胡新宇,張鐵軍,王 昀
(1.中國航天科工集團(tuán)8511 研究所,江蘇 南京210007;2.陸軍裝備部駐上海地區(qū)航空軍事代表室,上海200000)
電子偵察系統(tǒng)用于截獲敵方輻射源發(fā)出的電磁信號,并對其進(jìn)行識別、分析和定位,完成對戰(zhàn)場電磁環(huán)境態(tài)勢的感知,具有抗打擊能力強(qiáng)、作用范圍廣、隱蔽性高等優(yōu)勢,是現(xiàn)代軍事偵察不可缺少的重要手段。隨著雷達(dá)技術(shù)的不斷發(fā)展,各國都在使用大量采用了低截獲概率(LPI)技術(shù)體制的雷達(dá)設(shè)備,其特點(diǎn)是采用低功率、大帶寬、大時寬、復(fù)雜調(diào)制等手段,使得傳統(tǒng)的電子偵察系統(tǒng)難以對其進(jìn)行感知。
針對LPI 雷達(dá)的信號特點(diǎn),本文提出了一種低截獲概率雷達(dá)信號偵察技術(shù),通過采用多維聯(lián)合相干處理、高分辨率檢測處理、實(shí)時脈內(nèi)調(diào)制分析、多維參數(shù)聯(lián)合分選等技術(shù),可有效提升對LPI 雷達(dá)信號的偵收、檢測及識別水平,增強(qiáng)電子偵察系統(tǒng)對LPI 雷達(dá)信號的感知能力。
LPI 雷達(dá)信號偵察技術(shù)流程圖如圖1 所示。
圖1 LPI 雷達(dá)信號偵察技術(shù)流程圖
1)多維聯(lián)合相干處理:對信號分別進(jìn)行頻域、空域的相干處理,增加檢測信號時的處理增益,提高系統(tǒng)對LPI 雷達(dá)信號的偵收能力。
2)高分辨率檢測處理:采用多重信號分類(MUSIC)處理算法,通過對輸入信號進(jìn)行相干矩陣的計(jì)算,并進(jìn)行特征值分解,得到分別對應(yīng)于信號和噪聲的特征值幅度值,然后分析特征值以提高信號的分辨率。
3)實(shí)時脈內(nèi)調(diào)制分析:通過求解LPI 信號的相位差分,實(shí)時進(jìn)行脈內(nèi)識別處理,獲取LPI 信號的脈內(nèi)調(diào)制信息。
4)多維參數(shù)聯(lián)合分選:依據(jù)測量獲得的輻射源信號的多維參數(shù)(載頻、脈寬、角度、脈內(nèi)信息等參數(shù)),實(shí)現(xiàn)對具有少量脈沖的LPI 雷達(dá)信號進(jìn)行有效分選處理。
LPI 雷達(dá)通過采用功率管理等手段,限制發(fā)射功率,使其恰好能滿足對一定距離/雷達(dá)截面積條件下的探測需求,降低信號被截獲概率。為了滿足對LPI雷達(dá)信號的偵收需求,采用基于DBF 體制的多維聯(lián)合相關(guān)處理方案,可有效提升系統(tǒng)對微弱信號的偵收能力。其中偵察天線陣采用采用二維(方位、俯仰維)面陣布局,具體布陣示意圖如圖2 所示。
圖2 陣列天線布陣示意圖
圖2 中,D 為兩個相鄰天線單元之間的間距(λmin/2≤D≤λmin,λmin為所需偵收電磁信號的最短波長);M為方位維天線單元的個數(shù);N 為俯仰維天線單元的個數(shù)。
多維聯(lián)合相干處理技術(shù)算法流程如圖3 所示。
多維聯(lián)合相干處理技術(shù)對信號分別進(jìn)行頻率維、方位維、俯仰維的相干處理,增加了檢測信號時的處理增益,提高了系統(tǒng)靈敏度。
在戰(zhàn)場電磁環(huán)境中,不同輻射源信號的時域、空域、頻域參數(shù)都有可能發(fā)生重疊,如果存在同時到達(dá)的多個信號,且參數(shù)(頻率、方位)的差值小于信道化分辨率,則此時信道化算法難以區(qū)分,會造成漏批、增批現(xiàn)象。如果想要使用信道化算法區(qū)分同時到達(dá)信號,則需要減小相應(yīng)的信道化分辨率。而頻率信道化的分辨率取決于信號脈沖寬度,空域信道化的分辨率取決于天線陣單元的數(shù)目,都受到一定的物理限制。
本文采用基于多重信號分類(MUSIC)的高分辨率技術(shù),通過對輸入信號進(jìn)行相干矩陣的計(jì)算,并進(jìn)行特征值分解,得到分別對應(yīng)于信號和噪聲的特征值幅度值,然后分析特征值以提高信號的分辨率。該技術(shù)利用有限的數(shù)據(jù)長度獲得較高的分辨率,可以一定程度地突破信號的脈沖寬度和天線陣單元數(shù)目的限制,具體流程圖如圖4 所示。
圖3 多維聯(lián)合相干處理技術(shù)流程圖
圖4 高分辨率檢測處理流程圖
1)選擇階數(shù)
選擇的相關(guān)矩陣階數(shù)越大,算法能夠達(dá)到的分辨率越高,同時實(shí)現(xiàn)算法的計(jì)算復(fù)雜度也越大,所以應(yīng)選擇能夠滿足信號分辨率需要的最小階數(shù)。最小階數(shù)一般由所需要分辨的信號個數(shù)決定,計(jì)算公式如下所示:
式中,M 為相關(guān)矩陣最小階數(shù);N 為需要分辨出的信號個數(shù)。
2)構(gòu)建相關(guān)矩陣
選擇信號延時,信號延時如果選擇的不合適,也會對信號分辨率造成影響。然后根據(jù)所選擇信號延時和階數(shù)構(gòu)建相關(guān)矩陣,計(jì)算公式如下所示:
式中,i 為相關(guān)矩陣的行坐標(biāo);j 為相關(guān)矩陣的列坐標(biāo);Xp為延時為p 的信號;Xq為延時為q 的信號。
3)特征值分解
計(jì)算出相關(guān)矩陣的特征值,其中特征值的幅值大小代表信號的相關(guān)性。由于噪聲的相關(guān)性小,所以代表噪聲的特征值較小,而信號的相關(guān)性較大,所以代表信號的特征值也較大。
4)確定信號個數(shù)
分析特征值以確定信號的個數(shù),其中主要的分析方法有以下3種:特征值門限法,信號個數(shù)由超過門限的特征值個數(shù)確定;Akaikew 信息準(zhǔn)則法(AIC),信號個數(shù)由使AIC 準(zhǔn)則最小的值確定;最小描述長度準(zhǔn)則法(MDL),信號個數(shù)由使MDL 準(zhǔn)則最小的值確定。
LPI 雷達(dá)通過采用脈沖壓縮技術(shù),獲得大帶寬、大時寬信號,可有效減少發(fā)射信號功率,降低信號被截獲概率。為了實(shí)現(xiàn)脈沖壓縮,LPI 輻射源使用了大量復(fù)雜調(diào)制技術(shù)。本文通過求解LPI 信號的相位差分,實(shí)時進(jìn)行脈內(nèi)識別處理,獲取LPI 信號的脈內(nèi)調(diào)制信息,具體流程圖如圖5 所示。
圖5 實(shí)時脈內(nèi)識別處理流程圖
LPI 輻射源一般采用調(diào)頻、調(diào)相實(shí)現(xiàn)脈沖壓縮,所以LPI 輻射源信號的數(shù)字表達(dá)式為:
式中,ω(n)為頻率調(diào)制,θ(n)為相位調(diào)制,同時由于頻率與相位有著一定的關(guān)系,可將式(3)改寫為:
式中,A 為幅度,ωc為角頻率,φ(n)為相位。所以有:
獲得同相和正交2 個分量后,通過求解出相位差分mn,可對各種調(diào)制樣式進(jìn)行解調(diào):
LPI 輻射源一般每發(fā)射一個信號,就會改變其頻率、功率等信號參數(shù),因此往往沒有2 個發(fā)射脈沖是相同的,傳統(tǒng)的信號分選技術(shù)很難適應(yīng)。本文采用多維參數(shù)聯(lián)合分選技術(shù),根據(jù)測量獲得的角度、脈寬、載頻、脈內(nèi)調(diào)制等多維信號參數(shù),采用已知輻射源分選、未知輻射源分選等處理手段,聯(lián)合實(shí)現(xiàn)對輻射源信號的分選識別,提升對LPI 輻射源信號的識別能力,具體流程圖如圖6 所示。
圖6 多維參數(shù)聯(lián)合分選流程圖
1)首先,利用先驗(yàn)知識快速地將已知雷達(dá)信號從原始全脈沖信息中挑選出來,并利用分選完成的樣本稀釋原始全脈沖信號,減輕未知復(fù)雜體制雷達(dá)信號與少量脈沖信息分選的壓力:
①將角度、脈寬、載頻、脈內(nèi)調(diào)制等多維參數(shù),按照一定的精度要求,劃為不同的區(qū)間,從而形成一個多維參數(shù)空間。
②采用多維參數(shù)關(guān)聯(lián)比較,實(shí)現(xiàn)對所有已知輻射源信號參數(shù)的比較,完成信號提取。
③完成信號稀釋,并輸出已知分選處理結(jié)果和剩余脈沖信號。
2)其次,對剩余脈沖進(jìn)行未知信號分選處理,提取輻射源信號,具體步驟如下:
①對剩余脈沖信號,按照角度、脈寬、載頻、脈內(nèi)調(diào)制等多維參數(shù),采用基于網(wǎng)格密度的聚類處理算法,使具有相同特征的脈沖形成不同分類。
②對不同分類信號,進(jìn)行信號變化規(guī)律統(tǒng)計(jì)分析,根據(jù)分析規(guī)律進(jìn)行信號搜索,提取該型號信號脈沖。
③對提取出的信號脈沖進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理,生成雷達(dá)輻射源描述字。
3)最后,通過和批處理,減少輻射源漏批、增批現(xiàn)象,提升信號分選結(jié)果的置信度,并將生產(chǎn)的輻射源描述字補(bǔ)充加載到雷達(dá)數(shù)據(jù)庫,為后續(xù)的分選處理提供依據(jù)。
傳統(tǒng)的電子偵察系統(tǒng)對LPI 雷達(dá)的感知能力有限,難以應(yīng)對具有日益復(fù)雜的戰(zhàn)場電磁環(huán)境。針對低截獲概率雷達(dá)的信號特征,本文研究了低截獲概率雷達(dá)信號偵察技術(shù),能夠有效提升對低截獲概率雷達(dá)信號的偵收、檢測及識別水平,提高系統(tǒng)對低截獲概率雷達(dá)信號的感知能力。