一種基于雙平臺(tái)信號(hào)協(xié)同分選處理的設(shè)計(jì)方法

王星宇，丁興軍

(中國船舶重工集團(tuán)公司第723研究所，揚(yáng)州 225001)

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一種基于雙平臺(tái)信號(hào)協(xié)同分選處理的設(shè)計(jì)方法

王星宇，丁興軍

(中國船舶重工集團(tuán)公司第723研究所，揚(yáng)州 225001)

電磁信號(hào)環(huán)境日趨復(fù)雜，傳統(tǒng)單平臺(tái)信號(hào)分選對(duì)脈沖數(shù)極少的慢掃雷達(dá)以及相控陣?yán)走_(dá)分選較為困難。提出了一種基于雙平臺(tái)的協(xié)同分選信號(hào)處理方法，有效地彌補(bǔ)了傳統(tǒng)信號(hào)分選上的不足，并針對(duì)脈沖數(shù)極少的慢掃雷達(dá)以及相控陣?yán)走_(dá)信號(hào)提出了相應(yīng)的分選、融合、跟蹤方法。

雙平臺(tái)；信號(hào)分選；相控陣；信號(hào)處理

0 引 言

電子戰(zhàn)(EW)信號(hào)分選，是偵收外界電磁環(huán)境，測(cè)出各信號(hào)的載波頻率(RF)、到達(dá)角(DOA)、脈沖幅度(PA)、脈沖寬度(PW)及到達(dá)時(shí)間(TOA)等,即脈沖描述字(PDW)[1]。對(duì)隨機(jī)交疊的脈沖運(yùn)用各種算法進(jìn)行實(shí)時(shí)去交錯(cuò)，并形成脈沖輻射源序列跟蹤表，提取出每個(gè)輻射源的脈沖序列，分析輻射源的輻射特性，得到輻射源的特征參數(shù)。一般信號(hào)分選都是在單平臺(tái)架構(gòu)下，利用平臺(tái)的前端設(shè)備，測(cè)出PDW參數(shù)來進(jìn)行實(shí)時(shí)信號(hào)分選，提取出特征參數(shù)來進(jìn)行雷達(dá)信號(hào)識(shí)別。

隨著目前電子對(duì)抗領(lǐng)域的信號(hào)環(huán)境日趨復(fù)雜，高占空比、高重頻、猝發(fā)信號(hào)、相控陣體制等特殊體制的雷達(dá)信號(hào)日益增多，在脈沖疊加、反射、丟失概率較多、參數(shù)空間嚴(yán)重混疊的大環(huán)境下，不可避免地會(huì)造成測(cè)量錯(cuò)誤，為了對(duì)付一些脈沖數(shù)極少的慢掃雷達(dá)和相控陣體制雷達(dá)，單平臺(tái)信號(hào)分選就會(huì)將規(guī)律的反射信號(hào)和測(cè)量錯(cuò)誤的信號(hào)分選出來，造成虛警。如何提高在這種環(huán)境下信號(hào)的實(shí)時(shí)處理能力，已經(jīng)成了現(xiàn)代電子戰(zhàn)信號(hào)分選急需解決的問題。

1 傳統(tǒng)單平臺(tái)信號(hào)分選的不足

傳統(tǒng)單平臺(tái)信號(hào)分選的不足包括：

(1) 傳統(tǒng)信號(hào)分選是基于常規(guī)雷達(dá)典型脈沖重復(fù)周期(PRI)模型工作樣式序列來進(jìn)行雷達(dá)特征提取的。典型的常規(guī)雷達(dá)信號(hào)的PRI都具有一定的規(guī)律，常規(guī)雷達(dá)信號(hào)的PRI模型如圖1所示，包含固定PRI、參差PRI、抖動(dòng)PRI、滑變PRI等，它們的特征是PRI為一非時(shí)變的確定性常數(shù)，單平臺(tái)信號(hào)分選可以通過其到達(dá)時(shí)間(TOA)的序列做直方圖統(tǒng)計(jì)而得出雷達(dá)的信號(hào)特征。而隨著現(xiàn)代雷達(dá)的不斷改進(jìn)，出現(xiàn)了一些特殊的脈沖數(shù)極少的慢掃雷達(dá)和雷達(dá)脈沖參數(shù)隨機(jī)可變的相控陣體制雷達(dá)，這些雷達(dá)信號(hào)所含信號(hào)脈沖數(shù)很少且其他參數(shù)也沒有相關(guān)性，這就需要大量的雷達(dá)信號(hào)脈沖數(shù)做積累，否則在密集環(huán)境下進(jìn)行分選時(shí)，分選脈沖數(shù)條件過低，會(huì)造成分選出的雷達(dá)特征可信度大量地降低，造成嚴(yán)重的虛警。而分選脈沖數(shù)條件過高，則會(huì)造成漏警。而雙平臺(tái)下，雷達(dá)的截獲概率得到了提高，脈沖數(shù)變多，積累分選的時(shí)間更短，可以更加滿足實(shí)時(shí)分選的要求。

圖1 常規(guī)雷達(dá)信號(hào)的PRI模型

(2) 在密集環(huán)境下，由于前端接收機(jī)存在著丟失概率問題，以及外界環(huán)境中存在大量的反射信號(hào)，會(huì)造成單平臺(tái)下的信號(hào)分選出現(xiàn)增批現(xiàn)象。特別是對(duì)于脈沖數(shù)少的慢掃雷達(dá)以及雷達(dá)脈沖參數(shù)隨機(jī)可變的相控陣體制雷達(dá)，由于參數(shù)多數(shù)屬于相參體制，會(huì)造成前端信號(hào)測(cè)出的參數(shù)錯(cuò)誤率提高，再加上反射信號(hào)，分選可信度大大降低。 而雙平臺(tái)下，針對(duì)同一部雷達(dá)，每個(gè)平臺(tái)測(cè)錯(cuò)的概率不一樣，反射信號(hào)的特征也不一樣，可以通過雙平臺(tái)到達(dá)時(shí)間的時(shí)序來綜合判斷是否是測(cè)錯(cuò)信號(hào)和反射信號(hào)，這可以極大地提高信號(hào)特征的可信度。

2 雙平臺(tái)信號(hào)分選框架及原理介紹

雙平臺(tái)是指2個(gè)獨(dú)立的單物理平臺(tái)(圖2)，相隔一定的距離，其中一個(gè)平臺(tái)可以定義為主平臺(tái)，另一平臺(tái)定義為從平臺(tái)。主平臺(tái)包括信號(hào)分選模塊和關(guān)聯(lián)協(xié)同分選模塊，從平臺(tái)只包括信號(hào)分選模塊。這2個(gè)平臺(tái)，3個(gè)模塊之間的數(shù)據(jù)交互全部通過光纖進(jìn)行。雙平臺(tái)信號(hào)分選工作流程：信號(hào)分選模塊通過各自空間分離配置平臺(tái)上的設(shè)備前端，同時(shí)對(duì)外部雷達(dá)信號(hào)進(jìn)行分選處理，已處理的信號(hào)結(jié)果通過光纖直接送后端顯示，未處理、剩余的{PDW}送往關(guān)聯(lián)協(xié)同處理器再進(jìn)行信號(hào)分選融合，并將融合結(jié)果直接送后端顯示。

圖2 雙平臺(tái)物理模型

圖3所示為雙平臺(tái)信號(hào)分選的框架示意圖。平臺(tái)1和平臺(tái)2通過各自空間上前端接收下來的原始{PDW1}和{PDW2}完成傳統(tǒng)信號(hào)分選，送出輻射源信息掃描字EDW1和EDW2到后端顯示，同時(shí)將一些已分選出來的常規(guī)雷達(dá)體制信號(hào)的脈沖進(jìn)行分離濾除，剩余脈沖{PDW1}和{PDW2}則打入到關(guān)聯(lián)協(xié)同處理模塊來完成對(duì)特殊體制雷達(dá)信號(hào)的分選和跟蹤。這種雙平臺(tái)架構(gòu)綜合利用了傳統(tǒng)信號(hào)分選的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也通過新的分選方法來極大地改善一些特殊體制雷達(dá)信號(hào)的分選。

圖3 雙平臺(tái)模型信號(hào)分選框架示意框圖

原理圖見圖4，在高密度、脈沖疊加多、丟失概率大的環(huán)境下，利用單平臺(tái)傳統(tǒng)信號(hào)分選的特點(diǎn)，通過直方圖或者序列搜索等主流算法，將常規(guī)體制雷達(dá)信號(hào)分選出來，直接送往后端顯示控制模塊，同時(shí)將已分選的常規(guī)體制雷達(dá)信號(hào)進(jìn)行濾除，剩余的{PDW}脈沖送往關(guān)聯(lián)處理模塊,根據(jù)脈沖數(shù)極少帶猝發(fā)性質(zhì)的雷達(dá)和相控陣體制的雷達(dá)特性，以及雙平臺(tái)下雷達(dá)的時(shí)序關(guān)系，進(jìn)行分選融合跟蹤和抗增批處理。

圖4 雙平臺(tái)模型下信號(hào)分選原理圖

3 雙平臺(tái)下2類特殊體制雷達(dá)信號(hào)分選方法

首先經(jīng)過雙平臺(tái)各自傳統(tǒng)信號(hào)分選，常規(guī)雷達(dá)信號(hào)被分選出，并分流濾除，外界環(huán)境密度被稀釋，剩余的脈沖{PDW}帶著各自平臺(tái)的經(jīng)緯度信息送到關(guān)聯(lián)協(xié)同處理平臺(tái)，這些脈沖{PDW}都是不符合傳統(tǒng)信號(hào)分選規(guī)律漏下來的特殊體制的雷達(dá)信號(hào)脈沖，有針對(duì)性地利用雙平臺(tái)時(shí)域上的關(guān)聯(lián)特性以及特殊體制雷達(dá)的工作特征來進(jìn)行信號(hào)分選融合。

(1) 針對(duì)脈沖數(shù)特別少的慢掃雷達(dá)特征的分選。它的特征多數(shù)屬于低截獲概率(LPI)雷達(dá)，在頻域上變化很小。通過圖5雙平臺(tái)下雷達(dá)輻射物理模型可以得出，2個(gè)平臺(tái)間的距離d是一定的，雷達(dá)主瓣從平臺(tái)1站掃到平臺(tái)2站所需的時(shí)間也是一定的，可以利用雙平臺(tái)的{PDW}參數(shù)，按照載頻(RF)參數(shù)進(jìn)行方盒聚類預(yù)分選，以到達(dá)時(shí)間排序建立雙站的時(shí)序關(guān)系圖(見圖6)。

圖5 雙平臺(tái)模型下雷達(dá)輻射物理模型

圖6 雙平臺(tái)模型下脈沖數(shù)稀少的慢掃雷達(dá)時(shí)序關(guān)系

平臺(tái)1和平臺(tái)2的掃描包絡(luò)是成組成對(duì)出現(xiàn)的，PRI是雷達(dá)的重頻特征，tw代表雷達(dá)主瓣從平臺(tái)1掃到平臺(tái)2所需要的時(shí)間，與圖5中雷達(dá)天線的掃描轉(zhuǎn)速ω和雙平臺(tái)之間距離d有關(guān)，ts代表雷達(dá)天線的掃描周期。這2個(gè)時(shí)間值相對(duì)于雷達(dá)來說是一個(gè)恒定值，平臺(tái)1和平臺(tái)2每個(gè)天線包絡(luò)內(nèi)的脈沖個(gè)數(shù)很少，PRI特征不太明顯。但是由于PRI的時(shí)間量級(jí)和tw、ts的時(shí)間量級(jí)相差很大，可以將雷達(dá)天線里的一個(gè)掃描包絡(luò)比作一個(gè)到達(dá)脈沖，PRI暫忽略不計(jì)，既而首先在時(shí)序上通過tw、ts雙門限的序列差分直方圖(SDIF)或者累積差分直方圖(CDIF)算法，求出tw、ts的值和其對(duì)應(yīng)關(guān)系。然后再通過截取的包絡(luò)進(jìn)行PRI差值累計(jì)，分析出雷達(dá)PRI特征，加上雙平臺(tái)包絡(luò)成對(duì)的特征做抗增批處理后，最后將此雷達(dá)的特征值輔以方位值(二維集合的方式，θAOA∈(θ1,θ2))，將其送往融合跟蹤模塊做再次確認(rèn)。

(2) 針對(duì)相控陣體制特性的雷達(dá)特征的分選。通過分析出頻域穩(wěn)定的脈沖數(shù)少的慢掃雷達(dá)后，余下的{PDW}脈沖全部歸并到一個(gè)時(shí)序通道里進(jìn)行分析，這些剩下的脈沖經(jīng)過常規(guī)體制雷達(dá)的分選濾波，再加上慢掃雷達(dá)脈沖的分流濾波，密度上進(jìn)一步稀釋，時(shí)域和頻域上的關(guān)系越來越清晰，這時(shí)候通過分析相控陣體制的雷達(dá)特性給出特征值。首先，相控陣體制的雷達(dá)波束指向是靈活可變的，而傳統(tǒng)機(jī)械掃描雷達(dá)的雷達(dá)波束只能隨著雷達(dá)天線的機(jī)械旋轉(zhuǎn)而掃描，而且相控陣體制雷達(dá)在工作過程中發(fā)出的脈沖在搜索時(shí)間和跟蹤時(shí)間會(huì)隨時(shí)改變，因此收到的脈沖串之間的間隔也在隨著改變，這也是與傳統(tǒng)雷達(dá)很大的不同點(diǎn)[2]。 相控陣?yán)走_(dá)搜索和跟蹤方式下多波束產(chǎn)生的示意圖見圖7。

圖7 相控陣體制搜索和跟蹤方式多波束產(chǎn)生示意圖

當(dāng)相控陣體制雷達(dá)處于掃描狀態(tài)時(shí)，它可以通過時(shí)間分割原理，在一個(gè)雷達(dá)信號(hào)重復(fù)周期內(nèi)，順序地向不同目標(biāo)發(fā)射波束，來達(dá)到搜索的目的;當(dāng)處于跟蹤多目標(biāo)狀態(tài)時(shí)，它可以根據(jù)跟蹤目標(biāo)的多、少、遠(yuǎn)、近或者重要程度，在一個(gè)最長(zhǎng)的重復(fù)周期跟蹤信號(hào)波形內(nèi)，即數(shù)據(jù)率最低的跟蹤信號(hào)重復(fù)周期內(nèi)，順序地向?qū)?yīng)的目標(biāo)發(fā)射信號(hào)來進(jìn)行跟蹤。它的特征在于在一個(gè)雷達(dá)信號(hào)重復(fù)周期以內(nèi)，雷達(dá)的波束指向是快速、順序地切向不同的跟蹤目標(biāo)， 這樣可以通過雙平臺(tái)的特點(diǎn)，將雙平臺(tái)的{PDW}進(jìn)行到達(dá)時(shí)間排序，建立雙站的時(shí)序關(guān)系圖，如圖8所示。

圖8 雙平臺(tái)模型下相控陣體制雷達(dá)時(shí)序關(guān)系

圖8中 ，tPRI1-n代表平臺(tái)1{PDW}的重頻關(guān)系，tPRI2-n代表平臺(tái)2{PDW}的重頻關(guān)系，由于相控陣體制的參數(shù)隨機(jī)性，tPRI1-n和tPRI2-n沒有穩(wěn)定的特征，tbn代表雷達(dá)重復(fù)周期跟蹤信號(hào)波形內(nèi)的波束切換時(shí)間，跟雷達(dá)對(duì)目標(biāo)特性的設(shè)置有關(guān)，與雷達(dá)重復(fù)周期的值在單位數(shù)量級(jí)上有區(qū)別。AP1和AP2代表相控陣體制雷達(dá)對(duì)平臺(tái)1和平臺(tái)2發(fā)出的信號(hào)幅度，和相控陣?yán)走_(dá)波束能量分配有關(guān)聯(lián)，AP1和AP2各自的幅度是穩(wěn)定不變的。綜上分析，有3個(gè)特征可以利用:

(1) 每個(gè)平臺(tái)收到的各自幅度都是相等的，變化不大。

(2) 平臺(tái)1和平臺(tái)2收到的脈沖是順序成組出現(xiàn)的。

(3) 雷達(dá)重復(fù)周期，tPRI和tbn值數(shù)量級(jí)上相差比較大。

可以通過綜合地利用改進(jìn)的序列差分直方圖和累積差分直方圖算法，將直方圖級(jí)數(shù)和門限放大或者縮小，得出tbn和tPRI的大概的數(shù)量級(jí)范圍值和規(guī)律，再通過AP特征的篩選過濾出該雷達(dá)的特征，最后將此雷達(dá)的特征值輔以方位值(二維集合的方式，θAOA∈(θ1,θ2))，將其送往融合跟蹤模塊做再次確認(rèn)。

4 雙平臺(tái)下2類特殊體制雷達(dá)信號(hào)融合跟蹤方法闡述

針對(duì)分選出的特殊雷達(dá)特征值，通過雷達(dá)目標(biāo)在方位上的穩(wěn)定性，進(jìn)一步跟蹤確認(rèn)和抗增批，提高特殊雷達(dá)的可信度。首先這些特殊雷達(dá)的特征值與傳統(tǒng)常規(guī)雷達(dá)輻射源信息不太一樣，它的載頻、脈寬、幅度、重頻參數(shù)都具有隨機(jī)性，只有方位參數(shù)是穩(wěn)定不變的。根據(jù)分選出的特殊雷達(dá)方位值θAOA，由一個(gè)二維集合 (θ1,θ2) 代表，θ1和θ2分別代表平臺(tái)1和平臺(tái)2收到此雷達(dá)的方位值，這時(shí)可以根據(jù)平臺(tái)1坐標(biāo)(X1,Y1)和平臺(tái)2坐標(biāo)(X2,Y2),以及2站之間的距離d(圖5)，運(yùn)用測(cè)向交叉算法(圖9)，取得目標(biāo)雷達(dá)的大概實(shí)際位置(Xe,Ye)。

圖9中，θ1，θ2分別為平臺(tái)1和平臺(tái)2測(cè)出的雷達(dá)目標(biāo)到達(dá)角，利用下列公式[3]:

(1)

(2)

求出實(shí)際位置(Xe,Ye)，然后通過實(shí)際位置(Xe,Ye)的數(shù)值進(jìn)行數(shù)據(jù)平滑融合，來進(jìn)一步跟蹤確認(rèn)目標(biāo)，提高分選的穩(wěn)定性和可信度。如果此坐標(biāo)持續(xù)有分選出的雷達(dá)特征值出現(xiàn)，則確認(rèn)特殊體制雷達(dá)信號(hào)存在，最后統(tǒng)計(jì)這類特殊雷達(dá)的其他參數(shù)特征(載頻、脈寬、幅度以及重頻)，將其送往后端輸出模塊顯示(見圖3)。

5 結(jié)束語

針對(duì)傳統(tǒng)分選在脈沖數(shù)極少的慢掃雷達(dá)和相控陣體制雷達(dá)分選上的困難，本文提出了一種基于雙平臺(tái)構(gòu)架下協(xié)同信號(hào)處理分選的方法，它能彌補(bǔ)傳統(tǒng)分選的不足，也能繼承傳統(tǒng)信號(hào)分選的快速實(shí)時(shí)、適應(yīng)高密度的特點(diǎn)。其在工程實(shí)踐及多平臺(tái)工程應(yīng)用中，能滿足多個(gè)平臺(tái)前端的數(shù)字脈沖同步性前提下，對(duì)通過多平臺(tái)送下來的{PDW}脈沖進(jìn)行時(shí)序關(guān)聯(lián)，此方法還具有一定的實(shí)用價(jià)值，畢竟在日益復(fù)雜的電磁環(huán)境大背景下，能夠正確、實(shí)時(shí)、不虛警、不漏警地分離出各型雷達(dá)輻射源的信息，變得越來越重要。相信隨著電子偵察水平的不斷提高，還會(huì)有更多新的思路和方法，來應(yīng)對(duì)各型雷達(dá)的準(zhǔn)確偵收。

[1] 趙國慶.雷達(dá)對(duì)抗原理[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社，1999.

[2] 謝正巧.相控陣?yán)走_(dá)信號(hào)識(shí)別的研究[J].信息化研究，2010,36(12):37-39.

[3] 姚颕.雙站無源定位及跟蹤算法研究[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2009.

A Design Method of Collaborative Signal Sorting and Processing Based on Dual Platform

WANG Xing-yu,DING Xing-jun

(The 723 Institute of CSIC,Yangzhou 225001,China)

The electromagnetic signal environment becomes increasingly complex,signal sorting method of traditional single-platform is difficult to sort the signals of slow-scanning radar with very few pulses and phased array radar.This paper brings forward a method for collaborative signal sorting and processing based on dual platform,which can effectively make up the shortcomings of traditional signal sorting,and puts forward the corresponding sorting,fusion and tracking methods to the signals of slow-scanning radar with very few pulses and phased array radar.

dual platform;signal sorting;phased array;signal processing

2016-02-18

TN971.1

A

CN32-1413(2016)03-0058-05

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2016.03.015