祝 強(qiáng),莫翠瓊,潘繼飛

(1.電子工程學(xué)院,合肥 230037;2.安徽省電子制約技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,合肥230037)

0 引 言

現(xiàn)代電子對(duì)抗信號(hào)環(huán)境日趨復(fù)雜、交錯(cuò),雷達(dá)體制愈加多變,威脅雷達(dá)的種類和數(shù)量也在不斷增加。低截獲概率(LPI)技術(shù)使雷達(dá)信號(hào)識(shí)別面臨新的挑戰(zhàn)。目前,國(guó)內(nèi)外的雷達(dá)信號(hào)識(shí)別技術(shù)研究思路基本相同,均集中在信號(hào)參數(shù)提取方法上,具體說(shuō),多為利用計(jì)算機(jī)技術(shù)和模式識(shí)別技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)自動(dòng)識(shí)別。但是,當(dāng)信號(hào)較弱、參數(shù)提取困難時(shí),無(wú)法有效完成雷達(dá)信號(hào)的檢測(cè)與識(shí)別。數(shù)字接收機(jī)的研制與投入使用為解決這一問(wèn)題提供了新的思路。本文提出的匹配模板法基于數(shù)字接收機(jī),采用數(shù)字信號(hào)處理方法進(jìn)行LPI雷達(dá)信號(hào)——二相編碼信號(hào)的截獲與識(shí)別。

1 匹配模板識(shí)別方法的基本思路

數(shù)字接收機(jī)的一個(gè)巨大優(yōu)勢(shì)是可以將截獲到的雷達(dá)信號(hào)存儲(chǔ)起來(lái),進(jìn)行事后分析。如果先期在雷達(dá)信號(hào)主瓣或者信號(hào)條件良好的情況下截獲到二相編碼信號(hào)并且成功分析,就可以制定針對(duì)該信號(hào)的匹配模板,構(gòu)造匹配濾波器;當(dāng)信號(hào)再次出現(xiàn)時(shí),完成匹配接收與識(shí)別。匹配模板識(shí)別方法的關(guān)鍵步驟包括匹配模板的創(chuàng)建、匹配算法的實(shí)現(xiàn)和匹配輸出性能參數(shù)的提取與分析這3個(gè)方面。

1.1 匹配模板的創(chuàng)建

匹配模板法屬于單個(gè)脈沖雷達(dá)識(shí)別范疇。匹配模板的制作可在時(shí)域進(jìn)行,也可在頻域進(jìn)行。時(shí)域模板就是直接保存的脈沖數(shù)據(jù),長(zhǎng)度為一個(gè)整脈沖。頻域模板是以一個(gè)整脈沖數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源,選定模板長(zhǎng)度,對(duì)數(shù)據(jù)源進(jìn)行分段傅立葉變換并且疊加,段長(zhǎng)度為模板的長(zhǎng)度。兩種模板的使用方法大體相同。

理想匹配模板是“干凈”的、不受任何污染的,這樣的模板比較難以獲得。在實(shí)際工程應(yīng)用中,當(dāng)信號(hào)環(huán)境良好時(shí),雷達(dá)偵察接收機(jī)在截獲雷達(dá)信號(hào)后,通過(guò)脈內(nèi)特征分析器準(zhǔn)確獲取信號(hào)參數(shù),數(shù)字接收機(jī)將這些雷達(dá)信號(hào)數(shù)字化后存儲(chǔ)起來(lái),作為匹配模板。當(dāng)感興趣的雷達(dá)信號(hào)再次出現(xiàn)時(shí),與模板庫(kù)中的雷達(dá)信號(hào)進(jìn)行匹配處理,將會(huì)獲得較大的處理信噪比,實(shí)現(xiàn)低信噪比條件下的匹配接收;根據(jù)匹配輸出結(jié)果,判斷輸入信號(hào)是否與模板庫(kù)中的信號(hào)相匹配,一旦滿足匹配的條件,即完成識(shí)別。

根據(jù)匹配濾波器理論,設(shè)輸入信號(hào)為s(t),其頻譜為S(ω),則其對(duì)應(yīng)的匹配濾波器的脈沖響應(yīng)為h(t)=kS*(t0-t),t0為信號(hào)輸出最大時(shí)刻。匹配濾波器在頻率域的特性為 H(ω)=kS*(ω)?exp(-jω t0)。模板創(chuàng)建過(guò)程就是匹配濾波器頻率響應(yīng)獲取的過(guò)程。

1.2 匹配算法的實(shí)現(xiàn)

匹配濾波器的輸出為y(t)=s(t)?h(t),?為卷積符號(hào)。根據(jù)傅里葉變換理論,時(shí)域的卷積等效于頻域的乘積,可得Y(ω)=S(ω)H(ω),這是頻域處理的理論基礎(chǔ)。圖1為頻域處理的原理框圖。

圖1 頻域處理原理框圖

頻域處理首先將截獲的雷達(dá)信號(hào)進(jìn)行采樣,數(shù)字化后再進(jìn)行快速傅里葉變換(FFT),與事先存儲(chǔ)在匹配模板庫(kù)中的數(shù)字譜相乘,得到的結(jié)果使用快速傅里葉逆變換(IFFT)還原為時(shí)間離散信號(hào),計(jì)算表達(dá)式為:

假設(shè)輸入信號(hào)s(n)的點(diǎn)數(shù)為 N1,模板h(n)的點(diǎn)數(shù)為N2,那么FFT的點(diǎn)數(shù)可以確定為:

式中:ceil表示向上取整。

如果濾波器中存儲(chǔ)有輸入信號(hào)的數(shù)字譜,那么它相對(duì)于輸入信號(hào)便構(gòu)成了匹配濾波器。對(duì)于此時(shí)特定的匹配模板,匹配輸出結(jié)果是一定的,這點(diǎn)可以從下面的計(jì)算機(jī)仿真得到驗(yàn)證,據(jù)此便能判別輸入的雷達(dá)信號(hào)。

1.3 匹配輸出性能參數(shù)的提取與分析

相位編碼信號(hào)的復(fù)數(shù)表達(dá)式為:

信號(hào)的復(fù)包絡(luò)函數(shù)為:

式中:φ(t)為相位調(diào)制函數(shù)。

對(duì)二相編碼信號(hào)來(lái)說(shuō),φ(t)只有0或2π兩個(gè)可能取值。如果二相編碼信號(hào)的包絡(luò)為矩形,則二相編碼信號(hào)的復(fù)包絡(luò)為:

式中:v(t)為子脈沖函數(shù);τ1為子脈沖寬度;N為碼長(zhǎng);T=Nτ1為編碼信號(hào)持續(xù)期。

用傅里葉變換不難得到二相編碼信號(hào)的頻譜:

用頻域處理方法,以二相編碼信號(hào)為例研究匹配輸出性能。模板信號(hào)各參數(shù)為:f0=160MHz,N=13,T=13 μ s,τ1=T/N=1 μ s。當(dāng)輸入信號(hào)為二相編碼信號(hào)且各參數(shù)與模板信號(hào)參數(shù)相同時(shí),由式(1)可得匹配處理的時(shí)域波形,見(jiàn)圖2。

圖2 理想匹配處理結(jié)果

通過(guò)對(duì)理想匹配輸出性能參數(shù)的提取與分析,可以制定針對(duì)二相編碼信號(hào)的匹配識(shí)別準(zhǔn)則:主副瓣形狀都為三角形,且副瓣三角形高度相等,均為碼長(zhǎng)的倒數(shù),即1/N;主副瓣個(gè)數(shù)之和等于碼長(zhǎng)的倍數(shù)。只要輸出的結(jié)果同時(shí)滿足以上2點(diǎn),就能說(shuō)明該信號(hào)為二相編碼信號(hào)。

2 計(jì)算機(jī)仿真

除理想匹配處理外,輸入信號(hào)與模板信號(hào)還存在以下2種關(guān)系:輸入信號(hào)與模板信號(hào)類型不同;輸入信號(hào)與模板信號(hào)類型相同,但不是同一雷達(dá)信號(hào)。

2.1 輸入信號(hào)與模板信號(hào)不是同一類型信號(hào)時(shí)匹配處理結(jié)果

當(dāng)模板為二相編碼雷達(dá)信號(hào)時(shí),理想的匹配輸出結(jié)果是輸入信號(hào)和模板信號(hào)相同的情況。當(dāng)輸入信號(hào)與模板信號(hào)不是同一類型信號(hào)時(shí),最容易判別輸入信號(hào)不是期望信號(hào)。例如,模板信號(hào)為二相編碼信號(hào),當(dāng)輸入信號(hào)分別為簡(jiǎn)單脈沖與線性調(diào)頻信號(hào)時(shí),匹配輸出結(jié)果如圖3所示,對(duì)照匹配識(shí)別準(zhǔn)則,與理想結(jié)果相差甚遠(yuǎn),可以很快判定信號(hào)不是期望信號(hào)。

圖3 信號(hào)類型不同時(shí)匹配輸出結(jié)果比較

2.2 信號(hào)類型相同,參數(shù)不同時(shí)匹配處理結(jié)果

當(dāng)其他參數(shù)均相同,輸入信號(hào)的載頻 f0依次為160MHz、159MHz、158MHz、 157MHz、161 MHz、162 MHz時(shí)匹配輸出結(jié)果如圖4所示。

圖4 載頻不同時(shí)匹配輸出結(jié)果比較

表1計(jì)算出了匹配輸出性能參數(shù)。從計(jì)算結(jié)果看,主副瓣幅度保持不變,但輸出的主副瓣個(gè)數(shù)隨輸入信號(hào)載頻與模板信號(hào)載頻之差的變化而變化。假設(shè)載頻之差為n,則輸出主副瓣個(gè)數(shù)之和為碼長(zhǎng)的2n倍,根據(jù)匹配識(shí)別準(zhǔn)則,可以判定輸入信號(hào)為期望信號(hào)。當(dāng)其他參數(shù)均相同,輸入信號(hào)的碼長(zhǎng) N依次為13、11、7、5時(shí)匹配輸出結(jié)果如圖5所示;當(dāng)其他參數(shù)均相同 ,子碼寬度 τ1 依次為 1 μ s、2 μ s 、3 μ s、4 μ s時(shí)匹配輸出結(jié)果如圖6所示。

表1 匹配輸出性能參數(shù)分析

在這2種情況下,匹配輸出的結(jié)果與理想結(jié)果相差甚大,無(wú)法計(jì)算性能參數(shù),此時(shí)可以判定輸入信號(hào)不是期望信號(hào)。也由此可見(jiàn),要想得到二相編碼信號(hào)的理想匹配輸出結(jié)果,對(duì)輸入信號(hào)參數(shù)的要求比較苛刻。

圖5 碼長(zhǎng)不同時(shí)匹配輸出結(jié)果比較

2.3 噪聲對(duì)匹配識(shí)別結(jié)果的影響

當(dāng)輸入信號(hào)與模板信號(hào)匹配,但是受到了噪聲的污染,此時(shí)將會(huì)對(duì)匹配輸出性能參數(shù)的提取帶來(lái)一定影響。圖 7繪制出了信噪比分別為10 dB,0 dB 、-5 dB、-6 dB、-8 dB 、-10 dB、-12 dB 的匹配識(shí)別結(jié)果,表2計(jì)算出了匹配輸出性能參數(shù)。從計(jì)算結(jié)果看,隨著噪聲的增大,峰值位置出現(xiàn)少許的偏移,副瓣高度呈現(xiàn)增高的趨勢(shì),但根據(jù)匹配識(shí)別準(zhǔn)則,仍然可以識(shí)別出該信號(hào)。

圖6 子碼寬度不同時(shí)匹配輸出結(jié)果比較

圖7 噪聲對(duì)匹配識(shí)別結(jié)果的影響

表2 匹配輸出性能參數(shù)分析

3 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹的匹配模板法是基于先期獲取敵方二相編碼信號(hào)數(shù)據(jù)并且制定出匹配模板的前提下進(jìn)行的,由于匹配模板的唯一性,決定了該方法只對(duì)期望信號(hào)有效。文中通過(guò)對(duì)輸入信號(hào)與模板型號(hào)可能存在的幾種情況進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了匹配準(zhǔn)則的有效性和該方法的可行性。當(dāng)輸入信號(hào)為期望信號(hào)時(shí),識(shí)別信噪比可以達(dá)到-6 dB。在實(shí)際應(yīng)用中,采用二相編碼信號(hào)制作匹配模板,當(dāng)期望信號(hào)再次出現(xiàn)時(shí)即可以成功截獲并識(shí)別。

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[3]姜秋喜,潘繼飛,畢大平.匹配模板法在雷達(dá)信號(hào)識(shí)別中的應(yīng)用[M].電視技術(shù),2005(5):31-35.