鄭惠文，黃建沖

(解放軍電子工程學(xué)院，安徽 合肥 230037)

基于內(nèi)插采樣的雷達(dá)信號(hào)分選方法

鄭惠文，黃建沖

(解放軍電子工程學(xué)院，安徽 合肥 230037)

針對(duì)傳統(tǒng)雷達(dá)信號(hào)分選方法在復(fù)雜環(huán)境下對(duì)于信號(hào)形式的適應(yīng)能力不強(qiáng)的問(wèn)題，提出基于內(nèi)插采樣的雷達(dá)信號(hào)分選方法。該方法通過(guò)設(shè)立兩個(gè)偵察站，利用內(nèi)插采樣法高精度地測(cè)得雷達(dá)脈沖到達(dá)兩站的時(shí)間，求取到達(dá)兩站的時(shí)間差，根據(jù)不同雷達(dá)的信號(hào)到達(dá)兩站的時(shí)間差不同完成信號(hào)分選。理論分析和計(jì)算機(jī)仿真表明，該方法能夠有效地分選信號(hào)，對(duì)雷達(dá)信號(hào)具有較強(qiáng)的適應(yīng)性，較好地解決了制約雷達(dá)對(duì)抗情報(bào)獲取中的信號(hào)分選難題。

雷達(dá)信號(hào)分選；到達(dá)時(shí)間；到達(dá)時(shí)間差；內(nèi)插采樣

0 引言

雷達(dá)對(duì)抗偵察系統(tǒng)中信號(hào)處理設(shè)備的輸入信號(hào)是密集交疊的雷達(dá)信號(hào)脈沖流，雷達(dá)信號(hào)分選即指從這些隨機(jī)交疊的脈沖信號(hào)流中分離出各部雷達(dá)脈沖信號(hào)的過(guò)程[1]。信號(hào)分選是信號(hào)分析、目標(biāo)識(shí)別和威脅等級(jí)判定的前提，必須實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地完成信號(hào)分選，后續(xù)工作才有意義。目前，傳統(tǒng)的分選方法在一定程度上解決了信號(hào)分選問(wèn)題，但都有一定局限性：動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)法[2]只適合分選重頻(PRI)固定的信號(hào)；直方圖法[3-4]在信號(hào)抖動(dòng)較大時(shí)會(huì)產(chǎn)生虛警信號(hào)；PRI變換法[5]無(wú)法分選復(fù)雜體制雷達(dá)信號(hào)；改進(jìn)的PRI變換算法[6]運(yùn)算量巨大，且仍然無(wú)法分選PRI參差信號(hào)。本文針對(duì)現(xiàn)有分選方法對(duì)信號(hào)形式的適應(yīng)能力不強(qiáng)的問(wèn)題，提出基于內(nèi)插采樣的雷達(dá)信號(hào)分選方法。

1 內(nèi)插采樣法

內(nèi)插采樣法以脈沖到達(dá)兩站的時(shí)差為依據(jù)進(jìn)行分選，用于多站間時(shí)差提取的方式有兩種：基于統(tǒng)一時(shí)間的時(shí)差提取方式和基于統(tǒng)一信號(hào)的時(shí)差提取方式[7]。前者存在較大時(shí)統(tǒng)誤差[8]，故本文采用后者，即副站把接收的信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)到主站，本身不對(duì)信號(hào)做任何處理；主站自身接收輻射源信號(hào)，同時(shí)還接收副站轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)來(lái)的信號(hào)；在主站內(nèi)測(cè)量各脈沖的TOA，將TOA相減并扣除主、副站之間預(yù)先標(biāo)定的傳輸遲延(為了能使主站在對(duì)副站轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)來(lái)的脈沖進(jìn)行TOA測(cè)量前更準(zhǔn)確地校正轉(zhuǎn)發(fā)所需遲延，避免偶然誤差，可事先反復(fù)將一個(gè)信號(hào)從副站轉(zhuǎn)發(fā)到主站，得到多個(gè)Δti，取其統(tǒng)計(jì)平均值作為標(biāo)準(zhǔn)遲延，以后在計(jì)算每個(gè)TDOA時(shí)，只需在副站轉(zhuǎn)發(fā)信號(hào)的TOA上減去標(biāo)準(zhǔn)遲延即可)，獲取TDOA。顯然要獲取高精度的TDOA，就必須高精度地測(cè)得各脈沖TOA。

目前，測(cè)量脈沖TOA的方法[9]有很多，最常用的是直接計(jì)數(shù)法。此外還有模擬內(nèi)插法、遲延線法、時(shí)間-幅度轉(zhuǎn)換法等，這些方法針對(duì)直接計(jì)數(shù)法測(cè)量脈沖TOA時(shí)小于時(shí)鐘量化間隔的量化誤差進(jìn)行改進(jìn)，一定程度上提高了測(cè)量精度，但存在先進(jìn)測(cè)量方法與實(shí)現(xiàn)難度的矛盾、測(cè)量實(shí)時(shí)性與測(cè)量精度的矛盾、測(cè)量連續(xù)性等問(wèn)題，且都存在原理誤差。本文利用內(nèi)插采樣法(之所以稱為內(nèi)插采樣，是因?yàn)椴蓸狱c(diǎn)位于相鄰兩個(gè)量化時(shí)鐘脈沖之間)測(cè)量脈沖的TOA，該方法測(cè)量范圍大、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、準(zhǔn)確度高，它把對(duì)量化誤差的測(cè)量轉(zhuǎn)換為對(duì)基準(zhǔn)信號(hào)相位的測(cè)量，克服了原理誤差，其基本原理如圖1所示。

圖中量化時(shí)鐘的頻率為f0(f0=1/T0)，基準(zhǔn)信號(hào)是由量化時(shí)鐘產(chǎn)生的同頻正弦信號(hào)，待測(cè)脈沖的實(shí)際TOA為T，由于量化時(shí)鐘的計(jì)數(shù)脈沖和待測(cè)脈沖構(gòu)成的計(jì)數(shù)邊沿的相位關(guān)系具有隨機(jī)性，所以量化時(shí)鐘實(shí)際測(cè)得的TOA為Ta。雷達(dá)脈沖的上升沿觸發(fā)模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)對(duì)基準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行采樣，采樣值為S1，對(duì)應(yīng)的相位為θ1，所以：

(1)

在圖1對(duì)應(yīng)關(guān)系中，θ1′始終為π，所以脈沖的實(shí)際TOA為：

(2)

只采用一個(gè)基準(zhǔn)信號(hào)測(cè)量TOA時(shí)存在兩個(gè)問(wèn)題：一是根據(jù)采樣值求解相位時(shí)存在兩個(gè)值；二是正弦信號(hào)在90°和270°處，很小的相位差會(huì)導(dǎo)致較大的相位提取誤差[10]。因此實(shí)際應(yīng)用中通常采用兩路同頻正交信號(hào)作為基準(zhǔn)信號(hào)，圖1中基準(zhǔn)信號(hào)Q路表示與基準(zhǔn)信號(hào)I路正交的同頻正弦信號(hào)。內(nèi)插采樣法的實(shí)現(xiàn)框圖如圖2所示。

首先利用恒比觸發(fā)法對(duì)視頻脈沖進(jìn)行整形[11]，得到高精度整形脈沖，并把整形脈沖分為A、B、C三路信號(hào)。然后分別測(cè)量A、B、C三路信號(hào)：量化時(shí)鐘直接對(duì)B路信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，得到TOA的高位數(shù)據(jù)；A路信號(hào)和C路信號(hào)作為ADC的采樣輸入，分別對(duì)兩路同頻正交的基準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行采樣，利用一片F(xiàn)PGA計(jì)算出基準(zhǔn)信號(hào)在脈沖上升沿的瞬時(shí)相位；讓FPGA與一片可擦除可編程只讀存儲(chǔ)器(EPROM)相連，其中EPROM中存有基準(zhǔn)信號(hào)的瞬時(shí)相位和單周期內(nèi)的時(shí)刻對(duì)應(yīng)關(guān)系，即通過(guò)查表的方法得到TOA的低位數(shù)據(jù)。最后拼接TOA的高位數(shù)據(jù)和低位數(shù)據(jù)，得到完整的TOA。

高精度測(cè)量脈沖TOA目的是要提取到高精度TDOA，因此在這考慮利用基于TOA測(cè)量的PRI提取來(lái)驗(yàn)證內(nèi)插采樣法提取TDOA的測(cè)量精度。利用Matlab中動(dòng)態(tài)仿真工具Simulink進(jìn)行數(shù)據(jù)環(huán)境仿真，仿真環(huán)境原理圖如圖3所示。

在當(dāng)前硬件技術(shù)可以達(dá)到的水平下，設(shè)立如下技術(shù)指標(biāo)：量化時(shí)鐘為10MHz銣原子頻率標(biāo)準(zhǔn)，頻率準(zhǔn)確度為5×10-11，穩(wěn)定度為3×10-11；基準(zhǔn)信號(hào)的頻率為10MHz，相對(duì)幅度抖動(dòng)為10-4；采用雙通道高速ADC，數(shù)據(jù)輸出信噪比為60dB，孔徑抖動(dòng)小于10ps，工作方式為外部觸發(fā)采樣。假設(shè)所有器件都為理想器件，按照所給數(shù)據(jù)設(shè)置仿真參數(shù)，設(shè)定PRI分別為20μs、48μs、92μs、146μs、213μs、285μs、350μs，各進(jìn)行200次試驗(yàn)，仿真結(jié)果如表1所示。

表1 計(jì)算機(jī)仿真PRI提取結(jié)果

表1中，均值的含義是對(duì)設(shè)定PRI進(jìn)行200次測(cè)量后取的算術(shù)平均值；極差的含義是200次測(cè)量中與設(shè)定值之差的最大值。所以，在當(dāng)前硬件技術(shù)能夠達(dá)到的水平下，內(nèi)插采樣法提取TDOA的精度優(yōu)于100ps，能夠達(dá)到高精度地要求。

2 基于內(nèi)插采樣的雷達(dá)信號(hào)分選方法

分選方法的基本原理是設(shè)立兩個(gè)偵察站，利用內(nèi)插采樣技術(shù)高精度地測(cè)量雷達(dá)脈沖到兩站的到達(dá)時(shí)間，將二者相減求取到達(dá)時(shí)間差，由于輻射源位置相對(duì)穩(wěn)定的特點(diǎn)，使得同輻射源的所有脈沖到達(dá)兩站的時(shí)間差相同，不同輻射源的脈沖到達(dá)兩站的時(shí)間差不同。其實(shí)現(xiàn)流程如圖4所示。

預(yù)先固定主、副站，同一串脈沖信號(hào)被主、副站接收到，副站將接收到的信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)至主站；在主站內(nèi)對(duì)主站接收的信號(hào)和副站轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)來(lái)的信號(hào)進(jìn)行高精度TOA、載頻、脈寬、脈幅等參數(shù)的測(cè)量，形成兩組全脈沖參數(shù)，送入脈沖相關(guān)器提取時(shí)差。若信號(hào)來(lái)自K個(gè)輻射源，脈沖相關(guān)器就會(huì)輸出K個(gè)TDOA。根據(jù)時(shí)差統(tǒng)計(jì)結(jié)果對(duì)全脈沖序列分組，按TOA先后順序輸出，完成對(duì)全脈沖信號(hào)的分選。

(3)

(4)

(5)

當(dāng)Δt等于脈沖到達(dá)主、副站的真實(shí)時(shí)間差時(shí)，上式不為零，即開始對(duì)時(shí)間差進(jìn)行累積。

3 仿真分析

內(nèi)插采樣技術(shù)給該方法提供了精度保證，為驗(yàn)證方法的可行性，以6個(gè)輻射源為例進(jìn)行分析并仿真。如圖5所示，設(shè)站間距為1km，兩站由長(zhǎng)為1km光纖連接(實(shí)際中由于地勢(shì)、交通等原因，光纖長(zhǎng)度會(huì)大于1km，但長(zhǎng)度可事先測(cè)量，在這假設(shè)為直線連接)，以主站為原點(diǎn)、主站和副站連線的延長(zhǎng)線為X軸作直角坐標(biāo)系，極坐標(biāo)下6個(gè)雷達(dá)輻射源的位置為：A(100,119°)，B(115,101°)，C(105,87°)，D(120,80°)，E(125,68°)，F(xiàn)(110,59°)。

在由主站、副站和輻射源A構(gòu)成的三角形中，已知輻射源A到主站、副站到主站的距離和二者的夾角，由余弦定理可求得輻射源A到副站的距離SA：

100.488 62(km)

(6)

副站接收輻射源A的脈沖并轉(zhuǎn)發(fā)到主站，實(shí)際傳輸?shù)木嚯x為(100.488 62+1)km，但副站的信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)間可事先測(cè)量，在計(jì)算TDOA時(shí)扣除即可，在這不計(jì)算在傳輸時(shí)間內(nèi)。所以，理論上輻射源A的脈沖到達(dá)主、副站的TDOA為：

ΔtA=(100-SA)/c=-1.628 73(μs)

(7)

其中，c為電磁波在真空中的傳播速度。同理，可以計(jì)算出輻射源B、C、D、E和F的脈沖到達(dá)兩站的TDOA的理論值分別為：-0.649 94 μs、0.158 62 μs、0.565 33 μs、1.237 18 μs和1.705 61 μs。

方法根據(jù)同一輻射源的脈沖到達(dá)兩站的TDOA相同，不同輻射源的脈沖到達(dá)兩站的TDOA不同分選信號(hào)，與信號(hào)的復(fù)雜程度無(wú)關(guān)，在這以常規(guī)脈沖信號(hào)和脈沖參差信號(hào)為例進(jìn)行分析。設(shè)輻射源A、B、C和D持續(xù)發(fā)射PRI分別為120 μs、140 μs、160 μs和180 μs的常規(guī)脈沖信號(hào)，輻射源E、F發(fā)射子周期分別為110 μs和190 μs、100 μs和170 μs的二參差脈沖信號(hào)。常規(guī)PRI信號(hào)和二參差脈沖信號(hào)仿真圖如圖6所示。

利用該方法分選信號(hào)，必須使兩個(gè)偵察接收機(jī)的距離很近(相對(duì)于接收機(jī)和輻射源之間的距離)，以保證兩接收機(jī)能接收到同一串雷達(dá)信號(hào)，在實(shí)際應(yīng)用中很容易實(shí)現(xiàn)。輻射源發(fā)射的這些脈沖隨機(jī)交疊，通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真接收機(jī)接收到的雷達(dá)信號(hào)(使用標(biāo)準(zhǔn)脈沖)，在主站中截取一段時(shí)間主站接收到的信號(hào)和副站轉(zhuǎn)發(fā)到主站的信號(hào)，其中副站轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)來(lái)的信號(hào)是經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)間校正的信號(hào)(扣除固定遲延)，截取信號(hào)如圖7所示。

在主站內(nèi)對(duì)脈沖序列進(jìn)行高精度的TOA測(cè)量和快速測(cè)頻、測(cè)脈寬、脈幅等參數(shù)，形成兩組全脈沖參數(shù)，送入脈沖相關(guān)器提取TDOA。本文采用內(nèi)插采樣法測(cè)量脈沖的TOA，由前面分析可知，內(nèi)插采樣法獲取TDOA的精度優(yōu)于百皮秒量級(jí)；信號(hào)從副站轉(zhuǎn)發(fā)到主站的時(shí)間可以通過(guò)校正加以消除；雙站之間提取TDOA和基于TOA測(cè)量的PRI提取區(qū)別在于兩個(gè)脈沖來(lái)自不同接收機(jī)，因此需要在TDOA提取的基礎(chǔ)上加上接收機(jī)的一致性誤差[12]，在目前的硬件技術(shù)水平，接收機(jī)的一致性誤差可以控制在納秒量級(jí)。所以，該方法總的誤差應(yīng)該在納秒量級(jí)。

截取30 ms內(nèi)主、副站接收的信號(hào)，測(cè)量各脈沖的TOA，并求取脈沖到達(dá)兩站的TDOA，在計(jì)算結(jié)果上加上接收機(jī)一致性誤差ξ(計(jì)算機(jī)生成)，即為實(shí)際情況中的TDOA。圖5所示的布站中，TDOA的最大值為Δt0=1×103/c=3.333 33 μs。設(shè)Δt=Δt0+0.011=3.344 33 μs(冗余考慮測(cè)量誤差不超過(guò)1 ns，接收機(jī)一致性誤差不超過(guò)10 ns)為判決門限，利用Matlab進(jìn)行仿真運(yùn)算，累積脈沖到達(dá)兩站的TDOA，仿真結(jié)果如圖8所示。

仿真圖中存在十幾個(gè)集中的時(shí)間差，但實(shí)際應(yīng)該只存在6個(gè)集中時(shí)間差，即存在虛假時(shí)間差。如果按照將TDOA直接分選，則會(huì)分選出十幾部雷達(dá)，出現(xiàn)增批現(xiàn)象，所以在分選時(shí)必須做一定處理。

電磁環(huán)境中的輻射源發(fā)射固定PRI、參差PRI和其他復(fù)雜PRI調(diào)制信號(hào)時(shí)，時(shí)差統(tǒng)計(jì)中存在真實(shí)時(shí)間差、有一定累積量的虛假時(shí)間差、時(shí)間差噪聲。但是這三者是有一定聯(lián)系的，且脈沖信號(hào)形成的真實(shí)時(shí)間差的數(shù)量總是不小于虛假時(shí)間差數(shù)量[13]，利用這一點(diǎn)，本文考慮采用遞歸的思想將真實(shí)時(shí)間差、一定累積量的虛假時(shí)間差、時(shí)間差噪聲作為一個(gè)整體進(jìn)行處理，具體步驟為：

1)統(tǒng)計(jì)各個(gè)時(shí)間差對(duì)應(yīng)的脈沖對(duì)數(shù)；

2)選擇時(shí)間差對(duì)數(shù)最大的值，并將該值作為真實(shí)時(shí)間差；對(duì)真實(shí)時(shí)間差進(jìn)行分選，將該值對(duì)應(yīng)的所有脈沖從脈沖序列中扣除；

3)更新剩余脈沖的時(shí)間差統(tǒng)計(jì)結(jié)果，并重復(fù)1)、2)步，直至分選完所有的脈沖。

統(tǒng)計(jì)仿真圖8中各時(shí)間差對(duì)應(yīng)的脈沖對(duì)數(shù)，從最密集的時(shí)間差開始分選，將分選出來(lái)的脈沖依次從序列中扣除，直至所有脈沖分選完畢，分選過(guò)程如圖9所示。

從分選結(jié)果可以看出，隨著分選出的脈沖序列越來(lái)越多，虛假時(shí)間差就越少，直至分選結(jié)束，虛假時(shí)間差消失。所以，利用該方法分選信號(hào)，只要能測(cè)得脈沖的TOA參數(shù)，獲得TDOA數(shù)據(jù)，就能成功分選。

4 結(jié)論

本文提出了基于內(nèi)插采樣的雷達(dá)信號(hào)分選方法，該方法通過(guò)設(shè)立兩個(gè)偵察站，利用內(nèi)插采樣法高精度地測(cè)得脈沖到達(dá)兩站的時(shí)間，求取到達(dá)時(shí)間差，根據(jù)不同雷達(dá)的信號(hào)到達(dá)兩站的時(shí)間差不同完成信號(hào)分選。理論分析和計(jì)算機(jī)仿真表明：該方法對(duì)雷達(dá)信號(hào)具有較強(qiáng)的適應(yīng)性，只要能測(cè)得脈沖的TOA，就能準(zhǔn)確分選，擺脫了復(fù)雜信號(hào)體制對(duì)信號(hào)分選的約束，為復(fù)雜信號(hào)體制給信號(hào)分選帶來(lái)的問(wèn)題找到一種解決方案。但是存在一點(diǎn)不足，即該方法只利用了TDOA信息，默認(rèn)為每次分選出來(lái)的信號(hào)是一部雷達(dá)信號(hào)，可能會(huì)出現(xiàn)虛警現(xiàn)象，下一步將對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行研究，進(jìn)一步提高分選準(zhǔn)確率。

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Radar Signal Sorting Method Based on Interpolating Sampling

ZHENG Huiwen, HUANG Jianchong

(Electronic Engineering Institute of PLA，Hefei 230037，China)

The adaptability to signal form of traditional radar signal sorting methods is poor in complex signal environment．A method of radar signal sorting based on interpolating sampling was proposed in this paper．Two reconnaissance stations were set up and the time of arrival(TOA)of radar pulse was measured for two stations by interpolating sampling method，which got the time difference of arrival(TDOA)，then，two stations were different to sort signal according to the TDOA of different radar signals．Theoretical analysis and computer simulation results indicated that the proposed method could effectively sort signal with strong adaptability to signal form and the signal sorting problem was solved without restricting the acquisition of radar countermeasure intelligence．

radar signal sorting；TOA；TDOA；interpolating sampling

2016-08-29

鄭惠文(1991—)，男，四川隆昌人，碩士研究生，研究方向：雷達(dá)對(duì)抗信號(hào)處理。E-mail:307500035@qq.com。

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1008-1194(2017)01-0046-06