復(fù)雜電磁條件下的輻射源信號(hào)分離方法

韓 勛，文 偉，馬 嚴(yán)，匡 銀，楊新權(quán)

（中國(guó)空間技術(shù)研究院西安分院，西安710100）

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，電子戰(zhàn)在現(xiàn)代戰(zhàn)場(chǎng)中的作用也越來越重要，局部戰(zhàn)爭(zhēng)中交戰(zhàn)雙方電子戰(zhàn)的能力已經(jīng)成為制勝的關(guān)鍵，其中，電子偵察主要完成對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)或特定區(qū)域中雷達(dá)輻射信號(hào)的偵收和其中包含信息的提取，并直接為其他作戰(zhàn)方式提供目標(biāo)情報(bào)，是電子戰(zhàn)的重要組成部分[1-4]。

電子偵察的一個(gè)主要功能即對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)上的脈沖流進(jìn)行截獲處理，并提取關(guān)鍵參數(shù)，如頻率、到達(dá)時(shí)間、脈寬、相位等，組成脈沖描述字（PDW），以此完成輻射源定位和分選等功能。新體制輻射源的大量使用，使現(xiàn)代電磁環(huán)境日益密集、復(fù)雜，每秒脈沖數(shù)已達(dá)數(shù)十萬甚至百萬級(jí)別，電磁信號(hào)時(shí)域重疊的現(xiàn)象也越來越嚴(yán)重。為適合現(xiàn)代電子戰(zhàn)環(huán)境，接收機(jī)必須具備對(duì)時(shí)域重疊信號(hào)的接收和處理能力。解決該問題的主要方式是采用信道化接收機(jī)，即利用濾波器組對(duì)接收信號(hào)在頻域上進(jìn)行信道劃分，使時(shí)域重疊的信號(hào)分別落在不同信道內(nèi)，達(dá)到在頻域進(jìn)行區(qū)分的目的?，F(xiàn)階段常用的數(shù)字信道化接收機(jī)基本結(jié)構(gòu)一般有基于單通道的數(shù)字信道化接收機(jī)，基于快速傅里葉變換（FFT）的數(shù)字信道化接收機(jī)及基于多相結(jié)構(gòu)和加權(quán)疊接相加（WOLA）和多相滑動(dòng)傅里葉變換（DFT）的數(shù)字信道化接收機(jī)等[5-7]，這3種數(shù)字信道化接收機(jī)技術(shù)較成熟，但在系統(tǒng)靈活性和高效性方面存在一定問題，具體表現(xiàn)為信道劃分固定，靈活性存在欠缺，較難滿足現(xiàn)代電子戰(zhàn)環(huán)境中對(duì)信號(hào)脈沖密度大，頻域分布范圍廣，頻域位置和帶寬非均勻分布的應(yīng)用需求[13-14]。因此，有必要在現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，研究適合的信號(hào)處理算法，增強(qiáng)接收機(jī)對(duì)復(fù)雜電磁環(huán)境的適應(yīng)能力的目的。

綜合上述分析，本文提出了一種適用于復(fù)雜電磁環(huán)境的輻射源信號(hào)分離方法。首先，分析了基于DFT變換的信道化接收結(jié)構(gòu)；然后，在此基礎(chǔ)上，采用多目標(biāo)跟蹤與分級(jí)信道化結(jié)合的方式完成了脈沖信號(hào)的分離，并對(duì)分離后的信號(hào)參數(shù)進(jìn)行了測(cè)量；最后，通過仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了本文所提算法可對(duì)不同強(qiáng)度和調(diào)制方式脈沖信號(hào)進(jìn)行有效分離。

1 分級(jí)信道化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

信道化結(jié)構(gòu)可解決在寬帶數(shù)字系統(tǒng)中處理窄帶信號(hào)的問題。通過設(shè)計(jì)高效的信道化結(jié)構(gòu)，可有效地將寬帶分為若干個(gè)窄帶信道，在窄帶信道中完成對(duì)信號(hào)的檢測(cè)。FFT是目前最常用的信道化技術(shù)，其基本思想是利用對(duì)時(shí)域采樣信號(hào)進(jìn)行FFT變換，建立頻域?yàn)V波器組，而為提高運(yùn)算速度，現(xiàn)階段常利用DFT對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)，該結(jié)構(gòu)基于上次運(yùn)算結(jié)果對(duì)本次信道化結(jié)果進(jìn)行更新，提高了運(yùn)算速度[15]?；舅枷霝椋杭僭O(shè)和分別為采樣序列m=1,2,…,N的FFT運(yùn)算結(jié)果，則其計(jì)算公式分別為：

比較式（1）與式（2）可得：

式（3）即為滑動(dòng)DFT變換。比較式（1）和式（2）可以看出，滑動(dòng)DFT變換每次輸出結(jié)果只需N次復(fù)數(shù)運(yùn)算（定義一次復(fù)數(shù)加和一次復(fù)數(shù)乘為一次復(fù)數(shù)運(yùn)算），相比對(duì)N個(gè)采樣點(diǎn)進(jìn)行FFT運(yùn)算的方式，運(yùn)算量下降了log2N倍。根據(jù)上述分析，提出基于滑動(dòng)DFT變換的數(shù)字信道化基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 基于滑動(dòng)DFT的寬帶數(shù)字信道化Fig.1 Wideband digital channelized based on sliding DFT

信號(hào)變換到時(shí)頻域后，在檢測(cè)與分析模塊完成信號(hào)時(shí)頻分量的檢測(cè)、多信道數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)合成，最后提取信號(hào)的頻譜分量進(jìn)行加窗后的STFT逆變換。為了方便硬件實(shí)現(xiàn)，采用Hanning窗。[16]

即

在復(fù)雜電磁條件下，不同帶寬和強(qiáng)度的輻射源信號(hào)同時(shí)存在，典型的例子即為雷達(dá)信號(hào)和通信信號(hào)，兩者在帶寬和信號(hào)強(qiáng)度上一般存在差異。為了適應(yīng)這種差異，使系統(tǒng)具備對(duì)不同種類信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)的能力，在上述分析的基礎(chǔ)上，提出了一種基于級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)的滑動(dòng)DFT數(shù)字信道化構(gòu)架。其基本框圖見圖2。

圖2 級(jí)聯(lián)數(shù)字化信道框圖Fig.2 Schematic of cascade digital channelized

如圖2所示，一級(jí)信道化模塊主要完成對(duì)所占頻帶較寬信號(hào)的檢測(cè)和提取，將檢測(cè)得到的信號(hào)分離出來后，對(duì)每個(gè)信道的數(shù)據(jù)經(jīng)抽取降速，送入二級(jí)信道化模塊，完成對(duì)帶寬較窄如通信信號(hào)的檢測(cè)。最終一級(jí)和二級(jí)信道化模塊所得信號(hào)波形均存入檢測(cè)結(jié)果中，由后端信號(hào)處理算法對(duì)其進(jìn)行參數(shù)測(cè)量和判別。兩級(jí)信道化模塊的信道帶寬可根據(jù)實(shí)際情況設(shè)定。

2 輻射源信號(hào)分離

上述信道化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的目的在于將時(shí)域重疊的信號(hào)變換到時(shí)頻域上，實(shí)現(xiàn)信號(hào)在頻域上的去交錯(cuò)。因此，在信道化后的檢測(cè)和分析模塊，本文通過跟蹤不同信號(hào)在時(shí)頻域的峰值位置變化，對(duì)多個(gè)頻域不重疊的同時(shí)到達(dá)信號(hào)進(jìn)行處理和分離。同時(shí)，為了適應(yīng)不同調(diào)制方式及強(qiáng)度的信號(hào)，本文采用Kalman跟蹤濾波器對(duì)信號(hào)在頻域的峰值位置變化進(jìn)行有效跟蹤，在跟蹤的過程中結(jié)合式（4）完成對(duì)信號(hào)的同步合成。

2.1 信道能量峰值位置提取

對(duì)信號(hào)在頻域的峰值位置變化跟蹤的前提是獲取各時(shí)刻信道輸出能量的峰值位置，在復(fù)雜電磁條件下，能量峰值位置的判定易受到噪聲及信號(hào)強(qiáng)度的影響，為降低這種影響同時(shí)減少后端跟蹤濾波器的數(shù)據(jù)處理量，本文采用下式所示方式設(shè)置能量閾值，只有高于該閾值的峰值點(diǎn)才被視為有效峰值：

式（5）中：N為i時(shí)刻隨機(jī)選取的信道數(shù)目；M為隨機(jī)選取的時(shí)刻編號(hào)；R為比例系數(shù)。

在實(shí)際使用中，可在接收機(jī)正式工作采用式（5）準(zhǔn)則對(duì)接收機(jī)輸出進(jìn)行標(biāo)定以確定符合當(dāng)前使用環(huán)境的能量閾值。根據(jù)上述準(zhǔn)則進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，圖3為一次實(shí)驗(yàn)中，接收機(jī)信道化輸出及所提取峰值點(diǎn)的位置示意，其中包含了2個(gè)同時(shí)到達(dá)的線性調(diào)頻信號(hào)。

圖3 信道峰值點(diǎn)位置提取Fig.3 Peak extraction of different channels

從圖3的結(jié)果中可以看出，受到噪聲及信號(hào)旁瓣的影響，在沒有信號(hào)的信道處也提取出了峰值，為了將屬于同一信號(hào)的峰值點(diǎn)關(guān)聯(lián)起來，同時(shí)過濾掉虛假峰值點(diǎn)的影響，本文采用Kalman濾波器對(duì)峰值位置進(jìn)行跟蹤。

2.2 峰值跟蹤濾波

跟蹤的基本流程是根據(jù)當(dāng)前時(shí)刻峰值的位置，結(jié)合運(yùn)動(dòng)模型對(duì)下一時(shí)刻峰值的位置進(jìn)行預(yù)測(cè)，并在下一時(shí)刻的觀測(cè)值到達(dá)時(shí)，對(duì)預(yù)測(cè)值進(jìn)行更新，最終形成對(duì)峰值變化的連續(xù)跟蹤。對(duì)于輻射源信號(hào)來說，信道峰值位置反應(yīng)的是其信號(hào)瞬時(shí)頻率的變化，而常見輻射源的瞬時(shí)頻率變化一般并不復(fù)雜，如雷達(dá)脈沖中常用的線性調(diào)頻、非線性調(diào)頻、通信信號(hào)中常用的QPSK、BPSK等調(diào)制方式，相鄰2次信道化的輸出結(jié)果變化較為平緩，近似可看作勻速變化。故本文采用雷達(dá)目標(biāo)航跡處理中所用的常速度模型對(duì)頻率變化進(jìn)行描述，并結(jié)合Kamlan濾波器形成對(duì)峰值的連續(xù)跟蹤。其中，常速度模型如下：

式（6）中：xk-1/k-1、x?k-1/k-1代表著k-1時(shí)刻信道能量峰值位置和峰值變化速度；ωk為高斯白噪聲。

Kalman濾波主要包括預(yù)測(cè)和更新階段，具體求解過程見文獻(xiàn)[19]。

在對(duì)峰值進(jìn)行跟蹤的過程中，采用狀態(tài)最近臨準(zhǔn)則以降低噪聲和信號(hào)頻率交叉帶來的干擾，準(zhǔn)則如下：首先，設(shè)定跟蹤門限ε，該門限可根據(jù)接收機(jī)工作頻段及信道化個(gè)數(shù)設(shè)定，原則該門限大于所處理信號(hào)在相鄰兩采樣時(shí)刻間的頻率變化；然后，根據(jù)峰值提取結(jié)果設(shè)定跟蹤起點(diǎn)，利用模型對(duì)下一時(shí)刻系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測(cè)，隨后根據(jù)式確定下一時(shí)刻落在門限內(nèi)的所有峰值點(diǎn)位置作為待關(guān)聯(lián)值；最后，從待關(guān)聯(lián)值中選擇與預(yù)測(cè)值狀態(tài)最為接近的作為下一時(shí)刻信號(hào)分量，重復(fù)上一過程，繼續(xù)判斷下一時(shí)刻的最佳關(guān)聯(lián)點(diǎn)，直到數(shù)據(jù)結(jié)束或門限內(nèi)無峰值點(diǎn)位置。

在對(duì)峰值點(diǎn)進(jìn)行跟蹤的過程中，由于輻射源信號(hào)持續(xù)時(shí)間有限，因而當(dāng)下一時(shí)刻沒有峰值點(diǎn)落到預(yù)測(cè)門限內(nèi)或已跟蹤峰值長(zhǎng)度大于處理上限，即視為跟蹤終止，并根據(jù)系統(tǒng)處理對(duì)象確定最小脈沖寬度，若已被關(guān)聯(lián)的信號(hào)長(zhǎng)度大于該最小寬度，即可認(rèn)為完成一次有效的輻射源信號(hào)提取。

基于上述分析，基于跟蹤濾波的輻射源信號(hào)分離算法流程如下。

1）系統(tǒng)初始化，設(shè)定最長(zhǎng)信號(hào)處理長(zhǎng)度N，跟蹤門限ε，能量閾值Th，根據(jù)Th尋找峰值點(diǎn)集合A；

2）設(shè)集合A最大時(shí)刻為K，以峰值點(diǎn)起始位置k為跟蹤起始點(diǎn)，若k=K，則跟蹤結(jié)束，保存已跟蹤集合a，轉(zhuǎn)步驟6），否則對(duì)k+1時(shí)刻進(jìn)行預(yù)測(cè)；

3）根據(jù)狀態(tài)最近臨準(zhǔn)則判斷k+1時(shí)刻觀測(cè)值與預(yù)測(cè)值的接近程度，若接近程度在跟蹤門限內(nèi)，則選取k+1時(shí)刻最接近的觀測(cè)值與k時(shí)刻進(jìn)行關(guān)聯(lián)，繼續(xù)步驟4），否則轉(zhuǎn)步驟5）；

4）k=k+1，繼續(xù)步驟3）；

5）提取出已關(guān)聯(lián)峰值序列a，計(jì)算其長(zhǎng)度n，若n大于N，則a為有效信號(hào)，根據(jù)式進(jìn)行時(shí)域變換，獲取信號(hào)時(shí)域波形；

6）將a從A中剔除，若A非空，轉(zhuǎn)步驟2），否則流程結(jié)束。

3 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

為了對(duì)所提信道化結(jié)構(gòu)及跟蹤算法的效能進(jìn)行評(píng)估，仿真了不同強(qiáng)度和帶寬的雷達(dá)及通信信號(hào)同時(shí)到達(dá)的情況：其中雷達(dá)信號(hào)為2個(gè)線性調(diào)頻信號(hào)，帶寬分別為20 MHz和15 MHz，通信信號(hào)為AM信號(hào)，所占帶寬為20 kHz，強(qiáng)度與雷達(dá)信號(hào)強(qiáng)度相差10dB。首先設(shè)置跟蹤門限ε和能量閾值Th：

跟蹤門限ε的設(shè)置準(zhǔn)則是其要大于所處理信號(hào)在相鄰兩采樣時(shí)刻間的頻率變化，本文仿真的采樣率為60 MHz，采樣間隔約為0.017 μs，一級(jí)信道化帶寬為2 MHz。對(duì)于常用線性調(diào)頻信號(hào)來說，其在兩采樣間隔間的頻率變化一般不超過一個(gè)信道化帶寬，因此跟蹤門限設(shè)置為一個(gè)信道的寬度。

本實(shí)驗(yàn)信號(hào)采樣總時(shí)間為1 ms，為計(jì)算能量閾值Th，隨機(jī)選取100個(gè)采樣時(shí)刻，每個(gè)采樣時(shí)間隨機(jī)選取16個(gè)信道，設(shè)置比例系數(shù)為2，計(jì)算所選取1600個(gè)信道的平均能量并與比例系數(shù)相乘得能量閾值Th。

經(jīng)過跟蹤門限和能量閾值的設(shè)定，一級(jí)信道化輸出結(jié)果如圖4 a）所示，由于一級(jí)信道化帶寬較寬，且通信信號(hào)能量較弱，因而一級(jí)信道化結(jié)果輸出中無法檢測(cè)到通信信號(hào)。作為對(duì)比，本文仿真了一級(jí)信道化寬度為20 kHz時(shí)的輸出結(jié)果，如圖4 b）所示，可以從中明顯看出通信信號(hào)的存在，這也說明了信道匹配接收對(duì)于檢測(cè)微弱信號(hào)的優(yōu)勢(shì)所在。根據(jù)圖4結(jié)果，需要首先對(duì)較強(qiáng)雷達(dá)信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)和分離。根據(jù)前述算法，對(duì)輸出結(jié)果進(jìn)行波形檢測(cè)和跟蹤，跟蹤及分離結(jié)果與原始結(jié)果在頻域的對(duì)比如圖4 c）、d）所示，對(duì)比兩圖中分離波形與原始波形可以發(fā)現(xiàn)，算法實(shí)現(xiàn)了對(duì)一級(jí)信道化輸出中所占帶寬較寬的雷達(dá)信號(hào)的成功分離，分離結(jié)果與原始結(jié)果吻合較好，其中的一些波形起伏是由于噪聲及在兩信號(hào)交叉處的干擾引發(fā)的。

圖4 一級(jí)信道化模塊輸出結(jié)果Fig.4 Outputs of level one channelization

在完成上述波形檢測(cè)后，對(duì)檢測(cè)出信號(hào)進(jìn)行剔除，將剔除后信號(hào)經(jīng)抽取降速后，送入帶寬為20 kHz的二級(jí)信道化模塊，二級(jí)信道化模塊帶寬根據(jù)常用通信信號(hào)帶寬設(shè)置，以達(dá)到準(zhǔn)匹配接收的目的，跟蹤門限及能量閾值設(shè)置方式與前述相同，模塊輸出結(jié)果如圖5 a）所示。可以看出，由于實(shí)現(xiàn)了信號(hào)的準(zhǔn)匹配接收，通信信號(hào)在對(duì)應(yīng)信道輸出能量較高。對(duì)圖5 a）結(jié)果進(jìn)行跟蹤和分離，得到結(jié)果與原始波形在頻域的對(duì)比如圖5 b）所示，可以看出兩者吻合較好。

圖5 二級(jí)信道化模塊輸出結(jié)果Fig.5 Outputs of level two channelization

綜合上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果，由于采用多級(jí)信道化級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)變帶寬處理，從而完成對(duì)不同帶寬信號(hào)的準(zhǔn)匹配接收處理：對(duì)比兩級(jí)信道化模塊輸出可以看出，強(qiáng)度較弱、帶寬較窄的通信信號(hào)在一級(jí)模塊中無法被檢測(cè)到，而在利用一級(jí)信道化模塊完成對(duì)強(qiáng)信號(hào)的剔除后，將信號(hào)經(jīng)降速送入信道帶寬更窄的二級(jí)信道化模塊后，可以明顯看出較弱的通信信號(hào)，據(jù)此完成對(duì)通信信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，與類似方法如文獻(xiàn)[13]相比，增強(qiáng)了對(duì)頻域交叉信號(hào)的處理能力，同時(shí)當(dāng)多種帶寬信號(hào)共存時(shí)處理更靈活，更能適應(yīng)復(fù)雜電磁環(huán)境。

4 結(jié)束語

本文研究了復(fù)雜電磁條件下的輻射源信號(hào)分離問題。首先，基于分級(jí)數(shù)字信道化結(jié)構(gòu)將重疊的時(shí)域采樣信號(hào)變換到時(shí)頻域，形成信號(hào)在頻域上的去交錯(cuò)；然后，建立跟蹤濾波器對(duì)輻射源信號(hào)在各采樣時(shí)刻的頻率變化進(jìn)行跟蹤，在此基礎(chǔ)上通過反變換對(duì)分離信號(hào)的時(shí)域波形進(jìn)行反演，仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了算法的有效性，后續(xù)工作將重點(diǎn)對(duì)算法對(duì)噪聲的適應(yīng)能力進(jìn)行分析和改進(jìn)。

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