雷達、通信、干擾信號一體化檢測識別技術(shù)研究

張漢偉,周秀珍

(中國船舶集團有限公司第七二三研究所,江蘇 揚州 225101)

0 概 述

傳統(tǒng)的雷達對抗和通信對抗,二者相互獨立運行工作,其存在一定的局限性,每個設(shè)備都需要相互獨立的天線、微波、接收處理等模塊,造成了硬件設(shè)備的極大浪費,也導致了平臺隱身性能的大幅度下降[1]。新一代電子偵察設(shè)備需要具備雷達偵察、通信偵察與干擾信號識別功能。雷達偵察的主要功能為監(jiān)測區(qū)域范圍內(nèi)的電磁態(tài)勢,在密集的電磁信號環(huán)境中實時完成雷達信號的截獲、測量、分選、識別處理,為實施綜合電子對抗提供電子支援;對已截獲的雷達信號進行動態(tài)跟蹤和參數(shù)實時更新,為電子干擾提供實時引導。通信偵察的主要功能是能對敵語音數(shù)據(jù)通信、指揮控制通信、戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈、敵我識別和塔康等輻射源信號進行搜索、截獲、測向、分析識別,對已知信號樣式進行解調(diào)、監(jiān)聽與記錄,對未知信號樣式進行中頻采樣與數(shù)字海量存儲,建立并豐富通信情報偵察數(shù)據(jù)庫。干擾信號識別的主要功能是對偵收的輻射源信號進行干擾識別,分辨出是雷達信號還是干擾信號,為指揮員決策提供信息支持?，F(xiàn)在戰(zhàn)場環(huán)境信號復雜多樣,且信號頻率相互交疊,如果按照傳統(tǒng)的信號檢測和分選方法較難將混疊的通信信號和雷達信號進行篩選,且在信號檢測和信號處理時相互影響。

1 雷達信號與通信信號模型

1.1 雷達信號基本模型

電子偵察接收機偵收到的雷達信號一般是由信號和高斯白噪聲兩部分組成。其信號模型可以描述為：

y(t)=s(t)+v(t)=Aejφ(t)+v(t)

(1)

式中：s(t)表示雷達信號;v(t) 表示均值為0、方差為δ2的高斯白噪聲;φ(t)表示相位函數(shù);A表示信號的幅度值。

由于本文主要針對雷達信號的脈內(nèi)特征進行仿真分析,因此不針對捷變等脈間特征不同的雷達,選取了常規(guī)脈沖雷達信號、線性調(diào)頻雷達信號、相位編碼雷達信號等常見的雷達信號作為研究對象。

(1) 常規(guī)脈沖信號

常規(guī)脈沖信號給定數(shù)學模型為：

v(t),0≤t≤T

(2)

式中：fc為起始頻率;T為脈沖寬度;φ為初始相位。

常規(guī)脈沖的時、頻域波形如圖1所示。

(2) 線性調(diào)頻信號

線性調(diào)頻信號廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代雷達系統(tǒng),選擇合適的脈寬和信號帶寬可以達到合適的速度分辨力和距離分辨力,線性調(diào)頻可以分為向上調(diào)頻和向下調(diào)頻。脈沖寬度為τ0,帶寬為B,向上線性調(diào)頻的瞬時相位可表示為：

(3)

(4)

典型的線性調(diào)頻信號可表示為：

(5)

典型的線性調(diào)頻信號的時域與頻域波形如圖2和圖3所示。

圖2 線性調(diào)頻信號的時域波形

圖3 線性調(diào)頻信號的頻域波形

(3) 相位編碼雷達信號

相位編碼信號的調(diào)制函數(shù)是1組離散的有限序列,相位編碼信號的相位一般在0～2π之間[2],一般可表示為：

s(t)=a(t)ejφtej2πf0t=u(t)ej2πf0t

(6)

式中：u(t)=a(t)ejφt為復包絡(luò);φt為信號的相位。

假設(shè)ΔT為信號的脈寬,T為相位編碼信號的中子脈沖寬度,相位編碼信號的碼長為子脈沖的個數(shù)。在高頻波形中,相連子脈沖的相位反轉(zhuǎn)點是否連續(xù)取決于子脈沖寬度T和載頻的關(guān)系。通常用2種比較簡單的方法表示二相編碼信號為{ck}={-1,+1,-1,-1,+1,+1,+1} 或 {ck}={- + - - + + + }。如果二相編碼信號采用二元序列{ck}表示,則二相編碼信號復包絡(luò)為：

(7)

式中：u1(t)為子脈沖的復包絡(luò);T為子脈沖寬度;N為子脈沖個數(shù);ΔT為二相編碼信號的持續(xù)時間。

利用δ函數(shù)的性質(zhì),上面公式可寫為：

u(t)=

(8)

根據(jù)傅里葉變換的性質(zhì),可得到公式(9)和公式(10)。

(9)

(10)

由卷積定理可得,二相編碼信號的頻譜可直接表達為：

u(f)=u1(f)u2(f)=

(11)

二相編碼信號的頻譜為：

(12)

二相編碼信號的時寬帶寬積是由子脈沖數(shù)N決定的,這種信號的帶寬B可通過選取子脈沖寬度T得到,而時寬可以通過選取子脈沖數(shù)N得到,所以二相編碼信號的時寬和帶寬是可以獨立選取的,碼元個數(shù)較多可以得到較大的時寬帶寬積[3]。相位編碼信號的時域與頻域波形如圖4所示。

圖4 相位編碼信號的時域與頻域波形

1.2 通信信號基本模型

本文所說的通信信號主要是指武協(xié)鏈、測控鏈等通信信號,通信信號的主要特點是信號帶寬比較寬,信號幅度變化比較大,為準連續(xù)波信號。通信信號通常包含移頻鍵控信號、移相鍵控信號、正交振幅調(diào)制信號。

(1) 移頻鍵控信號：移頻鍵控信號為調(diào)頻正弦波信號,其中信號模型為：

(13)

式中：A表示脈沖信號幅度;g(t-iTb)表示信號寬度;(ωc+Δωi)t表示脈沖信號的角頻率;φ表示初始相位。

(2) 移相鍵控信號：移相鍵控信號為調(diào)相正弦波信號,其中信號模型的表達式為：

(14)

式中：A表示脈沖信號幅度;g(t-iTb)表示信號寬度;ωct表示脈沖信號的角頻率;φ表示初始相位。

(3) 正交振幅調(diào)制信號：正交振幅調(diào)制信號為調(diào)幅和調(diào)相正弦波信號,其中信號模型為：

s0(t)=g1(t)cos(ωct)-g0(t)sin(ωct)

(15)

式中：g1(t)和g0(t)表示脈沖信號;ωct表示角頻率。

1.3 干擾信號基本模型

干擾信號按照類型可以分為壓制性干擾和欺騙性干擾,壓制干擾又可以分為阻塞干擾、瞄準干擾和掃頻式干擾,欺騙干擾可以分為距離欺騙干擾以及角度欺騙干擾[4]。不同的干擾信號具有不同的頻譜特性,通常把信號的頻譜特性作為干擾信號特征分析和識別的主要依據(jù)。

噪聲干擾的基本模型主要分為射頻噪聲干擾、噪聲調(diào)幅干擾、噪聲調(diào)頻干擾等。

(1) 射頻噪聲干擾

它是通過對白噪聲進行濾波及高頻放大而直接產(chǎn)生的,因此又被稱為純噪聲干擾,其數(shù)學模型可表示為：

J(t)=Un(t)cos(ω0t+φ(t))

(16)

式中：Un(t)為瑞利分布函數(shù);φ(t)表示相位變化率,在[0,2π]內(nèi)均勻分布,φ(t)與Un(t)獨立分布;ω0為載頻,載頻的頻譜寬度比J(t)大得多。

射頻噪聲干擾的功率譜密度函數(shù)為：

(17)

射頻噪聲干擾的時域頻域波形如圖5所示。

圖5 射頻噪聲干擾的時頻域波形

(2) 噪聲調(diào)幅干擾

調(diào)幅信號是正弦波的幅度調(diào)制函數(shù),噪聲調(diào)幅干擾信號是用噪聲對正弦波的信號進行調(diào)制,數(shù)學模型為：

J(t)=(U0+Un(t))cos(ω0t+φ)

(18)

其功率譜密度函數(shù)為：

(19)

調(diào)幅噪聲干擾的時域、頻域波形如圖6所示。

圖6 調(diào)幅噪聲干擾的時頻域波形

(3) 調(diào)頻噪聲干擾

調(diào)頻信號是對正弦波進行頻率調(diào)制,調(diào)頻噪聲干擾利用噪聲的頻率對正弦波進行調(diào)制,數(shù)學模型為：

(20)

式中：u(t)表示噪聲;φ表示相位,在[0,2π]內(nèi)均勻分布,φ與u(t)獨立分布;ω0表示載頻,KFM表示斜率。

其功率譜模型為：

(21)

調(diào)頻噪聲干擾的時域、頻域波形如圖7所示。

圖7 調(diào)頻噪聲干擾的時頻域波形

2 雷達、通信及干擾信號聯(lián)合檢測仿真分析

根據(jù)雷達、通信和干擾信號的特點,一體化信號檢測采取寬窄信道結(jié)合的方式,通過對模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)數(shù)據(jù)的頻譜分析進行干擾信號識別,利用頻譜信息引導寬窄信道信道化接收機動態(tài)調(diào)制門限。寬窄信道信道化接收機對寬帶采樣信號進行寬信道信道化,對信號參數(shù)測量和調(diào)制方式粗測,提取雷達信號相應(yīng)特征,形成脈沖描述字,發(fā)送至信號分選模塊。對于子信道進行通信信號的參數(shù)測量和識別,信號處理流程如圖8所示。

圖8 雷達、通信、干擾信號一體化檢測信號流程框圖

2.1 雷達信號檢測流程及模擬仿真

如圖9所示,雷達、通信、干擾共用采樣數(shù)據(jù),雷達信號檢測模塊通過抽取后對采樣數(shù)據(jù)進行數(shù)字信道化濾波。然后對所有子信道進行信號檢測、參數(shù)測量以及調(diào)制方式測量,形成脈沖描述字(PDW)數(shù)據(jù)送綜合分選與識別模塊。當雷達信道的子信道存在通信信號時,對子信道進行抽取,進行通信信號的檢測與參數(shù)測量。

圖9 一體化信號檢測中的雷達信號檢測與參數(shù)測量

數(shù)字信道化接收機采用不同的濾波器組來處理不同頻率的信號,數(shù)字信道化接收機具備對同時到達信號的處理能力,同時數(shù)字信道化也提升了接收機的靈敏度。但是由于ADC芯片的高采樣率,導致數(shù)字信道化接收機的實時處理比較困難,一種等效的處理方法是在數(shù)字信道化之前對采樣數(shù)據(jù)進行抽取,減輕后端處理的壓力,這種采用抽取的形式進行數(shù)字信道化處理的方法稱為多相濾波[5]。多相濾波是一種高效的數(shù)字信道化接收機的處理結(jié)構(gòu),它通過1組帶通濾波器組取出不同的信號進行處理,其實現(xiàn)形式為：

(22)

式中：D為抽取因子;ωk,k=1,2,…,K-1(K為信道數(shù)),為各個濾波器組的中心頻率。

對于均勻信道的偶型劃分,低通濾波器組的信道化原理框圖如圖10,ωk=2πk/K,WK=ej2π/K,k=0,1,…,K-1。

圖10 低通濾波器組的信道化原理

令xi(m)=x(mD+i),hi(m)=h(mD-i),i=1,2…,D-1。其中hi(m)是h(n)的多相形式,對于臨界抽樣的情況,D=K,則有：

DFT[hi(m)*xi(m)]

(23)

由式(23)可得到多相離散傅里葉變換(DFT)濾波器組結(jié)構(gòu)的信道化接收機,如圖11所示。

圖11 多相濾波器結(jié)構(gòu)

多相濾波器的頻率響應(yīng)曲線如圖12所示。

圖12 多相濾波器頻率響應(yīng)

在信號檢測中,為降低檢測信噪比,提高對低功率信號的檢測概率可采用相關(guān)積累算法提高積累增益[6],即：

xi=Aej(2πfciΔφ)+ωi,0≤i≤N-1

(24)

式中：A表示幅度;fc表示頻率;Δt表示采樣信號的時間間隔;φ表示初始相位;ωi為高斯白噪聲。

對xi進行N點自相關(guān)運算可得：

(25)

其中：

(26)

N∝1時,ω′k服從其均值為0、方差為(2A2δ2+δ4/N)的高斯分布,相關(guān)積累的輸出信噪比σ可表示為：

(27)

由式(27)可知,相關(guān)積累的積累增益在一定條件下與N成正比。

在20 MHz帶寬下,常規(guī)脈沖信號的常規(guī)檢測仿真結(jié)果如圖13所示,采用64點相關(guān)積累檢測的仿真結(jié)果如圖14所示。

圖13 常規(guī)檢測信道化仿真波形

2.2 通信信號檢測流程與模擬仿真

采樣數(shù)據(jù)分為2路,對其中一路進行功率譜分析,另外一路進行數(shù)字信道化。當功率譜分析識別信號為連續(xù)波信號,對數(shù)字信道化的子信道進行窄帶濾波,然后利用通信信號處理的方法進行信號特征提取和調(diào)試方式識別,流程圖如圖15所示。

對通信信號的特征提取主要通過時域、頻域變換,變換域特征包括功率譜、譜相關(guān)函數(shù)、時域分布及其它參數(shù)。對于變換域特征,采用快速傅里葉變換(FFT)方法就能獲取,而幅度、相位和頻率等時域特征主要由Hilbert變換法、同相正交I-Q分量法、過零檢測法等獲取。

特征提取參數(shù)：幅度變化率a(t)、相位變化率φ(t)和頻率變化率f(t),實信號x(t)可以表示為解析信號,即：

(28)

解析信號的瞬時幅度a(t)、瞬時相位φ(t)和瞬時頻率f(t)分別為：

(29)

(30)

(31)

圖16為3種不同類型調(diào)制信號的瞬時相位。

圖16 3種不同類型調(diào)制信號的瞬時相位

2.3 干擾信號的識別仿真

如圖17所示,對采樣數(shù)據(jù)進行傅里葉變換和功率譜分析,根據(jù)干擾信號與其他信號的頻譜特征對干擾信號進行分析和識別。

圖17 干擾信號識別流程

典型梳狀譜調(diào)頻噪聲干擾的時頻分布如圖18所示。

圖18 調(diào)頻噪聲干擾的時頻功率分布示意圖

如圖15所示,圖中頻率軸上凸起部分為與凹陷部分如梳子一般,隨著時間延長。如果凹陷部分間距足夠小,必須需要足夠高的頻率分辨率才可以分辨。因此,梳狀譜模塊需要對現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)輸入時頻功率譜及高分辨率功率譜同時分析,在確定干擾信號為寬帶信號的情況下,進一步分析是否存在梳狀凹坑,以確定是否存在此類型的干擾分析。首先,對時頻功率譜進行時間軸的壓縮,將當前重復周期內(nèi)各信道所有數(shù)據(jù)累加,得到頻率分布曲線,通過門限檢測是否存在過門限的信道。如果過門限的信道連成一片或分布較寬,即可認為是寬帶信號。在斷定存在寬帶干擾的情況下,分析已經(jīng)過累加的高分辨率功率譜。檢索出當前帶寬內(nèi)最高功率點的值,并以該值衰減3 dB作為門限基準,確定帶寬內(nèi)過門限的分布情況。如果存在有規(guī)律的凹陷,可判定為梳狀干擾,并分析梳齒間隔,最終送識別結(jié)果綜合模塊進一步分析。

圖19為采集數(shù)據(jù)的分析結(jié)果,圖中用帶陰影部分描述梳狀譜的梳齒。

圖19 梳狀譜噪聲調(diào)頻干擾采集數(shù)據(jù)的頻率功率分布直方圖

3 結(jié)束語

隨著信號環(huán)境的變化越來越復雜,雷達信號、通信信號、干擾信號在時頻域重疊的現(xiàn)象越來越多,針對雷達、通信信號、干擾信號重疊時的信號一體化檢測越來越重要。本為以雷達信號、通信信號和干擾的模型及特點為研究基礎(chǔ)。提出了一種雷達信號、通信和干擾信號一體化檢測的處理架構(gòu),并對雷達信號檢測、通信信號檢測和干擾信號識別進行了仿真,為工程實踐和應(yīng)用提供了一定的參考。