一種抗SDIF分選的脈沖重復(fù)間隔參差設(shè)計方法

張保群

(中國西南電子技術(shù)研究所，成都　610036)

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【信息科學(xué)與控制工程】

一種抗SDIF分選的脈沖重復(fù)間隔參差設(shè)計方法

張保群

(中國西南電子技術(shù)研究所，成都610036)

為提高雷達對電子偵察系統(tǒng)抗分選識別能力，從破壞脈沖重復(fù)間隔(PRI)分選性能的角度出發(fā)，提出了一種雷達信號PRI參差設(shè)計方法。根據(jù)典型的序列差值直方圖(SDIF)算法的工作流程，分析了SDIF實現(xiàn)PRI參差信號分選的關(guān)鍵步驟。合理設(shè)計參差PRI取值，使其滿足一定約束條件，可以破壞正確分選流程，達到分選結(jié)果中目標(biāo)增批的目的。仿真結(jié)果表明，該設(shè)計方法能有效對抗基于SDIF的信號分選策略，可以為雷達信號射頻隱身設(shè)計提供初步的理論指導(dǎo)。

抗分選; PRI參差; 序列差值直方圖；雷達；射頻隱身

電子偵察通過對有源傳感器輻射的電磁信號進行截獲、測量、分選和識別，可以獲取輻射源的技術(shù)參數(shù)、類型、用途和位置等情報信息。電子偵察是實施電子攻擊和電子防護的前提和基礎(chǔ)[1]?，F(xiàn)代電子偵察技術(shù)的快速發(fā)展，對雷達構(gòu)成了越來越大的生存威脅[2]。為提高戰(zhàn)場生存能力，現(xiàn)代雷達也逐漸開始采用一種射頻隱身技術(shù)即對電磁信號特征進行縮減和控制的技術(shù)，典型的技術(shù)措施包括輻射功率控制、低副瓣天線設(shè)計、低截獲概率波形設(shè)計等[3-4]。上述措施的主要著眼點在于降低偵察接收機對雷達信號的截獲概率。實際上，雷達執(zhí)行任務(wù)時通常會遇到各種類型的電子偵察設(shè)備，不可能寄希望于雷達信號永遠不被截獲，因此削弱偵察設(shè)備的分選識別能力應(yīng)成為射頻隱身技術(shù)的另一個關(guān)鍵突破點[5]。

為對抗電子偵察的信號分選功能，目前國內(nèi)學(xué)者已經(jīng)開展了初步研究[6-10]。文獻[6-7]從抗多參數(shù)聚類分選的角度，提出構(gòu)造合適的干擾信號，降低輻射源脈沖聚類的準(zhǔn)確度，以達到避免雷達信號參數(shù)被正確提取的目的。與采用角度、頻率、脈寬等多參數(shù)的聯(lián)合預(yù)分選相比，脈沖重復(fù)間隔(PRI)分選一直以來是信號分選中研究最多、成果最為豐富的方法[11-14]，并且PRI特征是雷達信號最為重要的一維特征，其值往往直接與雷達的屬性、用途和工作方式有關(guān)，PRI特征的正確識別能為情報生成提供可靠的依據(jù)[1,15]。因此，文獻[9-10]側(cè)重從抗PRI分選的角度進行了研究，提出在雷達信號中有規(guī)律地加入干擾脈沖使得累積差值直方圖(CDIF)或PRI變換法等分選算法無法提取真實脈沖序列，從而達到保護雷達PRI參數(shù)的目的。

然而，無論是抗多參數(shù)聚類分選、還是抗PRI分選，上述文獻的主要思路幾乎都是在信號中按一定規(guī)則加入干擾脈沖，達到使得信號分選獲取錯誤或虛假的雷達參數(shù)特征、或者增加分選處理時間的目的。這些策略從理論上來講，抗分選效果是比較明顯的。不過，在實際應(yīng)用中，上述策略具有一定的隨意性，對于雷達信號設(shè)計來說，還不能給出規(guī)范化的、定量的指導(dǎo)；并且，還需要考慮如何保證發(fā)射的干擾脈沖不對雷達自身構(gòu)成干擾。這給雷達信號的設(shè)計帶來了較大的難度。為克服上述問題，本文從雷達信號自身的PRI特征設(shè)計出發(fā)，針對工程中常用的序列差值直方圖(SDIF)分選算法，在盡可能不影響雷達任務(wù)性能的前提下，給出了一種PRI參差定量設(shè)計方法，以達到抗分選目的。

1　基于SDIF的PRI參差信號分選

SDIF和CDIF都屬于TOA差值直方圖分選方法，其思想是依次對各級TOA差值直方圖統(tǒng)計分析和門限檢測，確定可能存在的輻射源PRI，然后根據(jù)這些可能的PRI進行序列搜索，將輻射源脈沖序列提取出來[11,12]。SDIF和CDIF具有算法簡單、對隨機干擾脈沖和脈沖丟失不敏感的特點，可適用于PRI固定、PRI參差和PRI抖動的雷達信號分選，因此在工程中得到了廣泛應(yīng)用[15-17]。

SDIF對CDIF進行了兩方面改進：一、不對不同級的直方圖統(tǒng)計值進行積累，僅檢測當(dāng)前級的直方圖，同時取消了2倍PRI檢測，減少了計算量、提高了處理速度；二、具有最佳的檢測門限，配合子諧波檢測，可以避免PRI諧波可能引起的虛假檢測。本文下面的抗PRI分選設(shè)計，主要針對SDIF算法展開。

PRI參差雷達是采用兩個或兩個以上的PRI，通過順序、重復(fù)地利用PRI集合中的PRI值產(chǎn)生脈沖序列。PRI參差主要用在動目標(biāo)顯示雷達中消除盲速，或在一些搜索雷達中消除模糊[18]。由于PRI參差脈沖序列可看成多個具有相同PRI的常規(guī)脈沖序列的交錯，可以按照適用于PRI固定的分選方法對其進行分選，分選出多個PRI固定的脈沖序列后，如果能識別為同一輻射源的脈沖序列，再合并即可得到PRI參差脈沖序列[1,15]。因此，SDIF和CDIF等直方圖算法，盡管主要是針對PRI固定信號分選提出的，但通過對分選結(jié)果進一步做參差分析，可分選出PRI參差雷達信號[11,16,17]。

下面結(jié)合SDIF算法流程，給出SDIF分選PRI參差信號的原理和步驟。

1.1SDIF分選流程

SDIF的算法流程如圖1所示[12]。

圖1　SDIF算法流程

圖1中SDIF算法主要包括TOA差值直方圖分析和序列搜索兩部分[12]。

TOA差值直方圖分析用于PRI估計，通過對各級TOA差值出現(xiàn)次數(shù)進行直方圖統(tǒng)計，若某一級直方圖中存在過檢測門限的峰值，則將停止更高級別的TOA差值統(tǒng)計，而將峰值對應(yīng)的TOA差值作為可能的PRI估計值。這里，一級TOA差是指任意相鄰脈沖到達時間之差即ti+1-ti(脈沖序號i=1,2,…,N-1,N為脈沖總個數(shù))，對其出現(xiàn)次數(shù)的直方圖統(tǒng)計稱為一級直方圖；二級TOA差是間隔一個脈沖的任意兩個脈沖到達時間之差即ti+2-ti，對其出現(xiàn)次數(shù)的直方圖統(tǒng)計為二級直方圖；其他級別直方圖依次類推。

1.2參差分析

在實際工程中，PRI分選往往是和多參數(shù)聯(lián)合預(yù)分選或聚類是級聯(lián)使用的，即交錯脈沖流先經(jīng)過預(yù)分選，然后再進行PRI主分選。預(yù)分選的結(jié)果是角度、頻率、脈寬等參數(shù)相近的脈沖序列[14,15]。因此，對于PRI參差的雷達信號，采用SDIF進行PRI主分選后，會分選出多部角度、頻率和脈寬相似、PRI值接近且PRI固定的雷達，并且PRI值等于骨架周期即參差信號各子PRI之和[15,16]。根據(jù)這一特點，可以對分選結(jié)果中PRI接近的輻射源脈沖序列合并，按TOA由小到大排序，進行一級直方圖統(tǒng)計。如果能得到多個峰值接近的PRI，并且PRI之和等于骨架周期，則判斷該信號為參差信號，各PRI為參差信號的子PRI[1,16]。具體參差分析流程如圖2所示。

圖2　PRI參差分析流程

2　抗SDIF分選的PRI參差設(shè)計

從上一節(jié)分析可以看到，SDIF分選PRI參差雷達信號的關(guān)鍵步驟為：

步驟1：按PRI固定的分選流程，分選出PRI相近(其值等于骨架周期)的n個PRI固定雷達；

步驟2：對步驟1中的n個PRI接近的雷達脈沖序列進行參差分析。

因此，如果能適當(dāng)設(shè)計參差信號的子PRI取值，使得步驟1中SDIF分選出多部PRI值不相同的雷達，那么就不會進入圖2的參差分析流程，最后導(dǎo)致目標(biāo)增批。鑒于圖 1中SDIF分選又包括TOA差值直方圖分析和序列搜索兩個步驟，要破壞上述步驟1，子PRI取值需使得二級及二級以上直方圖存在對應(yīng)非骨架周期的虛假峰值，并且采用虛假峰值對應(yīng)的PRI能成功進行序列搜索。

通常PRI參差雷達的子PRI個數(shù)為2～7[14]，因此下面主要針對2～7參差脈沖信號，從其各級TOA差值直方圖統(tǒng)計特性入手，給出抗SDIF分選的PRI具體設(shè)計要求。

記PRI參差雷達第i+1個脈沖的到達時間為：

(1)

其中：i=1,2,…,N-1；Tj∈{T1,T2,…,TM}表示第j個子PRI值,M為PRI參差個數(shù)；{T1,T2,…,TM}為參差PRI集合；mod(i,M)表示i對M取余數(shù)。為給出定量設(shè)計規(guī)律，本文要求參差PRI之間呈等間隔遞增關(guān)系(類似PRI滑變的情況[14-15])，即

(2)

其中，Δ>0為恒定的參差增量。

2.1參差信號

對于2參差信號，理想情況下其TOA差值直方圖統(tǒng)計結(jié)果如圖3所示。

圖3　2參差信號TOA差值直方圖

由圖3可以看到，2參差信號的一級直方圖在T1和T2處有兩個等高度的峰值，二級直方圖在骨架周期(即T1+T2)處有唯一峰值。根據(jù)圖 1中SDIF算法流程，若一級直方圖過檢測門限的PRI個數(shù)大于1，不進行序列搜索，進行二級直方圖統(tǒng)計。根據(jù)二級直方圖峰值對應(yīng)的骨架周期進行序列搜索，可挑選出PRI固定且其值等于骨架周期的1部雷達脈沖序列，如圖4所示。剩余脈沖重新進行一級直方圖統(tǒng)計，會在骨架周期處形成唯一的峰值，進而序列搜索后又分選出1部PRI等于骨架周期的雷達。最后，按照圖 2進行參差分析，2部PRI相同的雷達會合并為1部PRI參差的雷達。

圖4　2參差信號序列搜索示意圖

綜上分析，SDIF恒適用于2參差信號分選，即無論如何設(shè)計子PRI即T1和T2的值，都不會影響SDIF對2參差信號的分選性能。

2.2參差信號

對于3參差信號，理想情況下其TOA差值直方圖統(tǒng)計結(jié)果如圖5所示。

圖5　3參差信號TOA差值直方圖

由圖5可以看到，3參差信號的一級直方圖有3個峰值，二級直方圖有3個峰值，三級直方圖在骨架周期處有唯一峰值。根據(jù)SDIF算法流程，若二級直方圖有峰值過門限，按照對應(yīng)的PRI進行序列搜索，則有可能會提取出PRI不等于骨架周期的雷達脈沖序列。具體來說，假設(shè)二級直方圖的3個峰值均過門限，若子PRI滿足：

(3)

根據(jù)圖1中序列搜索原則，當(dāng)以3個峰值值中對應(yīng)的最小PRI即T1+T2進行序列搜索時，則顯然會提取出周期為T1+T2的PRI固定的雷達脈沖序列，如圖6所示。剩余脈沖重新進行一級直方圖統(tǒng)計，會在骨架周期處形成唯一的峰值，序列搜索后又會分選出1部PRI等于骨架周期的雷達。因此，分選結(jié)果目標(biāo)增批。

圖6　3參差信號序列搜索示意圖

綜上分析，為破壞SDIF對3參差信號的分選性能，可以設(shè)計滿足關(guān)系式(3)的子PRI。

2.34～7參差信號

對n(n≥3)參差信號的各級直方圖分析，可以發(fā)現(xiàn)：一般情況下，m(2≤m≤n-1)級直方圖會在任意m個相鄰的子PRI之和處形成峰值，峰值高度幾乎相同、且接近1/n倍的n級直方圖峰值。因此，對于4～7參差信號，采用與3參差信號相同的分析方法，若能合理選取子PRI值，使得SDIF算法根據(jù)2～n-1級直方圖峰值對應(yīng)的不等于骨架周期的PRI進行序列搜索時，能搜索到脈沖序列，就會導(dǎo)致分選結(jié)果中目標(biāo)增批。

綜上，為破壞SDIF對參差信號分選性能，對4～7參差信號，要求子PRI之間呈等間隔遞增關(guān)系，并且參差增量Δ(Δ>0)還需滿足如下條件：

1) 4參差信號：對Δ取值無要求；

2) 5參差信號：Δ=T1/4(2級直方圖峰值對應(yīng)的PRI進行序列搜索時會提取出虛假序列)；

3) 6參差信號：Δ=2T1/3(2級直方圖峰值對應(yīng)的PRI進行序列搜索時會提取出虛假序列)；

4) 7參差信號：Δ需滿足如下條件之一，即

a) Δ=3T1(2級直方圖峰值對應(yīng)的PRI進行序列搜索時會提取出虛假序列)；

b) Δ=T1/9、Δ=T1/3或Δ=T1(3級直方圖峰值對應(yīng)的PRI進行序列搜索時會提取出虛假序列)。

這里需補充說明的是：① 上述抗分選設(shè)計的前提是，二級或二級以上直方圖統(tǒng)計過程中虛假峰值能過檢測門限。從理論上講，檢測門限參數(shù)某些最優(yōu)取值可能會使得僅有骨架周期過檢測門限。然而，實際應(yīng)用中，檢測門限參數(shù)都是根據(jù)經(jīng)驗選取的且需要適用于大部分場景，因此很難保證僅骨架周期過檢測門限。換言之，上述抗分選設(shè)計的前提條件，在大多數(shù)情況下總能得到滿足(參見后文仿真驗證部分)。② 當(dāng)PRI等間隔遞減時，對PRI設(shè)計要求與上述相同(T1為最小子PRI)；③ 上述PRI參差設(shè)計的核心思想是，子PRI取值保證以非骨架周期能成功進行序列搜索，從而導(dǎo)致分選目標(biāo)增批。因此，上述設(shè)計同樣適用于對抗序列搜索[11,19]、CDIF[11]等算法分選。

3　仿真驗證

以雷達信號PRI分別取3參差和5參差的情況為例，對本文設(shè)計方法進行仿真驗證。

仿真參數(shù)設(shè)置：觀測時間20 ms，TOA測量誤差為50 ns，序列搜索容差為1 μs，直方圖PRI分析范圍為0.1～1 000 μs，直方圖統(tǒng)計間隔為0.5 μs。SDIF檢測門限設(shè)置為[13,18]：

(4)

其中：τ為PRI估計值；N為脈沖總數(shù)；B為直方圖上脈沖間隔的最大刻度值，即PRI分析范圍的上限值；C為當(dāng)前直方圖級數(shù)；參數(shù)x和g為常數(shù)，并且0

考慮如下仿真場景：

場景1：3參差信號子PRI取值為T1= 50 μs，T2= 100 μs，T3= 130 μs。

場景2：3參差信號子PRI取值為T1= 50 μs，T2= 100 μs，T3= 150 μs。

場景3：5參差信號子PRI取值為T1= 100 μs，T2= 125 μs，T3= 150 μs，T4= 175 μs，T5= 200 μs。

其中，場景1下PRI不滿足抗分選設(shè)計要求，場景2和場景3下PRI滿足抗分選設(shè)計要求。

不同場景下的直方圖統(tǒng)計結(jié)果見圖7～圖9所示。直方圖統(tǒng)計時為避免TOA測量誤差對峰值的影響，采用文獻[20]中的方法對相鄰直方圖間隔的脈沖個數(shù)進行了合并。

圖7　場景1(3參差)下二級TOA差值直方圖

對于場景1，如圖7所示，二級直方圖在PRI估計值為150.35 μs、180.35 μs、230.35 μs處均有過門限峰值。但由于PRI不滿足抗分選設(shè)計要求，按上述PRI進行序列搜索時，序列搜索不成功，不會提取出PRI不等于骨架周期的脈沖序列。進一步做3級直方圖統(tǒng)計，可提取出骨架周期并成功進行序列搜索，剩余脈沖重新直方圖統(tǒng)計，再進行參差分析。最終，分選現(xiàn)象為正確分選，分選結(jié)果有唯一目標(biāo)：

目標(biāo)1，PRI參差雷達，子PRI分別為50.35 μs、100.35 μs、130.35 μs。

圖8　場景2(3參差)下二級TOA差值直方圖

對于場景2，如圖8所示，二級直方圖在PRI估計值為150.35 μs、200.35 μs和250.35 μs處均有過門限峰值。由于PRI滿足抗分選設(shè)計要求，分別以上述PRI值進行序列搜索時，可以成功提取出PRI為150.35μs的脈沖序列。剩余脈沖重新直方圖統(tǒng)計，按SDIF分選流程，又以新的重復(fù)間隔提取出1個PRI固定的脈沖序列。最終，分選現(xiàn)象為雷達PRI類型及參數(shù)估計出錯、目標(biāo)增批，具體分選結(jié)果為：

目標(biāo)1：PRI固定雷達，PRI為150.35 μs；

目標(biāo)2：PRI固定雷達，PRI為300.35 μs。

對于場景3，如圖9所示，二級直方圖在PRI估計值為225.35 μs、275.35 μs、300.35 μs、325.35 μs和375.35 μs處均有過門限峰值。由于PRI滿足抗分選設(shè)計要求，分別以上述PRI值進行序列搜索時，可以成功提取出PRI為375.35 μs的脈沖序列。剩余脈沖重新直方圖統(tǒng)計，按SDIF分選流程，又提取出1個PRI參差的脈沖序列。最終，分選現(xiàn)象為雷達PRI類型及參數(shù)估計出錯、目標(biāo)增批，具體分選結(jié)果為：

目標(biāo)1：PRI固定雷達，PRI為375.35 μs;

目標(biāo)2：PRI參差雷達，子PRI分別為125.35 μs、325.35 μs、300.35 μs。

圖9　場景3(5參差)下二級TOA差值直方圖

4　結(jié)論

本文提出的抗分選方法，不需要額外設(shè)計干擾脈沖，具有實現(xiàn)簡單、更便于工程應(yīng)用的優(yōu)點；該方法同樣適用于抗序列搜索、CDIF等算法分選。值得指出的是，在實際中，雷達參差PRI的取值很大程度上還由雷達任務(wù)性能決定，而本文主要是從抗信號分選的角度，對雷達參差PRI設(shè)計提出了定量約束。本文工作的意義在于，在不影響雷達任務(wù)性能的前提下，為如何進行一步優(yōu)化PRI參數(shù)以達到射頻隱身的目的提供了初步的理論參考。

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(責(zé)任編輯楊繼森)

A Design Method of PRI Stagger Countering the SDIF Sorting Algorithm

ZHANG Bao-qun

(Southwest China Institute of Electronic Technology, Chengdu 610036, China)

To improve the anti-sorting and anti-recognition ability of radars against electronic reconnaissance systems, a design method of PRI stagger for radar signals was proposed based on the idea of destroying the performance of sorting with the pulse repetition interval (PRI). The working process of a typical PRI sorting algorithm, the sequential difference histogram (SDIF) was analyzed, and some critical steps were discussed. It is revealed that, when the staggered PRI values are chosen properly under some contracts, the correct sorting processing can be destroyed, as a result, more than one targets appear in the sorting results. Simulation results show that, the presented design is effective during countering the signal sorting based on the SDIF, therefore it provides a preliminary theoretical guidance for the radio frequency stealth design of radar signals.

anti-sorting; PRI stagger; sequential difference histogram; radar; radio frequency stealth

2016-05-02；

2016-05-25

張保群(1983—)，男，博士，工程師，主要從事電子偵察、射頻隱身等研究。

10.11809/scbgxb2016.09.021

format:ZHANG Bao-qun.A Design Method of PRI Stagger Countering the SDIF Sorting Algorithm[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(9):87-91.

TN973

A

2096-2304(2016)09-0087-06

本文引用格式：張保群.一種抗SDIF分選的脈沖重復(fù)間隔參差設(shè)計方法[J].兵器裝備工程學(xué)報，2016(9):87-91.