連續(xù)波體制引信多譜峰特性目標(biāo)檢測方法

張 俊,馮昌林,魏軍輝

(解放軍92942部隊,北京 100161)

0 引言

在地/海雜波背景及復(fù)雜的戰(zhàn)場電磁環(huán)境中,噪聲對連續(xù)波體制引信的目標(biāo)檢測性能影響很大,因此無線電引信除了向著多功能、高精度方向發(fā)展外,適應(yīng)地/海雜波背景及復(fù)雜噪聲環(huán)境的目標(biāo)檢測能力也成為其發(fā)展的一個重要方面[1]。

對于連續(xù)波體制引信而言,較強(qiáng)的環(huán)境噪聲對引信的目標(biāo)檢測性能影響很大。受到波形約束,連續(xù)波體制引信的信號收發(fā)相關(guān)信道保護(hù)也不是很嚴(yán)密,所以目前提升連續(xù)波體制引信在強(qiáng)噪聲環(huán)境下的目標(biāo)檢測能力主要集中在信號識別環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)[2]。信號識別的關(guān)鍵在于特征提取,選擇合適的特征參量可以適應(yīng)較強(qiáng)的環(huán)境噪聲。

信號時頻分析是提取特征參量的一種有效方法,分?jǐn)?shù)階傅里葉變換[3]、短時傅里葉變換[4-5]、希爾伯特黃變換[2]、小波變換[6-10]等信號分析方法已經(jīng)被應(yīng)用于引信的目標(biāo)探測和識別。但是上述分析手段主要聚焦于信號在時頻域的二維特性,沒有對目標(biāo)信號中的多譜峰特性進(jìn)行研究及相關(guān)報道。

連續(xù)波體制引信在信號處理電路中采取了一些適應(yīng)強(qiáng)環(huán)境噪聲的措施,如接近目標(biāo)開始接電、動態(tài)噪聲門限、自適應(yīng)改變通道增益等,能夠適應(yīng)一般水平的環(huán)境噪聲,但是當(dāng)環(huán)境噪聲較大時,以上方法的效果有限。

由于毫米波引信具有較高的分辨率,在彈目交會過程中,目標(biāo)回波信號會將目標(biāo)的結(jié)構(gòu)特征在頻域體現(xiàn)為多個譜峰。本文通過提取目標(biāo)回波信號短時頻譜中多個譜峰的間隔來區(qū)分目標(biāo)信號與環(huán)境噪聲,提高連續(xù)波體制引信的在強(qiáng)噪聲環(huán)境下的目標(biāo)檢測能力。

1 目標(biāo)回波信號短時頻譜特性

目標(biāo)檢測的重要方法之一就是特征提取,特征提取有很多種方法,常見的方法之一就是對信號進(jìn)行變換,例如將信號變換到頻域上提取信號的頻域特征。由于干擾信號作用下檢波輸出信號含有較多諧波,而且振蕩狀態(tài)不穩(wěn)定,可以利用頻譜的區(qū)別來識別目標(biāo)信號與干擾信號。

彈目交會過程中,連續(xù)波多普勒引信的檢波輸出信號為多頻率的多普勒信號,除去直流分量外,它的頻譜表現(xiàn)為在多普勒頻率附近的多個脈沖。實(shí)測的目標(biāo)回波作用下引信檢波信號的短時頻譜序列如圖1所示,其中短時頻譜a～d對應(yīng)的彈目距離依次為20 m、15 m、10 m、5 m。

圖1 目標(biāo)回波信號的短時頻譜序列

如圖1中的目標(biāo)回波信號的短時頻譜d所示,由于毫米波引信具有較高的分辨率,目標(biāo)回波信號的短時頻譜呈現(xiàn)多譜峰的特性,多個譜峰在多普勒頻率附近分布,譜峰的間隔和目標(biāo)的強(qiáng)反射點(diǎn)結(jié)構(gòu)分布有關(guān)。統(tǒng)計分析目標(biāo)回波信號短時頻譜的多譜峰特性,可以將目標(biāo)回波信號和干擾信號區(qū)分開來。

2 連續(xù)波體制引信多譜峰特性目標(biāo)檢測

2.1 提取回波信號的短時頻譜譜峰

彈目交會過程中,引信接收到的回波信號為非平穩(wěn)信號,考慮到算法的實(shí)時性,本文通過對信號進(jìn)行短時傅里葉變換得到信號的短時頻譜,進(jìn)而提取信號在時刻t對應(yīng)的譜峰信息。提取信號在時刻t的譜峰信息的步驟如下:

1) 通過矩形窗取回波信號在時刻t的信號片段s;

2) 對信號片段s進(jìn)行傅里葉變換,得到該信號片段對應(yīng)的短時頻譜,頻率分辨率為Δf;

3) 計算信號片段s頻譜的平均幅值A(chǔ);

4) 提取幅值大于2A的譜線信息,并按頻率從低至高依次排列,得到譜線序列F′;

5) 對譜線序列F′進(jìn)行聚類處理,得到信號片段s對應(yīng)的譜峰信息。

在步驟4)中,譜峰在提取的譜線序列中會對應(yīng)多條連續(xù)的譜線,因此通過步驟5)的聚類處理,將相鄰的譜線聚合到一起對應(yīng)譜峰信息。

提取信號片段s的譜峰信息的流程圖如圖2所示。

圖2 提取多譜峰的流程

2.2 提取多譜峰的位置及間隔

由于無線電引信的算力資源有限,所以本文構(gòu)建量化指標(biāo)來反映多譜峰的特征,以降低資源開銷,提高算法的實(shí)用性。

反映多譜峰特征的量化指標(biāo)包括譜峰頻率的均值和譜峰間隔的均值。其中,根據(jù)彈目交會過程中的多普勒效應(yīng),譜峰頻率的均值應(yīng)在目標(biāo)多普勒頻率附近,因此判斷多譜峰平均頻率是否在彈目交會過程中多普勒頻率附近可以排除多譜峰平均頻率不在多普勒頻率附近的回波信號。計算多譜峰平均頻率的計算過程為

(1)

式(1)中,f為多譜峰位置對應(yīng)的頻率,N為譜峰數(shù)量,fi為第i個譜峰所處的頻率。

由于目標(biāo)回波信號的譜峰間隔與目標(biāo)的空間結(jié)構(gòu)直接相關(guān),而噪聲的譜峰分布具有隨機(jī)性,與目標(biāo)回波信號的譜峰間隔分布并不一致,因此分析判斷譜峰間隔可以極大提高對提取到的譜峰按頻率從低至高進(jìn)行排布,計算相鄰譜峰的頻率間隔,取平均值作為回波信號多譜峰間隔,計算過程為

(2)

式(2)中,w為多譜峰對應(yīng)的間隔,N為譜峰數(shù)量,fi和fi+1為第i個和第i+1個譜峰所處的頻率。

2.3 通過閾值區(qū)分目標(biāo)信號與干擾信號

根據(jù)計算得到的多譜峰對應(yīng)的頻率f和間隔w,通過比對閾值F和W來判斷回波信號是否為目標(biāo)信號,其中,閾值F和W為一個統(tǒng)計范圍區(qū)間。具體流程如圖3所示。

圖3 根據(jù)頻率f和間隔w區(qū)分目標(biāo)信號和干擾信號的流程

3 仿真驗證

3.1 測試數(shù)據(jù)

本文采用3組微波暗室實(shí)采的目標(biāo)回波數(shù)據(jù)和隨機(jī)噪聲進(jìn)行仿真驗證,3組信號在彈目交會過程中的脫靶量依次為1.5、2.5和3.5 m。目標(biāo)回波信號的時域波形如圖4所示。

圖4 信號時域波形

3.2 仿真驗證結(jié)果

仿真試驗采用3.1節(jié)中的3組目標(biāo)信號分別進(jìn)行實(shí)驗。在每組實(shí)驗中,在檢波信號中加入高斯白噪聲,信噪比為-10～3 dB,基于本文設(shè)計的算法對混入高斯白噪聲的信號進(jìn)行目標(biāo)信號和干擾信號的識別,比對識別為目標(biāo)信號的時刻與實(shí)際目標(biāo)信號出現(xiàn)的時刻來確認(rèn)本文算法識別目標(biāo)信號的檢測率和虛警率。實(shí)驗通過短時傅里葉變換提取回波信號的短時頻譜,每幀頻譜采用2 048點(diǎn)傅里葉變換,共提取800幀短時頻譜。短時頻譜采用歸一化的頻率和幅值,多譜峰平均頻率的閾值F設(shè)定為[0.09,1],平均頻率間隔的閾值W設(shè)定為[0.019,0.021]。

以第3組脫靶量為3.5 m的信號為例,經(jīng)本文算法提取到的目標(biāo)信號多譜峰結(jié)果如圖5所示,譜峰數(shù)量為3,多譜峰的平均歸一化頻率為0.096,平均歸一化譜峰間隔為0.02,符合設(shè)定的閾值條件,識別為目標(biāo)信號。

圖5 目標(biāo)信號的多譜峰提取結(jié)果

經(jīng)本文算法提取到的噪聲的多譜峰結(jié)果如圖6所示,譜峰數(shù)量為7,多譜峰的平均歸一化頻率為0.365,平均歸一化譜峰間隔為0.13,不符合設(shè)定的閾值條件,識別為噪聲。

圖6 噪聲的多譜峰提取結(jié)果

由于高斯白噪聲具有隨機(jī)性,這里重復(fù)實(shí)驗1 000次。通過1 000次獨(dú)立的仿真實(shí)驗,對于3組不同的目標(biāo)回波信號,通過本文設(shè)計的算法區(qū)分目標(biāo)信號和干擾信號的實(shí)驗結(jié)果如表1所示。

表1 基于多譜峰特性的目標(biāo)識別仿真實(shí)驗結(jié)果

對比實(shí)驗采用常規(guī)的幅值最大譜峰的檢測手段,即根據(jù)幅值最大的譜峰頻率和幅值來區(qū)分目標(biāo)信號與噪聲,實(shí)驗條件與上面相同,實(shí)驗結(jié)果如表2所示。

表2 基于幅值最大譜峰特性的目標(biāo)識別仿真實(shí)驗結(jié)果

對比兩次實(shí)驗可以看到,基于多譜峰特性的目標(biāo)識別方法具有更好的檢測效果。

4 結(jié)論

本文提出一種基于多譜峰特性的連續(xù)波多普勒引信的目標(biāo)檢測方法。該方法利用毫米波引信分辨率較高的優(yōu)勢,根據(jù)彈目交會過程中目標(biāo)信號具有多譜峰的特性,在提取回波信號短時頻譜多譜峰信息的基礎(chǔ)上,通過構(gòu)建譜峰平均頻率和譜峰平均間隔的量化指標(biāo)來區(qū)分目標(biāo)信號和環(huán)境噪聲。

仿真實(shí)驗結(jié)果表明,該方法能夠有效提高連續(xù)波體制引信在強(qiáng)噪聲環(huán)境下的目標(biāo)檢測能力,并且該方法通過構(gòu)建量化指標(biāo)來體現(xiàn)多譜峰的特性,易于工程實(shí)現(xiàn),具有較高的工程實(shí)用價值。