基于晶振特征的重點(diǎn)雷達(dá)信號(hào)快速靶向識(shí)別

朱永成， 潘繼飛， 沈家煌， 金天祥， 劉 鑫

(國(guó)防科技大學(xué)電子對(duì)抗學(xué)院，合肥 230037)

0 引言

目前，常規(guī)的雷達(dá)信號(hào)分選參數(shù)包括載頻(RF)、到達(dá)角度(DOA)、脈寬(PW)以及脈沖重復(fù)間隔(PRI)等參數(shù)，選取合理的分選參數(shù)，才能從混疊的脈沖序列中分選出某部雷達(dá)信號(hào)的脈沖。然而，隨著雷達(dá)技術(shù)的快速發(fā)展，頻率捷變、重頻抖動(dòng)、捷變信號(hào)的應(yīng)用已成為現(xiàn)在雷達(dá)的標(biāo)配，尤其對(duì)于多功能雷達(dá)來說，參數(shù)往往是交疊的，另外，脈沖丟失現(xiàn)象常見以及會(huì)有幾部同型號(hào)的雷達(dá)同時(shí)工作，導(dǎo)致利用傳統(tǒng)的分選參數(shù)難以快速有效分選識(shí)別出雷達(dá)信號(hào)。因此，尋找分選識(shí)別效果更佳的參數(shù)以及開發(fā)新的算法，完成對(duì)雷達(dá)信號(hào)的快速識(shí)別具有一定的實(shí)際意義。對(duì)文獻(xiàn)[1-3]進(jìn)行分析，證明了晶振特征可以作為識(shí)別雷達(dá)信號(hào)的一個(gè)重要的特征參數(shù)，還需要進(jìn)一步驗(yàn)證利用晶振特征識(shí)別重點(diǎn)雷達(dá)目標(biāo)信號(hào)的效果。因此，提出利用雷達(dá)晶振參數(shù)的重點(diǎn)雷達(dá)信號(hào)快速識(shí)別算法。

1 多功能雷達(dá)的PRI生成原理

1.1 脈沖信號(hào)的生成原理

多功能雷達(dá)信號(hào)的脈沖流主要是由利用頻率合成技術(shù)的主振放大式發(fā)射機(jī)產(chǎn)生的，如圖1所示。

圖1 采用頻率合成技術(shù)的主振放大式發(fā)射機(jī)原理圖Fig.1 Schematic diagram of the main vibrator transmitter using frequency synthesis techniques

雷達(dá)時(shí)鐘信號(hào)(基準(zhǔn)振蕩頻率)由基準(zhǔn)頻率振蕩器(晶體振蕩器)中的石英晶體振蕩頻率產(chǎn)生，脈沖信號(hào)的載頻由基準(zhǔn)振蕩頻率經(jīng)過倍頻器和混頻器產(chǎn)生，PRI由基準(zhǔn)振蕩頻率經(jīng)過分頻器產(chǎn)生。因此，RF和PRI可以認(rèn)為是由石英晶體振蕩頻率產(chǎn)生的。

1.2 PRI建模

PRI產(chǎn)生的原理如圖2所示。

圖2 PRI產(chǎn)生的原理圖Fig.2 Schematic diagram of PRI

因此PRI可表示為

(1)

從式(1)可以看出，利用晶振特征完成對(duì)重點(diǎn)雷達(dá)信號(hào)的識(shí)別，高精度PRI測(cè)量是前提。文獻(xiàn)[4]中的方法可以成功應(yīng)用于納秒量級(jí)精度的雷達(dá)PRI測(cè)量，文獻(xiàn)[5]中的方法對(duì)時(shí)間間隔的測(cè)量精度可以達(dá)到10 ps量級(jí)?，F(xiàn)有的PRI高精度測(cè)量技術(shù)滿足本文的實(shí)際需求，通過以上對(duì)各參數(shù)量級(jí)的分析，對(duì)PRI的測(cè)量誤差一般可以忽略不計(jì)。

2 基于晶振特征的重點(diǎn)雷達(dá)信號(hào)快速靶向識(shí)別的處理流程

處理流程如圖3所示，采用并行的數(shù)據(jù)處理方式，多個(gè)并行處理器同時(shí)利用不同的晶振特征對(duì)混疊的脈沖進(jìn)行處理，每部重點(diǎn)雷達(dá)信號(hào)的快速識(shí)別與其他的雷達(dá)信號(hào)是否識(shí)別沒有關(guān)系。無需對(duì)脈沖流進(jìn)行大量的運(yùn)算，每個(gè)支路只需運(yùn)行識(shí)別與某一部重點(diǎn)雷達(dá)信號(hào)有關(guān)的運(yùn)算。

圖3 快速靶向識(shí)別的處理流程Fig.3 Rapid targeting recognition process

2.1 基于晶振特征的重點(diǎn)雷達(dá)信號(hào)快速靶向識(shí)別算法的基本原理

依據(jù)多功能雷達(dá)PRI生成的原理分析可知，PRI是由晶振基本間隔經(jīng)過分頻產(chǎn)生的，則式(1)可簡(jiǎn)要表示為

Pi=mia×Tclk+Δεi=(mi+Δεi/aTclk)×aTclk=(mi+bi)×aTclk

(2)

bi=Δεi/aTclk

(3)

式中：mi是由分頻電路產(chǎn)生的，為整數(shù)；Δεi的數(shù)量級(jí)遠(yuǎn)小于aTclk；bi的值接近于零。經(jīng)過以上分析可知，對(duì)接收信號(hào)的脈沖流進(jìn)行處理，若該脈沖流中含有某重點(diǎn)雷達(dá)信號(hào)，則脈沖流中將有一定數(shù)量的PRI和該雷達(dá)的相對(duì)晶振基本間隔接近整除；若全脈沖中不含有該雷達(dá)信號(hào)，則不具有該性質(zhì)。

2.2 基于相對(duì)晶振基本間隔的重點(diǎn)雷達(dá)信號(hào)快速識(shí)別算法

將脈沖流中兩個(gè)脈沖的到達(dá)時(shí)間相減，并以此間隔除以重點(diǎn)雷達(dá)信號(hào)的相對(duì)晶振基本間隔，記錄連續(xù)整除的脈沖數(shù)。若連續(xù)整除的次數(shù)達(dá)不到設(shè)定的要求，則以其他的時(shí)間間隔繼續(xù)進(jìn)行以上步驟，直到滿足條件的時(shí)間間隔都進(jìn)行了相關(guān)處理為止；若沒有脈沖符合條件，則認(rèn)為脈沖流中沒有重點(diǎn)雷達(dá)信號(hào)。具體算法如圖4所示。

圖4 基于相對(duì)脈沖基本間隔的重點(diǎn)雷達(dá)信號(hào)快速識(shí)別Fig.4 Rapid identification of key radar signals based on the basic interval of the relative pulse

圖中：τ表示兩個(gè)脈沖的時(shí)間差值；nshe為預(yù)先設(shè)置的一個(gè)數(shù)。相對(duì)脈沖時(shí)間間隔在tmin和tmax之間，有大于ushe個(gè)連續(xù)脈沖時(shí)間間隔可以整除tclk，則認(rèn)為脈沖流中有重點(diǎn)雷達(dá)信號(hào)，tclk為相對(duì)晶振基本間隔，若余數(shù)小于門限值tclkshe,則認(rèn)為τ可以整除tclk。

2.3 進(jìn)一步識(shí)別重點(diǎn)雷達(dá)信號(hào)的工作狀態(tài)

隨著雷達(dá)技術(shù)的快速發(fā)展，多功能雷達(dá)的發(fā)展已然成為趨勢(shì)，且符合實(shí)際需求。多功能雷達(dá)是可以同時(shí)執(zhí)行搜索、多目標(biāo)跟蹤、導(dǎo)彈制導(dǎo)等多種工作任務(wù)的雷達(dá)。對(duì)多功能雷達(dá)的工作任務(wù)進(jìn)行分析，每種工作任務(wù)需要相應(yīng)的工作模式來完成。在不同的工作模式中參數(shù)是捷變的，多部同型號(hào)雷達(dá)的工作參數(shù)是相互交叉的。例如載頻，同一個(gè)區(qū)域多部同型號(hào)多功能雷達(dá)的載頻變化范圍出現(xiàn)重疊，為避免雷達(dá)之間的相互干擾，某雷達(dá)在某工作模式下，采用的具體載頻點(diǎn)是不同的。

3 計(jì)算機(jī)仿真分析

本文利用基于晶振特征的重點(diǎn)雷達(dá)信號(hào)快速靶向識(shí)別，與常規(guī)的方法相比，該方法針對(duì)性更強(qiáng)，所需參數(shù)更少，算法簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)。為對(duì)比算法的識(shí)別效果，分別利用PRI搜索法和改進(jìn)PRI變換法對(duì)脈沖流進(jìn)行處理。

3.1 算法優(yōu)越性

同一部多功能雷達(dá)有很多種工作模式，因工作任務(wù)不同，該雷達(dá)的工作模式隨著工作任務(wù)進(jìn)行切換，每種工作模式下，各種工作參數(shù)也不相同。表1和表2是對(duì)兩部多功能雷達(dá)的參數(shù)設(shè)置。為方便討論，將多功能雷達(dá)的工作模式簡(jiǎn)化，每個(gè)工作模式完整執(zhí)行一個(gè)周期，就執(zhí)行下一個(gè)工作模式，如此循環(huán)執(zhí)行。

表1 基于晶振特征的雷達(dá)基本參數(shù)設(shè)置

表2 多功能雷達(dá)的工作參數(shù)設(shè)置

PRI搜索法采用文獻(xiàn)[6]中的算法，PRI搜索范圍為600～2100 μs，圖5為PRI分選算法的分選結(jié)果，從中分選出32個(gè)不同的PRI值，實(shí)際只有兩部雷達(dá)信號(hào)，分選出來的PRI值是搜索范圍內(nèi)的一部雷達(dá)信號(hào)的一個(gè)PRI值或者連續(xù)幾個(gè)PRI值的疊加；圖6是改進(jìn)的PRI變換算法對(duì)脈沖流的處理結(jié)果，采用文獻(xiàn)[7]中的算法，對(duì)算法中的參數(shù)設(shè)置如下：α=0.38,β=0.25,γ=3,τmin=600,τmax=21 400,K=5000,ξ0=0.03，該算法對(duì)于參差、組變或者抖動(dòng)的雷達(dá)信號(hào)無能為力，當(dāng)要識(shí)別的雷達(dá)信號(hào)中含有PRI抖動(dòng)的雷達(dá)信號(hào)，沒有固定的自重復(fù)周期，該算法對(duì)于這種復(fù)雜的雷達(dá)信號(hào)基本失去作用。經(jīng)過分析，對(duì)于PRI變化復(fù)雜，且包含一定量的PRI抖動(dòng)信號(hào)的情況，傳統(tǒng)的PRI分選算法無法準(zhǔn)確地對(duì)該雷達(dá)信號(hào)進(jìn)行分選。

圖5 PRI分選算法的分選結(jié)果Fig.5 Sorting results of PRI sorting algorithm

圖6 改進(jìn)的PRI變換法的分選結(jié)果Fig.6 Results of the improved PRI transformation

圖7為全脈沖的識(shí)別，從中可以看出，當(dāng)脈沖流中的脈沖為理想值時(shí)，基于晶振特征的重點(diǎn)雷達(dá)信號(hào)快速靶向識(shí)別算法對(duì)復(fù)雜的PRI雷達(dá)信號(hào)可以準(zhǔn)確地識(shí)別。圖8為利用載頻對(duì)脈沖流進(jìn)行一個(gè)預(yù)分選，再利用重點(diǎn)雷達(dá)信號(hào)的相對(duì)脈沖基本間隔對(duì)重點(diǎn)雷達(dá)信號(hào)的脈沖進(jìn)行識(shí)別。

圖7 全脈沖的識(shí)別Fig.7 Recognition of overall pulses

圖8 工作模式的識(shí)別Fig.8 Identification of working modes

根據(jù)以上分析可知，基于晶振特征的重點(diǎn)雷達(dá)信號(hào)快速靶向識(shí)別算法可以對(duì)PRI參差、組變、抖動(dòng)等脈沖進(jìn)行準(zhǔn)確分選識(shí)別，這是常規(guī)PRI分選算法難以克服的困難。尤其對(duì)PRI在一個(gè)較大范圍內(nèi)抖動(dòng)的雷達(dá)信號(hào)，本身的PRI變化規(guī)律難以尋找，只有從PRI的產(chǎn)生原理著手，才能對(duì)該系列的脈沖進(jìn)行識(shí)別。該算法可以準(zhǔn)確識(shí)別出同一部多功能雷達(dá)的所有工作模式的脈沖，且可以做到分別對(duì)不同的工作模式進(jìn)行識(shí)別，這是常規(guī)的分選算法難以做到的。

3.2 適用情況

以上得到的結(jié)果是理想情況下各種算法的處理情況。由前文分析可知，隨機(jī)誤差是納秒量級(jí)，為模擬實(shí)際接收到脈沖流的情況，本文對(duì)理想的脈沖流中的脈沖到達(dá)時(shí)間添加隨機(jī)誤差，隨機(jī)誤差服從均值為零的正態(tài)分布，且標(biāo)準(zhǔn)差設(shè)置為σ。在不同的頻率容差條件下，基于晶振特征的重點(diǎn)雷達(dá)信號(hào)快速識(shí)別算法的適用情況如表3所示。

表3 改變頻率容差情況下的1000次Monte Carlo實(shí)驗(yàn)

表3中ushe取值為4，取值過小，很容易將其他雷達(dá)脈沖也判斷為要識(shí)別的雷達(dá)脈沖信號(hào)，取ushe大于4來降低其他雷達(dá)脈沖的影響，提高識(shí)別正確率。在相對(duì)晶振基本間隔取值一定的條件下，為使對(duì)雷達(dá)脈沖的識(shí)別正確率滿足一定的條件，門限tclkshe值的設(shè)置是由標(biāo)準(zhǔn)差σ決定的。

表3中對(duì)不同隨機(jī)誤差取值，改變相對(duì)晶振基本間隔值進(jìn)行多次仿真，得出每個(gè)相對(duì)晶振基本間隔值對(duì)重點(diǎn)雷達(dá)信號(hào)的識(shí)別正確率，利用識(shí)別正確率判斷該相對(duì)晶振基本間隔對(duì)重點(diǎn)雷達(dá)信號(hào)的識(shí)別的可靠性。若脈沖的識(shí)別正確率小于10%，則認(rèn)為此時(shí)的相對(duì)晶振基本間隔偏離理想值較大，不能完成對(duì)重點(diǎn)雷達(dá)信號(hào)的識(shí)別；若重點(diǎn)雷達(dá)的脈沖的識(shí)別正確率在85%以上，則認(rèn)為這個(gè)誤差范圍內(nèi)，都能對(duì)重點(diǎn)雷達(dá)信號(hào)的脈沖進(jìn)行很好的識(shí)別。如果有兩部雷達(dá)的相對(duì)晶振振蕩頻率都在這個(gè)區(qū)間范圍內(nèi)，則認(rèn)為該方法無法對(duì)兩部雷達(dá)中的某部雷達(dá)信號(hào)進(jìn)行準(zhǔn)確的識(shí)別。

如表3所示，進(jìn)行了3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差值的仿真，有2個(gè)值是為了對(duì)實(shí)際情況進(jìn)行拓展。脈沖流中脈沖到達(dá)時(shí)間的實(shí)際值偏離理想值的隨機(jī)誤差取值是在納秒量級(jí)，在理想值上添加標(biāo)準(zhǔn)差σ為0.003 9 μs，基本符合實(shí)際情況。例如對(duì)晶振的振蕩頻率是1.25 MHz，相對(duì)晶振基本間隔是8 μs進(jìn)行分析，頻率容差在1.25 Hz之內(nèi)對(duì)該雷達(dá)信號(hào)的識(shí)別效果都很好，頻率容差在1.25～12.5 Hz對(duì)該雷達(dá)信號(hào)的識(shí)別效果較差，當(dāng)頻率容差大于12.5 Hz就無法對(duì)該雷達(dá)信號(hào)進(jìn)行識(shí)別。因此，基于晶振特征的算法對(duì)該雷達(dá)的晶振頻率的容差分辨率的分布范圍是在1.25～12.5 Hz。同理，對(duì)于晶振頻率為10 MHz的雷達(dá)，該算法的頻率容差分辨率的分布范圍在10～100 Hz。

綜上所述，對(duì)于不同雷達(dá)的晶振特征，基于晶振特征的算法對(duì)晶振容差的分辨率最小值在幾赫茲到上百赫茲之間，符合實(shí)際需求。

在一定仿真分析的基礎(chǔ)上改變隨機(jī)誤差，保證其他參數(shù)不變的情況下，進(jìn)一步驗(yàn)證隨機(jī)誤差對(duì)識(shí)別正確率的影響，具體的識(shí)別正確率如表4所示。

表4 改變隨機(jī)誤差情況下的1000次Monte Carlo實(shí)驗(yàn)

可以看出，當(dāng)其他參數(shù)設(shè)置合理，識(shí)別正確率能滿足實(shí)際需求。當(dāng)隨機(jī)誤差增大時(shí)，不改變其他參數(shù)的設(shè)置，識(shí)別情況難以滿足需求。當(dāng)隨機(jī)誤差減小時(shí)，識(shí)別正確率較高。

3.3 基于晶振特征識(shí)別的快速性

如表5所示，對(duì)比了幾種算法處理同一脈沖流所需要的時(shí)間，明顯可以看出,基于晶振特征的重點(diǎn)雷達(dá)信號(hào)快速靶向識(shí)別算法所消耗的時(shí)間更少，且完成了對(duì)重點(diǎn)雷達(dá)信號(hào)的識(shí)別。PRI搜索法和改進(jìn)PRI變化法只完成了對(duì)脈沖的分選。

表5 1000次Monte Carlo實(shí)驗(yàn)的時(shí)間統(tǒng)計(jì)

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出利用重點(diǎn)雷達(dá)信號(hào)的晶振特征對(duì)脈沖流進(jìn)行識(shí)別處理，該算法從PRI的生成原理著手考慮，PRI的變化復(fù)雜與否對(duì)該算法的識(shí)別情況影響很小，相對(duì)于傳統(tǒng)算法，PRI變化越復(fù)雜，該算法的優(yōu)越性越強(qiáng)，通過與PRI搜索法與改進(jìn)PRI變化法進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了該算法對(duì)復(fù)雜雷達(dá)信號(hào)的處理速度和識(shí)別效果都是優(yōu)于傳統(tǒng)方法的,通過增加隨機(jī)誤差亦驗(yàn)證了該算法在實(shí)際環(huán)境下的可行性。傳統(tǒng)的PRI處理方法可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)的盲源分離，但實(shí)時(shí)性和針對(duì)性較差。基于前期的雷達(dá)對(duì)抗情報(bào)偵察，能夠?qū)o我方產(chǎn)生威脅的雷達(dá)信號(hào)有一定的了解，能得到想要的雷達(dá)晶振特征，滿足該算法對(duì)脈沖流處理前需要重點(diǎn)雷達(dá)信號(hào)的晶振特征這個(gè)條件。在緊急情況下，需要對(duì)重點(diǎn)雷達(dá)信號(hào)進(jìn)行快速識(shí)別，因此本文具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。