常見雷達(dá)信號(hào)分選算法研究

張 德 交

(哈爾濱工程大學(xué)，哈爾濱 150001)

常見雷達(dá)信號(hào)分選算法研究

張 德 交

(哈爾濱工程大學(xué)，哈爾濱 150001)

在電子對(duì)抗中，信號(hào)往往復(fù)雜多變，對(duì)雷達(dá)信號(hào)的分選提出了新的要求.要準(zhǔn)確地確定主輻射源，確定干擾手段，就要從一連串脈沖流中分選出來自同輻射源的脈沖序列.為了分選時(shí)域上不同特征的雷達(dá)信號(hào)——常規(guī)信號(hào)、抖動(dòng)信號(hào)以及參差信號(hào)——先后對(duì)PRI變換法、改進(jìn)了的PRI變換法以及SDIF法這三種分選算法進(jìn)行了研究，并對(duì)這些算法在不同參數(shù)上分別用Matlab進(jìn)行了仿真，實(shí)驗(yàn)表明PRI變換法能檢測常規(guī)信號(hào)，但不能檢測抖動(dòng)雷達(dá)信號(hào)以及參差雷達(dá)信號(hào)的子周期；改進(jìn)后的PRI變換法可以檢測10%以內(nèi)的抖動(dòng)信號(hào)；而SDIF算法不僅能檢測出常規(guī)信號(hào)和參差信號(hào)，而且運(yùn)算量較小,達(dá)到了分選常見雷達(dá)信號(hào)的目的.

信號(hào)分選；PRI變換法；改進(jìn)的PRI變換法；SDIF算法；Matlab 仿真

雷達(dá)信號(hào)分選在雷達(dá)偵查系統(tǒng)中的地位不容忽視.雷達(dá)信號(hào)分選是將無規(guī)則交疊的信號(hào)流中分離出各單個(gè)雷達(dá)信號(hào)的過程.其原理就是利用接受到的各種參數(shù)(脈沖到達(dá)角、載頻、脈寬、幅度及到達(dá)時(shí)間等)，將交織混雜在一起的脈沖信號(hào)分出各雷達(dá)的單脈沖信號(hào)[1].

在雷達(dá)偵察干擾中，信號(hào)的分選技術(shù)越發(fā)關(guān)鍵.其中信號(hào)的脈間的時(shí)域特征包括參差 PRI、抖動(dòng) PRI、滑變 PRI等.而常見的分選方法有：PRI變換法、改進(jìn)的PRI變換法、序列差值直方圖法(SDIF法)等.本文將著重介紹上述幾種常見的分選方法，以及通過對(duì)不同時(shí)域特征雷達(dá)信號(hào)分選的仿真，歸納出它們的適用條件[2-4].

1 PRI變換法

PRI變換法只考慮脈沖到達(dá)時(shí)間[5-6].設(shè)脈沖的到達(dá)時(shí)間為tn,n=0,1,2,……N-1，其中N為脈沖個(gè)數(shù)，這樣到達(dá)的脈沖串為：

(1)

那么g(t)的自相關(guān)函數(shù)的表示如下：

(2)

(3)

將式(1)帶入式(2)、(3)得：

(4)

(5)

其中:τ>0，D(τ)為脈沖重復(fù)間隔的譜圖.可以看到，上式是在自相關(guān)函數(shù)法上做復(fù)積分得到的.對(duì)交雜的脈沖信號(hào)進(jìn)行自相關(guān)運(yùn)算，會(huì)在PRI整數(shù)倍處出現(xiàn)峰值現(xiàn)象.而在PRI變換法中，潛在PRI處只有一個(gè)峰值，較理想地克服了子諧波的影響[7].

為了便于分析，對(duì)PRI變換進(jìn)行離散化.設(shè)PRI的變化范圍[τmin,τmax],將其分成K個(gè)相等小區(qū)間，每個(gè)小區(qū)間寬度為b=(τmax,τmin)/K.設(shè)第k個(gè)小區(qū)間的中心為：

(6)

確定PRI的存在范圍、PRI箱的中心值以后，Dk可以化簡為：

exp[2πjtn/(tn-tm)]

(7)

當(dāng)b→0 時(shí)，Dk/b→D(τ).潛的PRI用|Dk|過門限值對(duì)應(yīng)的脈沖間隔來表示，再按估計(jì)出的PRI值進(jìn)行序列搜索[8].

圖1 PRI變換法分選3列固定周期脈沖信號(hào)

由仿真結(jié)果可以看出PRI變換法對(duì)高次諧波的抑制效果是明顯的，結(jié)果很理想.而對(duì)脈沖流加入10%抖動(dòng)時(shí)，仿真如圖2所示.

圖2 PRI變換法分選3列10%抖動(dòng)脈沖信號(hào)

當(dāng)抖動(dòng)達(dá)到10%時(shí)，的峰值降低得并不明顯，以致部分諧波分量出現(xiàn)，難以完全抑制，導(dǎo)致無法進(jìn)行信號(hào)的分選.所以PRI變化法對(duì)于大抖動(dòng)的脈沖信號(hào)檢測不是很理想.而當(dāng)輸入脈沖流為一個(gè)子周期分別為0.22、0.58 ms，幀周期為1 ms的三參差雷達(dá)脈沖序列時(shí)，仿真結(jié)果如圖3所示.

可以看出，PRI變換算法無法檢測出參差脈沖序列，只可以檢測出幀周期.所以PRI變化法在分選參差信號(hào)時(shí)，也會(huì)遇到困難.

圖3 PRI變換法分選1列三參差脈沖信號(hào)

2 改進(jìn)的PRI變換法

PRI變換法在處理PRI固定的常規(guī)脈沖序列時(shí)，能有效地抑制諧波.但是，對(duì)于 PRI抖動(dòng)的脈沖列，該方法的分選效果并不理想.主要有兩個(gè)原因：一是由于脈沖列的到達(dá)時(shí)間逐漸遠(yuǎn)離起始時(shí)間，相位因子的相位誤差逐漸增大；二是本應(yīng)集中在同一個(gè)小區(qū)間的脈沖對(duì)由于抖動(dòng)的存在而被平均分布在PRI值附近的幾個(gè)區(qū)間中.因此，針對(duì)以上兩點(diǎn)，本文對(duì) PRI 變換法進(jìn)行了修正和改進(jìn)[9].

針對(duì)相位因子逐漸增大的誤差，可改變相對(duì)開始時(shí)間以達(dá)到減小的目的.從而改進(jìn)相位因子 exp[2πjtn/(tn-tm)]，避免了相位誤差帶來的影響.

針對(duì)第二個(gè)原因，則可設(shè)置交疊的PRI小區(qū)間.設(shè)雷達(dá)脈沖的抖動(dòng)量是ε，PRI小區(qū)間數(shù)是K，則第k個(gè)小區(qū)間的中心值為τK=(k-1/2)b+τmin,k=1,2,…,K[τmin,τmax]是 PRI 的估計(jì)范圍，令重疊 PRI的箱寬為bk=2ετk.

改進(jìn)的PRI變換法的具體算法流程如下：

1)初始化，令Dk=0,(1≤k≤K)，n=2；

2)令m=n-1；

3)令τ=tn-tm,若τ≤τmin(1-ε)，跳轉(zhuǎn)到式(11)；否則τ≥τmax(1-ε)，跳轉(zhuǎn)到式(12)；

5)對(duì)每個(gè)k=k1，…進(jìn)行式(6)～(10)；

6)初始化起始時(shí)間.當(dāng)?shù)趉個(gè)PRI首次出現(xiàn)時(shí)，則令tok=tn；

7)初步計(jì)算相位并分解：η0=(tn-tok)/τk，v=round(0)，ζ=η0/v-1；

8)如果滿足((v=1)&&(tn=tok))&&(|ζ|≤ζ0)，則更新起始時(shí)間：tn=tok；

9)重新計(jì)算相位η=(tn-tok)/τk=(tn-tok)/τk；

10)更新PRI變換值Dk=Dk+exp(2πjη)；

11)對(duì)m=m-1，如果m<1則轉(zhuǎn)到式(12)，否則轉(zhuǎn)到(3)；

12)對(duì)n=n+1，如果n>N,停止.否則轉(zhuǎn)到式(2)[8].

圖4 改進(jìn)的PRI變換法分選3列10%抖動(dòng)脈沖信號(hào)

可以看出，在脈沖抖動(dòng)為10%時(shí)，經(jīng)改進(jìn)后的PRI變換法，仍然能夠明顯地測出峰值，分選效果較理想.

3 SDIF算法

序列差值直方圖法(SDIF)基本原理是：首先計(jì)算序列相鄰脈沖的時(shí)間差，形成的第一級(jí)差值直方圖，確定檢測門限.如果有一個(gè)值超過門限，則將其對(duì)應(yīng)的PRI進(jìn)行脈沖序列搜索；否則不進(jìn)行脈沖序列搜索，直接統(tǒng)計(jì)下一級(jí)的差值直方圖，再搜索脈沖序列.將直接分離出的序列剔除，然后繼續(xù)對(duì)剩余的脈沖序列從第一級(jí)統(tǒng)計(jì)的新差值，重復(fù)以上過程[8-10].

仿真及分析：輸入一列三參差的周期雷達(dá)信號(hào)，脈沖重復(fù)周期PRI為111 μs，子PRI分別為11 μs和35 μs，脈寬為2.5 μs，觀測時(shí)間為200 μs.仿真結(jié)果如圖5所示.

圖5 SDIF算法分選1列三參差脈沖信號(hào)

可以看出，SDIF法分選存在參差的單脈沖序列時(shí)，能夠成功分離出所有的子PRI，分選效果理想.

如果輸入一個(gè)三參差和一個(gè)常規(guī)的周期信號(hào)，三參差信號(hào)參數(shù)如上，常規(guī)信號(hào)的周期為181 μs，到達(dá)時(shí)間為1 μs，脈寬為2.5 μs，觀測時(shí)間為200 μs，仿真結(jié)果如圖6所示.

圖6 SDIF算法分選1列三參差脈沖信號(hào)和1列常規(guī)信號(hào)

可以看出，SDIF法分選常規(guī)周期信號(hào)和參差信號(hào)時(shí)，能夠成功分離出所有的子PRI和幀PRI，分選效果理想.

4 結(jié) 語

本文通過對(duì)PRI變換，改進(jìn)的PRI變換，以及SDIF分選方法的研究及仿真，發(fā)現(xiàn)對(duì)常規(guī)的PRI脈沖序列進(jìn)行分選時(shí)，效果較理想.但當(dāng)PRI存在抖動(dòng)時(shí)，由于TOA距時(shí)間起點(diǎn)較遠(yuǎn)，增大了相位誤差，而且本來集中于同一個(gè)PRI區(qū)間的脈沖序列分散在以PRI為中心附近的幾個(gè)PRI區(qū)間中，出現(xiàn)部分諧波分量導(dǎo)致真實(shí)的PRI可能淹沒在噪聲中.而

且PRI變換法無法檢測參差脈沖序列，只能檢測出幀周期，由此引入了修正的 PRI 變換法，該方法有效地改進(jìn) PRI 變換的缺點(diǎn)，并將成功分選信號(hào)的抖動(dòng)范圍提高到了10%.雖然在運(yùn)算量上較大，但能夠有效地抑制子諧波分量.而針對(duì)參差信號(hào)分選引入的SDIF算法不僅計(jì)算量少，而且能夠有效地分選參差信號(hào).

[1] 楊 多. 復(fù)雜環(huán)境下多參數(shù)雷達(dá)信號(hào)分選算法研究[D]. 哈爾濱: 哈爾濱工程大學(xué), 2012.

[2] 喬宏樂, 王 超, 王 鵬. 基于PRI變換法的脈沖信號(hào)分選算法[J]. 火控雷達(dá)技術(shù), 2012, 41(2): 34-38.

[3] 周 政, 唐 宏, 張永順. 基于PRI的參差雷達(dá)脈沖列分選方法[J]. 現(xiàn)代防御技術(shù), 2009, 37(5): 123-126.

[4] 李國君, 舒 洪, 趙棟華. 一種改進(jìn)的動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)信號(hào)分選算法[J]. 雷達(dá)科學(xué)與技術(shù), 2011, 12(6): 547-550

[5] NISHIGUCHI K, KOBAYASHI M. Improved algorithm for estimating pulse repetition intervals [J]. IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, 2000, 36(2): 407-421.

[6] 王興穎, 楊紹全. 基于脈沖重復(fù)間隔變換的脈沖重復(fù)間隔估計(jì)[J]. 西安電子科技大學(xué)學(xué)報(bào), 2002, 29(3): 355-359.

[7] 欒 超. 雷達(dá)信號(hào)分選關(guān)鍵技術(shù)研究[D]. 哈爾濱: 哈爾濱工業(yè)大學(xué), 2012: 34-41.

[8] 明 焱. 未知雷達(dá)信號(hào)PRI分選算法研究[D]. 西安: 西安電子科技大學(xué), 2013, 21-22, 29-31, 38-42.

[9] 程 翔. 復(fù)雜電磁環(huán)境下雷達(dá)信號(hào)脈間分析算法研究[D]. 南京: 南京航空航天大學(xué), 2011. 36-39.

[10] 趙觀星. 雷達(dá)電磁環(huán)境模擬系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D]. 南京: 南京理工大學(xué), 2013. 34-37.

Researchonsortingalgorithmforcommonradarsignal

ZHANG De-jiao

(Harbin Engineering University, Harbin 150001, China)

In electronic countermeasure environment, signals are dense and complex, which are new challenges to radar signal sorting. For the purpose of leading the countermeasures system choose the main radiation source and determining the interference means promptly and accurately, pulse sequence derived from the same source of the radiation must be sorted from a series of staggered pulses exactly. In order to sort different characteristics of the radar signal on the time domain——normal signal, staggered PRI signal and dither signal, PRI transform algorithm, the improved PRI transform algorithm, and SDIF algorithm are studied in sequence and simulated with Matlab by different parameters. At last the application conditions, the advantages and disadvantages of each algorithm were analyzed. It showed that PRI transform algorithm can sort normal signal, but it cannot sort either signal or the child PRI of staggered PRI signal. The improved PRI transform algorithm could sort dither signal which dithered no more than 10%, and SDIF algorithm could not only sort normal signal and staggered PRI signal, but also has a easier computational work. The aim of sorting common radar signal has been achieved.

signal sorting; PRI transform algorithm; improved PRI transform algorithm; SDIF algorithm; Matlab simulation

2016-03-26.

張德交(1989-)，男，碩士，研究方向：雷達(dá)信號(hào)的分選.

TN957

A

1672-0946(2017)05-0577-04