足[8]：

(2)

2信號(hào)相參性的時(shí)域識(shí)別法

雷達(dá)輻射源發(fā)射的相參脈沖串信號(hào)是指前后脈沖的相位保持連續(xù)性。如果脈沖i和脈沖j來自于同一雷達(dá)輻射源，則脈沖i和脈沖j是相參的，即發(fā)射脈沖i和脈沖j的雷達(dá)輻射源的初始相位相同。如果脈沖i和脈沖j來自于不同雷達(dá)輻射源，則脈沖i和脈沖j是非相參的，即發(fā)射脈沖i和脈沖j的雷達(dá)輻射源的初始相位不相同[7,9]。基于相參信號(hào)的這一特征，提出了一種采用鑒相器來識(shí)別信號(hào)相參性的時(shí)域識(shí)別法。

2.1時(shí)域識(shí)別法的原理

鑒相器是利用雙平衡混頻器的特性反映信號(hào)間的相位關(guān)系，信號(hào)相參性時(shí)域識(shí)別法就是利用鑒相器的這一特點(diǎn)，其主要由功率分配器、延時(shí)線、混頻器以及低通濾波器構(gòu)成。信號(hào)相參性時(shí)域識(shí)別法的原理如圖1所示。

圖1　時(shí)域識(shí)別法的原理框圖Fig.1　Principle structure of the time domain　　　recognition method

信號(hào)相參性時(shí)域識(shí)別法的原理[3]：將偵察接收到的脈沖信號(hào)，輸入到鑒相器的功率分配器，經(jīng)過功率分配器分成2路信號(hào)，一路信號(hào)直接進(jìn)入混頻器，另一路信號(hào)經(jīng)過信號(hào)延遲線后(延遲時(shí)間為Δ等于一個(gè)脈沖重復(fù)間隔)進(jìn)入混頻器，兩信號(hào)混頻后輸入低通濾波器，濾除2πft項(xiàng)和高頻分量，最后輸出鑒相脈沖幅度。

2.2鑒相器輸出鑒相脈沖幅度

假設(shè)輸入的第i個(gè)脈沖信號(hào)的表示為

(3)

延時(shí)Δ造成的附加相位為[10-11]

θ=2πfΔ.

(4)

(5)

由于延遲時(shí)間Δ等于一個(gè)脈沖重復(fù)間隔，因此下一路信號(hào)到達(dá)混頻器時(shí)，上一路信號(hào)為

(6)

式(5)和式(6)S中2路信號(hào)進(jìn)入混頻器，進(jìn)行共軛相乘運(yùn)算，得到的信號(hào)為

(7)

(8)

由式(8)可知，新的噪聲項(xiàng)導(dǎo)致信噪比比原始信號(hào)減小了4倍(大約6 dB)。

(9)

2.3信號(hào)相參性識(shí)別

（151）石生耳葉苔 Frullania inflata Gottsche，Syn.熊源新等（2006）；楊志平（2006）；范苗等（2017）

對(duì)于相參的脈沖串信號(hào)，其各個(gè)脈沖的初始相位均相同[6]，滿足φi-φi+1=0。因此，利用時(shí)域識(shí)別法輸出的鑒相脈沖幅度的實(shí)部為

(10)

式中：輸出的鑒相脈沖幅度只與A0，θ和υ′有關(guān)，A0和θ為定值，υ′為噪聲組合項(xiàng)。因此，輸出的P-1個(gè)鑒相脈沖幅度近似相同，P為輸入脈沖個(gè)數(shù)。

(11)

綜合以上分析，信號(hào)相參性時(shí)域識(shí)別法的具體實(shí)現(xiàn)步驟如下：

Step 1： 將偵察接收到的P個(gè)脈沖信號(hào)輸入鑒相器中，得到P-1個(gè)鑒相脈沖幅度值。

Step 2： 判斷鑒相器輸出的P-1個(gè)鑒相脈沖幅度值的變化情況。

Step 3： 對(duì)Step 2中的判別結(jié)果進(jìn)行分析，若P-1個(gè)鑒相脈沖幅度近似相同，則輸入的脈沖信號(hào)是相參的；若P-1個(gè)鑒相脈沖幅度隨機(jī)變化的，則輸入的脈沖信號(hào)是非相參的。

信號(hào)相參性時(shí)域識(shí)別法的具體判別流程如圖2所示。

圖2　識(shí)別法的流程圖Fig. 2　Process of identification method

3信號(hào)相參性時(shí)域識(shí)別的仿真分析

3.1相參信號(hào)與非相參信號(hào)的識(shí)別

圖3　相參信號(hào)識(shí)別的仿真結(jié)果Fig.3　Simulation result of coherent signal recognition

圖4　非相參信號(hào)識(shí)別的仿真結(jié)果Fig. 4　 Simulation result of no-coherent　　　signal recognition

從圖3中，可以看出相參脈沖信號(hào)鑒相脈沖幅度在0.4～0.6微小范圍內(nèi)波動(dòng)，近似認(rèn)為相同。其中由于噪聲項(xiàng)的影響，導(dǎo)致鑒相脈沖幅度的曲線有微小的波動(dòng)。從圖4中可以看出，非相參信號(hào)的鑒相脈沖幅度在-0.5～0.6較大范圍內(nèi)隨機(jī)變化。因此，從仿真結(jié)果中可以得到這樣的結(jié)論，利用時(shí)域識(shí)別法可以有效識(shí)別信號(hào)的相參與非相參特性。

3.2混合脈沖信號(hào)的識(shí)別

對(duì)于一串混合脈沖信號(hào)，既有相參信號(hào)也有非相參信號(hào)，利用時(shí)域識(shí)別法對(duì)混合脈沖信號(hào)進(jìn)行相參性的識(shí)別。

圖5　混合脈沖信號(hào)識(shí)別的仿真結(jié)果Fig.5　Simulation result of compounded pulse　　　signal recognition

從圖5的仿真曲線中可以看出，鑒相器輸出前40個(gè)鑒相脈沖幅度隨機(jī)變化較大，鑒相器輸出中間79個(gè)鑒相脈沖幅度在微小的范圍內(nèi)波動(dòng)，鑒相器輸出最后80個(gè)鑒相脈沖幅度隨機(jī)變化較大，這一仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)假設(shè)相吻合。因此，混合脈沖信號(hào)的仿真結(jié)果，進(jìn)一步驗(yàn)證了信號(hào)相參性時(shí)域識(shí)別法是可行的。

3.3信噪比對(duì)信號(hào)相參性識(shí)別的影響

3.1和3.2節(jié)都是在信噪比為10 dB的條件下進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。其中噪聲項(xiàng)對(duì)脈沖鑒相幅度有一定的影響，有可能脈沖鑒相幅度隨機(jī)變化是由于噪聲項(xiàng)引起的，從而對(duì)信號(hào)的相參性誤判。因此，為了觀察信噪比對(duì)信號(hào)相參性時(shí)域識(shí)別法的影響，研究了不同信噪比下對(duì)時(shí)域識(shí)別方法的適用性進(jìn)行驗(yàn)證。

3.3.1不同信噪比下信號(hào)的鑒相脈沖幅度

圖6　不同信噪比下相參信號(hào)的鑒相脈沖幅度Fig.6　Phase pulse amplitude of coherent　　　signal under different SNR

圖7　不同信噪比下非相參信號(hào)的鑒相脈沖幅度Fig.7　Phase pulse amplitude of un-coherent　　　signal under different SNR

圖6和圖7給出了不同信噪比下相參與非相參脈沖信號(hào)鑒相幅度仿真曲線。對(duì)于圖6中的仿真結(jié)果，在信噪比為0 dB時(shí)，鑒相脈沖幅度在0.4～1.0較大范圍內(nèi)隨機(jī)變化，無法判別鑒相脈沖幅度隨機(jī)變化是由于噪聲項(xiàng)的影響還是因?yàn)樾盘?hào)是非相參的。因此，信噪比為0 dB時(shí)無法利用時(shí)域法識(shí)別信號(hào)的相參性。隨著信噪比的增加，相參脈沖信號(hào)鑒相脈沖幅度的變化范圍逐漸變小，可認(rèn)為鑒相脈沖幅度近似相同。對(duì)于圖7中的仿真結(jié)果，可以看出隨著信噪比的增加，非相參脈沖信號(hào)鑒相脈沖幅度的隨機(jī)變化范圍逐漸變小。因此，噪聲是影響信號(hào)相參性時(shí)域識(shí)別法的重要因素。

3.3.2信號(hào)相參性識(shí)別準(zhǔn)確性

為了找到信號(hào)相參性時(shí)域識(shí)別法的適用條件，經(jīng)過多次計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)，將鑒相脈沖幅度的均方誤差0.2作為信號(hào)相參性識(shí)別的一個(gè)閾值。當(dāng)鑒相脈沖幅度的均方誤差≤0.2時(shí)，識(shí)別為相參信號(hào)，否則，識(shí)別為非相參信號(hào)。實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置同第1小節(jié)。不同信噪比下信號(hào)相參性識(shí)別的準(zhǔn)確性如圖8所示。

圖8　不同信噪比下信號(hào)相參性識(shí)別的準(zhǔn)確性Fig. 8　Recognition accuracy of signal coherency　　　under different SNR

從圖8可以看出，隨著信噪比的增加，信號(hào)相參性識(shí)別的準(zhǔn)確率逐漸增加，在信噪比大于5 dB時(shí)，信號(hào)相參性識(shí)別的準(zhǔn)確率為100%。因此，信噪比5 dB可以作為信號(hào)相參性時(shí)域識(shí)別法的一個(gè)適用條件。

4結(jié)束語

本文研究了一種信號(hào)相參性時(shí)域識(shí)別方法，推導(dǎo)了時(shí)域識(shí)別法的數(shù)學(xué)過程，給出了時(shí)域識(shí)別法的具體判別步驟，并對(duì)相參與非相參脈沖信號(hào)以及混合脈沖信號(hào)的識(shí)別進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)與分析，最后分析了信噪比對(duì)時(shí)域識(shí)別法的影響，并給出時(shí)域識(shí)別法的適用條件。所研究的時(shí)域識(shí)別法可以在低信噪比情況下實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)相參性的識(shí)別，這補(bǔ)充了信號(hào)分選的特征參數(shù)，為今后研究信號(hào)分選的新方法新技術(shù)提供了理論依據(jù)。

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New Time Domain Coherent Method of Radar Emitter Recognition

GUO Li-rong, HE Ming-hao, YU Chun-lai, WANG Bing-qie

(Air Force Early Warning Academy,Hubei Wuhan 430019,China)

Abstract:Based on judging the change of phase detecting pulse amplitude, a new radar emitter signal coherency recognition method under the time domain is proposed to deal with pulse signals. The theory of the recognition method is analyzed. The math process and specific recognition steps of the method are analyzed. The influence of signal-to-noise ratio for the recognition algorithm is discussed and the suitable conditions are presented. Simulation results of the method can effectively identify the coherency of signals under the low signal-to-noise ratio. The method has strong theoretical value.

Key words:coherent signal; time domain recognition method; phase detect; signal-to-noise ratio (SNR)

中圖分類號(hào)：TN971

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1009-086X(2015)-01-0108-06

doi:10.3969/j.issn.1009-086x.2015.01.018

通信地址：430019湖北省武漢市江岸區(qū)黃浦大街288號(hào)空軍預(yù)警學(xué)院研究生管理大隊(duì)21隊(duì)E-mail：guolirongs@163.com

作者簡(jiǎn)介：郭利榮(1988-)，男，福建建甌人。碩士生，研究方向?yàn)殡娮訉?duì)抗信息處理。

收稿日期：2013-12-17；
修回日期：2014-02-17