基于序列樣本的威脅雷達信號識別方法

沈家煌，黃建沖，朱永成

（國防科技大學電子對抗學院，合肥 230037）

0 引言

現(xiàn)代戰(zhàn)場電磁環(huán)境日益復雜，雷達信號密度大幅度增加，能夠?qū)ν{雷達信號快速識別告警，可以提高己方人員和設備在復雜戰(zhàn)場中的生存能力，同時也為我方采取防御措施，對敵方進行精確打擊贏得寶貴時間。因此，對威脅雷達信號識別研究具有重要意義。

針對傳統(tǒng)雷達信號處理方法繁瑣，信號識別過程較為復雜，消耗時間長等不足，文獻[1]在脈沖樣本圖基礎上研究了一種基于集對分析和滑窗技術的雷達信號快速識別方法。該方法對脈沖流只取一段進行匹配，識別結(jié)果與目標發(fā)射的脈沖個數(shù)不相關，容易出現(xiàn)漏警或虛警現(xiàn)象。為簡化傳統(tǒng)雷達信號處理過程，加快對雷達信號序列的搜索速度，文獻[2]采用變步長搜索方法對信號進行搜索。該方法能夠有效檢測出在脈沖流僅持續(xù)一時間的脈沖序列，但對PRI復雜調(diào)制的雷達信號進行搜索時需要分解信號，從而導致計算量增加，識別速度變慢等問題。本文針對無法判別出脈沖流中持續(xù)時間較短的脈沖信號的問題，及對PRI復雜調(diào)制信號檢測過程繁瑣的問題進行分析研究，提出一種基于序列樣本的威脅雷達信號識別方法。

1 序列樣本和變步長匹配法概述

1.1 序列樣本模型

通常情況下，雷達輻射源在某一工作模式下發(fā)射的脈沖流呈周期性變化。因此，可以用一個周期內(nèi)的脈沖序列作為序列樣本，對雷達在該工作模式下發(fā)射的脈沖流進行準確描述。例如，對于一個三參差的雷達信號，可以用一個幀周期（骨架周期）長度的脈沖序列作為序列樣本。

對雷達情報偵察而言，偵察設備截獲的雷達脈沖信號是在一系列順序時間點上的觀測記錄，這段時間內(nèi)的雷達脈沖信號可以表示為一個具有多維參數(shù)的時間序列。單個信號脈沖可以用k個特征參數(shù)（載頻、脈寬、脈內(nèi)調(diào)制等）來描述，表示為。那么，對1部雷達在某工作模式下的信號序列樣本可以表示為，其中 t1，t2，…，tM為每個脈沖的到達時間（TOA）。

若只考慮脈沖的到達時間，則可將脈沖序列看做單位沖激函數(shù)之和：

同理，可將序列樣本模型化為：

這樣的序列樣本模型方便了后續(xù)的信號處理，且該數(shù)學模型易于理解。

1.2 變步長匹配法

文獻[1]采用了滑窗技術和脈沖樣本圖匹配方法實現(xiàn)雷達信號快速識別，該方法雖簡化了處理環(huán)節(jié)，但以單倍的重復周期T為匹配步長進行信號匹配的方式無法識別出持續(xù)時間較短的信號。如圖1所示，‘1’為第1個匹配成功的脈沖樣本圖，在隨后的匹配過程中若‘2’、‘3’、‘4’、‘5’…匹配成功次數(shù)超過門限值，才判定該脈沖樣本圖所對應的雷達信號存在，從而進行告警。

在實際環(huán)境中，截獲脈沖流中可能存在持續(xù)時間較短或者斷續(xù)的雷達信號，即在觀測時間內(nèi)這些信號可能只在某段時間內(nèi)出現(xiàn)。如果在觀測時間內(nèi)信號持續(xù)出現(xiàn)，那么以一個重復周期為匹配步長的方法能夠正常識別出信號。但如果在觀測時間內(nèi)的某一時刻信號脈沖不再出現(xiàn)時，識別系統(tǒng)就無法判別出這種情況。例如，若此信號為突變的或無威脅的信號，則可能出現(xiàn)虛警，或者出現(xiàn)連續(xù)多次同一脈沖丟失時，可能出現(xiàn)漏警現(xiàn)象。為解決這個問題，采用變步長序列樣本匹配法對觀測時間內(nèi)的脈沖流進行匹配。變步長序列樣本匹配法是指在對觀測時間內(nèi)的脈沖序列進行序列樣本匹配時，以成倍的信號重復周期為匹配步長進行樣本匹配識別。

變步長匹配法原理：設某威脅雷達信號的骨架周期為T，將觀測時間內(nèi)的脈沖流中第1個與序列樣本匹配成功的脈沖作為基準脈沖，以其到達時間為基準時間（如圖 2中‘1’），以 n*T（n為常數(shù)）為匹配步長對剩下的序列進行匹配。例如以3*T為步長時在‘2’、‘3’、‘4’、‘5’，…處進行序列樣本匹配；或者以m*T（m=1，2，…）為步長進行序列樣本匹配。

設威脅雷達信號序列樣本共有L個脈沖，其中第i個脈沖相對于第1個脈沖的到達時間為Ti0，其時間間隔容差取值為ΔTi0，則第i個脈沖形成的時間窗為。威脅雷達信號識別過程中，采用變步長匹配法選擇匹配點，對每個匹配點的序列樣本時間匹配，在第n個匹配點的序列樣本時間匹配如圖3所示：

2 基于變步長匹配法的威脅雷達信號識別

2.1 雷達信號序列樣本

文獻[3]對基于全脈沖的周期信號樣本提取技術進行了研究，從文中可知將全脈沖樣本序列按照到達時間順序進行整體移動，然后與原脈沖序列進行自相關匹配。當脈沖列向右移動長度為一個骨架周期后再與原脈沖列進行相關匹配時，所得的匹配脈沖數(shù)會出現(xiàn)一個峰值，這個骨架周期就是所要提取的脈沖序列模板樣本。圖4所示為重頻三參差脈沖信號脈沖列進行循環(huán)自相關匹配的示意圖。

因此，可以用一個序列樣本表示單部雷達信號在某工作模式下的信號脈沖序列，而這個樣本則用前面敘述的序列樣本模型表示。

2.2 威脅雷達信號匹配識別步驟

基于變步長匹配法的威脅雷達信號識別過程首先是構(gòu)造雷達信號的序列樣本，然后用該序列樣本與篩選后的脈沖序列進行查找匹配，最后根據(jù)匹配成功次數(shù)判定威脅雷達是否存在，如圖5所示。

2.2.1 獲得觀測脈沖流，進行篩選

1）對威脅雷達信號識別首先從接收機截獲的脈沖流中截取T0長度的脈沖流。

2）由于截獲信號脈沖流中存在大量的噪聲和我們不感興趣的信號脈沖序列，所以先利用該威脅雷達信號脈沖的載頻、脈寬及脈內(nèi)特征對觀測脈沖流進行篩選。

設威脅雷達信號的載頻、脈寬為多值，其容差分別為Δfi和i，則載頻、脈寬分別為

若觀測脈沖流的第i個脈沖的載頻fi∈RF且脈寬i∈PW，就認為觀測脈沖流中的第i個脈沖是威脅雷達信號的準脈沖。完成對觀測脈沖流篩選后，判斷篩選出的準脈沖所構(gòu)成的序列能否構(gòu)成信號序列。若無法構(gòu)成信號序列則說明觀測脈沖流中不存在該威脅雷達在該工作模式下的信號；若能則稱此序列為準信號脈沖序列，繼續(xù)信號識別過程。

2.2.2 查找匹配基準脈沖

1）首先以準信號脈沖序列的第1個脈沖作為基準脈沖，然后用序列樣本與長度為T的子序列（包括基準脈沖）進行匹配。

這種選取基準脈沖的方法，一方面無論威脅雷達信號從哪一時間點開始出現(xiàn)都可以檢測到，避免出現(xiàn)在序列后段的信號漏警；另一方面可較早地找到威脅雷達信號出現(xiàn)的時間點，增加可匹配序列的長度，提高匹配識別結(jié)果的準確度。

2.2.3 用變步長匹配法對準信號脈沖序列進行匹配識別

若找到匹配基準脈沖，則根據(jù)該威脅雷達信號的特性及該工作模式的特點，選擇合適的匹配步長，對準信號脈沖序列進行匹配。若匹配成功的次數(shù)大于門限值，則認為觀測脈沖流中存在該工作模式下的該威脅雷達信號，反之則不存在。

2.2.4 判斷識別的威脅雷達信號在觀測時間后段是否仍然存在

對識別信號過程中進行序列樣本匹配的每個點的匹配結(jié)果統(tǒng)計，通過統(tǒng)計分析雷達信號在觀測時間內(nèi)持續(xù)的時間。如果前k個匹配點能夠匹配成功，而從第k+1個點后都匹配失敗則說明該信號在第k+1個匹配點的時間段后就不存在了。對在觀測時間段內(nèi)不完整的信號，需再次進行截取脈沖流，重復進行識別過程，即返回步驟2.2.1，以避免發(fā)生虛警現(xiàn)象。

同一個雷達輻射源往往具有多種工作模式，在對其中一種工作模式下的雷達信號匹配識別失敗時，就進行另一種工作模式下的雷達信號識別，直至所有工作模式都匹配失敗，才認為該威脅雷達輻射源不存在。反之，只要存在一種工作模式下的雷達信號，則認為該威脅雷達存在[10]。

3 仿真實驗分析

為驗證文中所提出的方法能夠解決在觀測時間的后段無法判斷信號是否仍存在的問題，及對威脅雷達信號的告警準確度和可信度，下面進行仿真實驗分析。仿真實驗接收混合信號包含6部雷達信號，分別為1部PRI固定雷達信號，PRI值為150 μs；1部PRI抖動雷達信號（抖動量δ=10%），其中心值PRI0=240 μs；1部三參差雷達信號，子周期分別為PRI1=160 μs，PRI2=220 μs，PRI3=360 μs；1 部滑變信號，PRI滑變范圍為 100 μs～310 μs；1 部正弦調(diào)制信號，PRI調(diào)制均值 PRI0=200 μs；1 部 PRI脈組捷變雷達信號，其 PRI∈{30 μs，60 μs，95 μs}，詳細信息見表1。

表1 雷達信號參數(shù)表

首先驗證序列樣本與變步長匹配法相結(jié)合的威脅雷達信號識別方法，仿真試驗中截取一段包含6部雷達信號的混合脈沖流作為待識別的脈沖流，以信號1～5作為威脅雷達信號，信號6作為無關信號。對每個威脅雷達信號進行1 000次Monte Carlo實驗，取這1 000次實驗結(jié)果的均值作為最終仿真實驗結(jié)果，如表2所示。

1.天下才人俱以一傲字敗，天下庸人俱以一惰字?。?.不能不趁三十以前立志猛進也；3.集思廣益本非易事，要當內(nèi)持定見，外廣延納；4.莫問收獲，但問耕耘；5.天下事當于大處著眼，小處下手；6.先靜之再思之，五六分把握即做之；7.凡全付精神專注一事，終身必有所成；8.智慧愈苦而愈明。

表2 仿真實驗結(jié)果

表2中t代表本文方法識別信號所用的時間，t′為文獻[6]中信號識別方法識別信號所用的時間；β1表示基于序列樣本的信號識別方法的正確匹配率，其中β1為一次仿真實驗中正確匹配次數(shù)與總匹配次數(shù)的比值。由于基于序列樣本的信號識別方法與文獻[9]都是采用脈沖序列進行識別，所以將基于序列樣本的信號識別方法的仿真實驗結(jié)果與脈沖樣本圖匹配識別結(jié)果（β2）進行對比，以證明基于序列樣本的信號識別方法有效性。

分析實驗結(jié)果可知，序列樣本與變步長匹配法的信號識別方法能夠有效地識別出威脅雷達信號。與文獻[3]的脈沖樣本圖識別方法相比，基于序列樣本的威脅雷達信號識別方法正確識別率高，對復雜信號的適應能力強。分析表2中結(jié)果可知重頻參差信號的正確率比重頻固定信號的正確率高，這是因為序列樣本匹配是利用有序的多個脈沖同時進行匹配，而重頻參差信號的序列樣本就是有序的多個脈沖，利用其時序信息進行信號識別。另外，從表2中各個雷達信號的識別時間t及正確匹配識別率β1對比可知，隨著雷達信號的重頻特征調(diào)制方式變復雜，識別所用的時間隨之增加，正確匹配識別率也有所下降。

驗證識別方法的有效性后，下面驗證識別系統(tǒng)對信號持續(xù)時間的檢測能力。仿真實驗中截取脈沖流的時間長度為0.5 s，即觀測時間T0=0.5 s，其中設置威脅雷達信號2在t0處截止，即在t0時刻后信號不再出現(xiàn)了。以威脅雷達信號為待識別目標，對脈沖流采用基于樣本序列與變步長匹配法結(jié)合的識別方法進行匹配識別，識別過程中所選取的點匹配結(jié)果如圖6所示。

從圖6中可以得知，對不同PRI調(diào)制的雷達信號在同一觀測時間內(nèi)的檢測點的數(shù)量不同，圖中顯示的疏密程度不同。例如信號5比信號6的檢測點數(shù)量少，相鄰檢測點之間間隔大，檢測步長更長。在觀測時間內(nèi)對威脅雷達信號2識別時，檢測到它只出現(xiàn)在t0=0.168 2 s之前，而其他的雷達信號在觀測時間內(nèi)都持續(xù)出現(xiàn)。為提高對威脅雷達信號2的告警準確度，需針對信號2再次截獲脈沖流進行識別。仿真實驗證明基于信號樣本序列的快速識別系統(tǒng)檢測威脅雷達信號在觀測時間內(nèi)的持續(xù)時間，能有效降低誤警概率，提高威脅雷達信號告警的準確度。

4 結(jié)論

針對復雜戰(zhàn)場電磁環(huán)境中的威脅雷達信號識別問題，研究了信號樣本序列與變步長匹配方法，提出了一種基于序列樣本的威脅雷達信號識別新方法。序列樣本的構(gòu)造方法和脈沖樣本圖相比，更為簡單、適用。實驗結(jié)果表明基于序列樣本的威脅雷達信號識別算法對信號持續(xù)時間進行檢測，解決了無法判別持續(xù)時間較短的信號問題，采用重新截取觀測脈沖流進行識別的措施也能夠降低威脅雷達信號誤警概率。同時，仿真實驗表明基于序列樣本的威脅雷達信號識別方法準確度高，對復雜信號適應能力強，在實際環(huán)境中具有實用價值，為今后對威脅雷達信號識別研究提供了參考。