陳歆煒，趙建中，吳文

(南京理工大學(xué) 近程高速目標(biāo)探測技術(shù)國防重點(diǎn)實(shí)驗室，江蘇南京210094)

0 引言

欺騙性干擾采用虛假目標(biāo)信息作用于雷達(dá)的目標(biāo)檢測和跟蹤系統(tǒng)，迷惑和擾亂雷達(dá)對真正目標(biāo)的檢測和跟蹤［1］。當(dāng)干擾機(jī)極化方式相對固定時，極化捷變雷達(dá)可在工作中靈活改變發(fā)射或接收電磁波的極化方式，并在極化軌道約束下實(shí)現(xiàn)信號干擾噪聲比(SINR)和信號干擾功率差(PDSI)的最優(yōu)化，且改善信號接收效果的有效度超過1/2［2－4］.為了優(yōu)化上述極化濾波的效果，文獻(xiàn)［5］在已知目標(biāo)回波和干擾信號Jones 矢量的基礎(chǔ)上對干擾信號和目標(biāo)回波信號的橢圓描述子參數(shù)直接進(jìn)行實(shí)數(shù)加權(quán)，實(shí)現(xiàn)了目標(biāo)回波極化狀態(tài)與干擾極化狀態(tài)在Poincare 極化球上的分離，使系統(tǒng)的抗干擾能力提高了15.4%～100%.因而干擾信號的提取及其參數(shù)的獲取在極化雷達(dá)的信號處理中具有重要意義，且干擾Jones 矢量計算的精確性是決定系統(tǒng)抗干擾性能的重要因素之一。

目前，尚無關(guān)于計算干擾Jones 矢量的相關(guān)文獻(xiàn)發(fā)表，但已有不少信號處理方法對干擾信號的特征進(jìn)行提取。Liang 等分別將幅度歸一化和未歸一化的同一信號進(jìn)行小波變換，在濾除峰值后根據(jù)兩路輸出譜線的方差來判別信號的調(diào)制方式，但將同一信號分成兩路計算的方式增加了系統(tǒng)處理負(fù)擔(dān)［6］。李建勛等運(yùn)用Kohonen 網(wǎng)絡(luò)通過對輸入模式進(jìn)行學(xué)習(xí)，神經(jīng)元在空間形成不同的聚類來區(qū)分雷達(dá)回波中目標(biāo)和干擾的不同時頻譜特征，然而實(shí)現(xiàn)該方法時需預(yù)先對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)百步訓(xùn)練［7］。上述方法的基本原理都是通過對采樣信號的某種變換，使信號之間特征區(qū)分明顯，從而為分類識別奠定基礎(chǔ)。

為簡化目標(biāo)回波和干擾信號的分離過程以及求解干擾的Jones 矢量，本文運(yùn)用極化捷變技術(shù)發(fā)射一組極化方式相互關(guān)聯(lián)的脈沖信號，利用目標(biāo)極化散射特性以及干擾極化相對不變特性，使目標(biāo)回波在信號運(yùn)算中實(shí)現(xiàn)與干擾信號的分離，從而獲得干擾波形，并能準(zhǔn)確計算其Jones 矢量。該方法易于實(shí)現(xiàn)，并基于常用的脈沖雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計了干擾提取流程，與現(xiàn)有干擾特征提取算法相比，可節(jié)省FPGA的芯片資源(邏輯單元和存儲空間)。最后給出了Matlab 仿真結(jié)果和Jones 矢量計算誤差與干噪比(INR)、信干比(SIR)的關(guān)系曲線。

1 干擾信號提取算法

1.1 極化空間中的干擾和目標(biāo)回波

經(jīng)典電磁極化學(xué)理論表明，Poincare 極化球是表征極化狀態(tài)非常有效的工具。任何一個單色波都可以用極化球上的一點(diǎn)來完全的表征，并且球上的點(diǎn)集囊括了所有可能的極化狀態(tài)?？梢詫oincare極化球上表示的所有點(diǎn)的集合表示為極化空間P.

極化捷變雷達(dá)中發(fā)射信號的極化方式可以在某范圍內(nèi)變化，一系列的點(diǎn)集構(gòu)成了發(fā)射信號集合T，即

式中:Etn為第n 次發(fā)射的電磁波Jones 矢量。發(fā)射信號集合是極化空間的子集，滿足T?P.

本文取水平極化(H)和垂直極化(V)作為Jones矢量的基，根據(jù)電磁學(xué)散射理論，雷達(dá)天線發(fā)射電磁波Et與接收電磁波Er之間的歸一化關(guān)系可表示為

即

當(dāng)雷達(dá)發(fā)射的電磁波極化方式改變時，目標(biāo)回波的極化方式就會依照式(3)的關(guān)系作相應(yīng)改變。一系列目標(biāo)回波的Jones 矢量組成了回波信號集合R，即

式中:Ern為第n 次發(fā)射電磁波Etn后目標(biāo)回波的Jones 矢量。同樣，回波信號集合也是極化空間的子集，即R?P.

由式(2)或式(3)的關(guān)系可以看出，雷達(dá)發(fā)射信號集合T 與目標(biāo)回波信號集合R 之間滿足一種映射關(guān)系，即

本文針對干擾機(jī)極化方式相對固定的情況進(jìn)行討論［8］。此時，干擾信號的Jones 矢量在一定時間內(nèi)可認(rèn)為是不變的，由該矢量構(gòu)成的干擾信號集合I 僅包含一個元素，即

式中:Ei為干擾信號電磁波的Jones 矢量。

根據(jù)集合T、集合R 和集合I 之間的關(guān)系，可得到圖1所示的文氏圖。圖中I 是空間P 內(nèi)任意一點(diǎn)，有可能包含于T 或者R.

由圖1可以看出目標(biāo)回波的極化方式會隨著發(fā)射信號極化的變化而改變，而干擾的極化則是不變的。發(fā)射幾組預(yù)定的相關(guān)信號，目標(biāo)回波極化方式會按照規(guī)律改變，然后通過信號之間的運(yùn)算可將目標(biāo)回波分離，提取出干擾信號。下文將闡述干擾提取的具體過程。

圖1 信號、干擾和極化空間的關(guān)系Fig.1 The relation between signal，deception and polarization space

1.2 干擾提取算法

干擾信號提取分以下幾個步驟進(jìn)行:

4)做信號運(yùn)算E1y+ E2y－ E3y，根據(jù)式(7)、式(8)、式(9)，且考慮到E1i=E2i=E3i，有

5)在所得干擾和噪聲混合信號的基礎(chǔ)上完成特征識別及參數(shù)提取的運(yùn)算［9］，即獲得干擾信號的各項參數(shù)。

由上述運(yùn)算過程可以看出，目標(biāo)回波信號在極化捷變過程中發(fā)生了相應(yīng)改變，當(dāng)目標(biāo)姿態(tài)在這過程中沒有較大變化(目標(biāo)散射矩陣相對不變)時，可認(rèn)為通過該算法中簡單的加減運(yùn)算已把目標(biāo)回波信號完全消去。

對于噪聲中正弦干擾信號Jones 矢量的計算，可采用文獻(xiàn)［10］的方法進(jìn)行兩通道相位差計算，并用類似的自相關(guān)方法進(jìn)行各通道信號幅度的計算。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

上文所提干擾信號的提取和Jones 矢量的計算方法可在普通雙極化雷達(dá)數(shù)字發(fā)射/接收機(jī)中實(shí)現(xiàn)。為了實(shí)現(xiàn)極化捷變的功能，發(fā)射機(jī)需采用相位捷變多路信號源［11］，并在前端安裝開關(guān)部件。系統(tǒng)構(gòu)架框圖如圖2所示。

圖2 干擾提取系統(tǒng)框圖Fig.2 The block diagram of deception extracting system

系統(tǒng)發(fā)射機(jī)前端在控制單元的控制下，改變雙通道的輸出信號的幅度和相位，使發(fā)射的電磁波極化方式按照算法規(guī)律改變。雙極化接收前端將接收到的目標(biāo)回波和干擾的混合信號轉(zhuǎn)為中頻，經(jīng)A/D采樣進(jìn)入后端處理。系統(tǒng)處理單元進(jìn)行相應(yīng)運(yùn)算后即可輸出干擾的波形和參數(shù)。干擾參數(shù)提取運(yùn)算可按如下所示的流程進(jìn)行。

圖3 干擾參數(shù)提取流程圖Fig.3 The flow chart of deception extracting

在實(shí)際運(yùn)用中，可多次重復(fù)上述過程，以獲得較為準(zhǔn)確的結(jié)果。該方法中只需完成信號的簡單加減運(yùn)算便可將干擾信號提取出來;信號特征提取及Jones 矢量的計算也只需進(jìn)行信號的相關(guān)或FFT 運(yùn)算［9－10］。表1所示為相關(guān)的算法在運(yùn)算量大致相同時消耗FPGA 資源的對比情況。

表1 各算法消耗FPGA 資源對比Tab.1 A comparison between several algorithms in FPGA resources

由表1可以看出，比起小波分析、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等復(fù)雜的信號處理算法，該方法中所使用的相關(guān)運(yùn)算和FFT 運(yùn)算在單片實(shí)現(xiàn)時可節(jié)省FPGA 芯片資源。

3 仿真及分析

本文在Matlab 的Simulink 環(huán)境中按圖2所示系統(tǒng)結(jié)構(gòu)搭建了仿真平臺，對干擾的提取和Jones矢量的計算進(jìn)行仿真。仿真中，雷達(dá)工作在脈沖體制下。假設(shè)某固定目標(biāo)散射矩陣為 S =連續(xù)波干擾信號Jones 矢量為Ei=在INR 為11.85 dB(水平通道)、17.34 dB(垂直通道)及SIR 為－4.29 dB(水平通道)、－4.71 dB(垂直通道)的條件下，有如圖4～圖6所示的仿真結(jié)果。

圖4 干擾信號原始波形Fig.4 The original waves of deception

根據(jù)提取到的干擾波形，可計算得該干擾的Jo nes 矢量為改變干擾參數(shù)進(jìn)行仿真，結(jié)果如表2所示。

表2中結(jié)果的誤差是由噪聲引起的隨機(jī)誤差以及計算時的量化誤差和截斷誤差造成的。在誤差允許的范圍內(nèi)(相對誤差≤10%)，計算得到的干擾信號Jones 矢量與原參數(shù)基本一致。

圖5 接收機(jī)輸出波形(3 次脈沖)Fig.5 The waves output by receiver (3 pulses)

當(dāng)目標(biāo)、發(fā)射信號和干擾信號功率不變且雙通道SIR=2 dB 時，改變噪聲功率大小，可得到如圖7所示的Jones 矢量計算的相對誤差與INR 之間的關(guān)系;當(dāng)目標(biāo)、干擾信號和噪聲功率不變且雙通道INR=12 dB 時，改變發(fā)射信號功率大小，可得到如圖8所示的Jones 矢量計算的相對誤差與SIR 之間的關(guān)系。

表2 不同干擾參數(shù)下仿真結(jié)果Tab.2 The simulation results of different situations

圖6 提取后得到的干擾信號波形Fig.6 The waves of extracted deception

圖7 干擾的Jones 矢量計算的相對誤差與INR 的關(guān)系Fig.7 The relationship between relative errors of Jones vector of deception calculation and INR

由圖7可以看出，當(dāng)系統(tǒng)INR 較低時，由于噪聲功率較大，計算時出現(xiàn)較大誤差;當(dāng)INR 大于11.8 dB 時，計算結(jié)果與原信號參數(shù)之間相對誤差小于10%，可應(yīng)用于后續(xù)的干擾分析及抗干擾處理。由于本文算法能夠濾除目標(biāo)回波信號，因此圖8所示目標(biāo)回波信號功率對干擾Jones 矢量的計算基本沒有影響，誤差曲線只在噪聲不一致的影響下作小幅波動。當(dāng)干擾與信號分離后，按照文獻(xiàn)［9］所述特征參數(shù)提取方法，可在INR 低至－9 dB 時達(dá)到對干擾特征識別100%的正確率，優(yōu)于文獻(xiàn)［6－7］中的特征識別結(jié)果。詳細(xì)的對比情況如表3所示。

圖8 干擾的Jones 矢量計算的相對誤差與SIR 的關(guān)系Fig.8 The relationship between relative errors of Jones vector of deception calculation and SIR

表3 本文所得結(jié)果與其他相似文獻(xiàn)中結(jié)果對比情況Tab.3 The comparisons of the results get from this paper with the results get from other papers

4 結(jié)論

本文提出的一種簡便實(shí)用的雷達(dá)欺騙性干擾信號提取方法，能在極化捷變雷達(dá)發(fā)射數(shù)次脈沖后消去目標(biāo)回波信號，將干擾分離，從而可計算出干擾的詳細(xì)參數(shù)(Jones 矢量)。該方法易于實(shí)現(xiàn)，且可比類似干擾提取方法節(jié)約FPGA 芯片資源。在系統(tǒng)具有足夠INR 時能較準(zhǔn)確地計算干擾信號的Jones 矢量。該方法為極化雷達(dá)的后續(xù)的抗干擾處理提供了必要條件和重要參考。

References)

［1］ 粟蘋.信息對抗技術(shù)［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2008:59－60.SU Ping.Warfare technology［M］.Beijing:Tsinghua University Press，2008:59－60.(in Chinese)

［2］ YANG Yun－fu，WANG Zhao－h(huán)ui，TAO Ran，et al.Optimal polarization for SINR equation in partially polarized case［C］∥IEEE 2007 International Symposium on Microwave，Antenna，Propagation and EMC Technologies for Wireless Communications.Piscataway:IEEE，2007:1420－1423.

［3］ 王雪松，徐振海，代大海，等.干擾環(huán)境中部分極化信號的最佳濾波［J］.電子與信息學(xué)報，2004，26(4):593－597.WANG Xue－song，XU Zhen－h(huán)ai，DAI Da－h(huán)ai，et al.Optimal filtering of partially polarized signals in the interference background［J］.Journal of Electronics and Information Technology，2004，26(4):593－597.(in Chinese)

［4］ 莊釗文，肖順平，王雪松.雷達(dá)極化信息處理及其應(yīng)用［M］.北京:國防工業(yè)出版社，1999:293－377.ZHUANG Zhao－wen，XIAO Shun－ping，WANG Xue－song.Radar polarization information processing and application［M］.Beijing:National Defense Industry Press，1999:293－377.(in Chinese)

［5］ 張國毅，劉永坦.實(shí)數(shù)加權(quán)極化變換法［J］.電子學(xué)報，2000，28(3):69－72.ZHANG Guo－yi，LIU Yong－tan.Real weighting polarization vector translation［J］.Acta Electronica Sinica，2000，28(3):69－72.(in Chinese)

［6］ Liang Hong，Ho K C.Identification of digital modulation types using the wavelet transform［C］∥MILCOM 1999.Piscataway:IEEE，1999:427－431.

［7］ 李建勛，秦江敏，馬曉巖.Kohonen 網(wǎng)絡(luò)用于雷達(dá)抗速度欺騙干擾中的特征提?。跩］.雷達(dá)科學(xué)與技術(shù)，2004，2(2):82－86.LI Jian－xun，QIN Jiang－min，MA Xiao－yan.Feature extraction with Kohonen network against radar velocity－deception jamming［J］.Radar Science and Technology，2004，2(2):82－86.(in Chinese)

［8］ 常宇亮，趙鋒，代大海，等.彈道導(dǎo)彈有源干擾的極化抑制［J］.信號處理，2009，25(3):423－429.CHANG Yu－liang，ZHAO Feng，DAI Da－h(huán)ai，et al.Polarization suppression of active interference in the middle part of missile trajectory［J］.Signal Processing，2009，25(3):423－ 429.(in Chinese)

［9］ 顧冬梅.連續(xù)波雷達(dá)信號識別與參數(shù)提取技術(shù)研究［D］.南京:南京信息工程大學(xué)，2009.GU Dong－mei.Study on identification and parameter extraction of continuous－wave radar signal［D］.Nanjing:Nanjing University of Information Science and Technology，2009.(in Chinese)

［10］ CHEN Xin－wei，JIN Sheng－cai，QI Shi－shan，et al.An improved correlation method of phase difference detection between two signals in polarimetric radar signal processing system［C］∥2009 Asia Pacific Microwave Conference.Piscataway:IEEE，2009:469－472.

［11］ ZHANG Yin－h(huán)ao，WU Wen，YANG Guo，et al.DDS－PLL phased source for beam control active phased array［C］∥2008 Asia Pacific Microwave Conference.Piscataway:IEEE，2008:1－4.［12］ WANG Bing－rui，ZHANG Qi－h(huán)ui，AO Tian－yong，et al.Design of pipelined FFT processor based on FPGA［C］∥ICCMS 2010.Piscataway:IEEE，2010:432－435.

［13］ Cheng Sheng，Tseng Chien－Hsun，Cole Marina.A novel FPGA implementation of a wideband sonar system for target motion estimation［C］∥2008 International Conference on Reconfigurable Computing and FPGAs.Piscataway:IEEE，2008:349－354.

［14］ Naoussi Serge Raoul Dzondé，Berviller Hervé，Blondé Jean Philippe，et al.FPGA implementation of harmonic detection methods using neural networks［C］∥2009 13th European Conference on Power Electronics and Applications.Piscataway:IEEE，2009:1－10.