王 飛,王喜鵬
(船舶重工集團(tuán)公司723所,揚(yáng)州 225001)
雷達(dá)脈內(nèi)調(diào)制技術(shù)是雷達(dá)為提高其檢測(cè)性能、對(duì)抗電子偵察和干擾措施而采取的特定的調(diào)制樣式,如線性調(diào)頻、頻率編碼、非線性調(diào)頻、相位編碼等。
隨著電子技術(shù)的發(fā)展,目前電子對(duì)抗面臨環(huán)境中信號(hào)越來越復(fù)雜和多變的問題,再僅根據(jù)雷達(dá)脈沖信號(hào)的外部特征(如載頻(RF)、到達(dá)方向(DOA)、到達(dá)時(shí)間(TOA)和脈寬(PW))已經(jīng)無法準(zhǔn)確描述信號(hào)脈沖的特征,因此雷達(dá)信號(hào)脈內(nèi)細(xì)微特征提取和分析技術(shù)已成為電子偵察的重要基礎(chǔ),特別是復(fù)雜雷達(dá)(多模式雷達(dá))信號(hào)的分析也一直是電子偵察的關(guān)鍵技術(shù)和難題。這就需要對(duì)雷達(dá)信號(hào)脈內(nèi)特征進(jìn)行細(xì)微分析,其主要包括脈內(nèi)調(diào)制方式分析、識(shí)別和信號(hào)特征參數(shù)估計(jì)。目前國(guó)內(nèi)外脈內(nèi)特性分析多采用小波變換和短時(shí)傅里葉變換的方式得到[1,2]。
Wigner-Ville分布[1]是一種分析非平穩(wěn)時(shí)變信號(hào)的重要工具,它在一定程度上解決了短時(shí)傅里葉變換存在的問題。Wigner-Ville分布的一個(gè)重要特點(diǎn)就是具有明確的物理意義,它可被看作信號(hào)能量在時(shí)域和頻域中的分布。
設(shè)信號(hào)為s(t),則其 Wigner-Ville分布定義為:
式中:z(t)為s(t)的解析信號(hào)形式。
信號(hào)s(t)的 Wigner-Ville分布也可以用解析信號(hào)的頻譜表示如下:
Wigner-Ville分布具有的主要性質(zhì)如下:
(1)W Z(t,f)對(duì)所有的t和f值是實(shí)的;
(2)W Z(t,f)具有時(shí)移不變性;
(3)W Z(t,f)具有頻移不變性;
(4)W Z(t,f)滿足時(shí)間邊緣特性,即:
(5)W Z(t,f)具有頻率邊緣特性,即:
假設(shè)中頻輸出信號(hào)模型為[3]:
式中:n(t)為均值為零、方差為σ2n的高斯白噪聲,且與s(t)統(tǒng)計(jì)獨(dú)立。
調(diào)制信號(hào)s(t)可表示為:
式中:a(t)為信號(hào)的幅度;T為脈寬;f0為載頻;φ(t)為脈內(nèi)相位調(diào)制函數(shù),其形式取決于信號(hào)調(diào)頻f(t)的形式。
(1)對(duì)于脈內(nèi)單載頻信號(hào),滿足:φ(t)=φ0,φ0為某一常數(shù)相位值;f(t)=0。
(2)對(duì)于線性調(diào)頻信號(hào),滿足:φ(t)=0.5Ct2,其中C為常數(shù);f(t)=Ct。
(3)對(duì)于頻率編碼信號(hào),滿足:脈內(nèi)頻率編碼信號(hào)各子頻率不同,即f(t)=m·Δf,碼元為m,其中m=0,1,2,…,M-1,Δf表示2個(gè)相鄰碼元之間的頻率間隔。
(4)對(duì)于相位編碼信號(hào),滿足:二相編碼信號(hào)的載頻為常數(shù)C,相位φ(t)在0或π之間變化,四相編碼信號(hào)的載頻為常數(shù),相位φ(t)在0、π/2、π或3π/2之間變化。由于f(t)=φ′(t),所以在碼元跳變的時(shí)候,對(duì)應(yīng)于f(t)將會(huì)發(fā)生突變。
(5)脈內(nèi)混合調(diào)制雷達(dá)信號(hào)
脈內(nèi)混合調(diào)制技術(shù)是將發(fā)射的寬脈沖信號(hào)分為若干子脈沖,每個(gè)子脈沖都有不同的載頻,相當(dāng)于在頻率編碼信號(hào)的各個(gè)子脈沖內(nèi)再進(jìn)行各自的隨機(jī)窄帶調(diào)制[4]。
頻率編碼與相位編碼組合調(diào)制的信號(hào)就是對(duì)頻率編碼信號(hào)的各個(gè)子脈沖進(jìn)行相應(yīng)的相位編碼,從而使信號(hào)攜帶更多的傳輸信息。
對(duì)上述5種信號(hào)進(jìn)行時(shí)頻分析后得到其時(shí)頻圖,對(duì)時(shí)頻圖進(jìn)行二維灰度變換,對(duì)灰度變換后的圖像采用不變矩特征提?。?],文獻(xiàn)[6]、[7]對(duì)提取的特征進(jìn)行分類設(shè)計(jì)。
常見的軍用雷達(dá)信號(hào)形式有:?jiǎn)蚊}沖信號(hào)、相位編碼信號(hào)、線性調(diào)頻信號(hào)、正弦調(diào)頻信號(hào)、二進(jìn)制頻移鍵控(BFSK)信號(hào)和二進(jìn)制相移鍵控(BPSK)信號(hào)[8]。下面采用這幾種信號(hào)在信噪比為5 d B條件下做計(jì)算機(jī)仿真,結(jié)果如圖1所示。
圖1 幾種雷達(dá)信號(hào)時(shí)域圖
由圖2可以明顯看出不同的雷達(dá)信號(hào)采用Wigner-Ville分布(WVD)處理后得到的時(shí)頻圖具有各自顯著的特征:線性調(diào)頻信號(hào)的時(shí)頻圖為一傾斜直線;頻率編碼信號(hào)的時(shí)頻圖為多條直線。而同為二相編碼信號(hào),采用不同的編碼方式,其對(duì)應(yīng)的時(shí)頻圖也明顯不同。
圖2 幾種雷達(dá)信號(hào)的Wigner-Ville分布時(shí)頻圖
下面利用線性調(diào)頻信號(hào)進(jìn)行仿真來對(duì)比分析一下WVD和短時(shí)傅里葉變換的性能。仿真在信噪比為-5 d B條件下進(jìn)行,仿真結(jié)果如圖3所示。
由圖3可見,在信噪比為-5 d B時(shí)利用短時(shí)間傅里葉變換(STFT)分析線性調(diào)頻信號(hào)時(shí),信號(hào)的時(shí)頻圖已不再是明顯的直線,而采用WVD處理結(jié)果仍然為一條直線。因此在低信噪比條件下WVD 的性能要明顯優(yōu)于STFT的性能。
圖3 線性調(diào)頻信號(hào)(LFM)信號(hào)的STFT和WVD處理圖
時(shí)頻分選技術(shù)非常適合于非平穩(wěn)信號(hào)的分析,本文重點(diǎn)介紹了 Wigner-Ville分布算法,給出了利用Wigner-Ville分布仿真分析的線性調(diào)頻信號(hào)、頻率編碼、二相編碼信號(hào)等幾種常用雷達(dá)信號(hào)的時(shí)頻圖。如何利用Wigner-Ville分析得到的時(shí)頻圖進(jìn)行后續(xù)的個(gè)體識(shí)別等工作將是今后研究的重點(diǎn)。
[1]顧明超,王雷,趙國(guó)慶.基于小波分析的雷達(dá)信號(hào)調(diào)制方式識(shí)別[J].艦船電子對(duì)抗,2009,32(6):83-85.
[2]楊尚兵.基于小波和傅里葉變換的脈內(nèi)調(diào)制特征識(shí)別[J].艦船電子對(duì)抗,2008,31(4):83-87.
[3]葛哲學(xué).MATLAB時(shí)頻分析技術(shù)及其應(yīng)用[M].北京:電子工業(yè)出版社,2008.
[4]王柏杉,楊連洪.雷達(dá)偵察設(shè)備對(duì)脈內(nèi)調(diào)頻信號(hào)分選識(shí)別方法探討[J].艦船電子對(duì)抗,2011,34(3):23-25.
[5]鄒興文,劉喜娟.雷達(dá)輻射源信號(hào)時(shí)頻圖像特征分析[J].中國(guó)雷達(dá),2009(3):29-32.
[6]程柏林,馬曉巖,陳蓓.基于時(shí)頻重排多分量輻射源信號(hào)分析研究[J].系統(tǒng)工程與電子技術(shù),2006,28(5):684-686.
[7]鄒興文,張葛祥,李明,等.一種雷達(dá)輻射源信號(hào)分類新方法[J].數(shù)據(jù)采集與處理,2009,24(3):487-492.
[8]李振興,張國(guó)疑.基于調(diào)制域的雷達(dá)信號(hào)脈內(nèi)特征提取新方法[J].電訊技術(shù),2010(12):69-74.