呂新正，劉和周，王啟智

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第38研究所，安徽 合肥 230000)

·工程應(yīng)用·

一種基于配對(duì)定位的脈沖分選新技術(shù)

呂新正，劉和周，王啟智

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第38研究所，安徽 合肥 230000)

如何實(shí)現(xiàn)復(fù)雜多參數(shù)捷變雷達(dá)信號(hào)的脈沖分選,一直是雷達(dá)對(duì)抗領(lǐng)域的一個(gè)十分重要的研究課題。提出了一種基于脈沖配對(duì)定位的新方法，解決了多參數(shù)捷變雷達(dá)的脈沖分選問題，詳細(xì)分析了基于配對(duì)定位的脈沖分選的實(shí)現(xiàn)過程，并通過仿真試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證，試驗(yàn)證明基于配對(duì)定位的分選方法可以提高脈沖分選的性能，同時(shí)可以解決多參數(shù)捷變雷達(dá)的脈沖分選問題。

脈沖分選；配對(duì)定位；多參數(shù)捷變

0 引言

雷達(dá)截獲系統(tǒng)的作用是截獲一定頻域和空域范圍內(nèi)的雷達(dá)輻射源信號(hào)并確定其特征。如何在密集的電磁環(huán)境中正確地分離出各雷達(dá)輻射源信息，得到正確的參數(shù)，實(shí)時(shí)地識(shí)別、告警，正確引導(dǎo)反輻射導(dǎo)彈進(jìn)行攻擊或干擾系統(tǒng)進(jìn)行干擾就顯得越來越重要。而信號(hào)分選在偵察引導(dǎo)系統(tǒng)設(shè)備中是重要的組成部分之一，信號(hào)分選的正確與否直接關(guān)系到偵察設(shè)備的性能指標(biāo)。從目前的信號(hào)分選技術(shù)來看，一般將信號(hào)分選分兩級(jí)處理，先根據(jù)到達(dá)方向(DOA)、載頻等參數(shù)對(duì)雷達(dá)信號(hào)進(jìn)行預(yù)分選，再利用脈沖重復(fù)間隔(PRI)對(duì)信號(hào)進(jìn)行進(jìn)一步分選。但是利用載頻的預(yù)分選無法實(shí)現(xiàn)捷變頻雷達(dá)的分選。隨著雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展，為了實(shí)現(xiàn)低截獲，脈間捷變(包括頻率、重頻、脈寬的捷變)得到大量的應(yīng)用，傳統(tǒng)的直方圖方法很難完成分選。本文通過分析，采用脈沖配對(duì)定位的方法，很好地解決了捷變雷達(dá)的分選問題。

本文重點(diǎn)分析了脈沖配對(duì)定位的方法，實(shí)現(xiàn)了脈沖的配對(duì)和聚類，并通過仿真試驗(yàn)的方式對(duì)傳統(tǒng)分選方法和新方法進(jìn)行了比較。從仿真的結(jié)果可以看出，脈沖配對(duì)定位的分選方法極大提高了系統(tǒng)的性能，同時(shí)解決了傳統(tǒng)分選方法無法解決的多參數(shù)捷變雷達(dá)的問題。

1 脈沖配對(duì)定位的方法

脈沖配對(duì)定位是通過兩個(gè)接收機(jī)來完成的。雷達(dá)偵察接收機(jī)接收到的信號(hào)經(jīng)過AD采樣后進(jìn)入偵察信號(hào)處理，信號(hào)處理經(jīng)過信道化和參數(shù)測(cè)量后形成脈沖描述字送入到脈沖分選處理，因此參數(shù)測(cè)量的脈沖描述字作為脈沖分選的輸入，其精度直接影響后續(xù)脈沖分選的性能。對(duì)于單站接收機(jī)來說，參數(shù)測(cè)量的精度與目標(biāo)距離接收站的距離直接相關(guān)，而雙站則可通過配對(duì)后參數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，進(jìn)一步提高參數(shù)測(cè)量的精度。

設(shè)兩站接收機(jī)示意圖如圖1所示，A、B為相距D的兩個(gè)接收站，目標(biāo)C到兩個(gè)站的距離分別為X、Y，兩站測(cè)得的方位角分別為α、β。

圖1 兩站接收機(jī)示意圖

接收機(jī)A、B接收到的脈沖經(jīng)過信號(hào)處理后得的脈沖描述字分別為PDWA{TOAa,Fa,PWa,PAa,DOAa}，PDWB{TOAb,Fb,PWb,PAb,DOAb}，對(duì)于同一脈沖來說，脈沖的頻率和脈寬應(yīng)該是相同的，而方位和到達(dá)時(shí)間差是有一定關(guān)系的?？梢愿鶕?jù)圖1的接收關(guān)系建立如下的三角函數(shù)關(guān)系：

Y/sinα=X/sinβ=D/sin(β-α)

(1)

進(jìn)一步可得到：

X-Y=(sinβ-sinα)(D/sin(β-α))=

(cos((β+α)2-1)/cos((β-α)2-1))D

(2)

式(2)給出了目標(biāo)源到兩個(gè)接收站的距離差，從而可以得出兩站測(cè)量的到達(dá)時(shí)間關(guān)系有：

TOAa-TOAb=(X-Y)/c

(3)

(4)

從上面的分析可以看出，配對(duì)定位首先根據(jù)兩站測(cè)量的方位來計(jì)算目標(biāo)到達(dá)兩站時(shí)間差，然后在時(shí)間差范圍內(nèi)進(jìn)行搜索匹配，因此兩站測(cè)量時(shí)間差對(duì)本算法影響較大。下面重點(diǎn)分析影響兩站到達(dá)時(shí)間差測(cè)量的各種因素，主要包括：通道不一致、兩站系統(tǒng)時(shí)間不同步以及高重頻帶來的配對(duì)模糊問題。

配對(duì)定位采用的是兩套偵察接收機(jī)，雖不能保證兩套系統(tǒng)的通道完全一致，但可以對(duì)兩套系統(tǒng)分別標(biāo)校，確保兩套系統(tǒng)的參數(shù)測(cè)量精度一致。由于兩站獨(dú)立工作，不能保證兩站的偵察起始時(shí)間一致，需要對(duì)PDW進(jìn)行訓(xùn)練，計(jì)算真實(shí)的延遲時(shí)間，具體做法是：在兩站PDW中尋找多個(gè)幅度較大的PDW，當(dāng)它們的脈寬、頻率、方位相同時(shí)，根據(jù)上述分析，計(jì)算到達(dá)時(shí)間差，以其中一個(gè)站為參考，計(jì)算另一站的到達(dá)時(shí)間，對(duì)另一站所有到達(dá)時(shí)間進(jìn)行修正，從而實(shí)現(xiàn)時(shí)間對(duì)齊。當(dāng)目標(biāo)距離兩站的時(shí)間差為幾個(gè)微秒時(shí)，如果目標(biāo)是高重頻信號(hào)，脈沖之間的間隔也只有幾個(gè)微秒，因此在可能的到達(dá)時(shí)間差區(qū)域內(nèi)存在多個(gè)脈沖，這就導(dǎo)致匹配的模糊問題。由于配對(duì)處理對(duì)脈沖分選只是預(yù)處理，因此可以將多個(gè)配對(duì)的脈沖均提取出來，由于后續(xù)脈沖分選的精度較高，配對(duì)的模糊問題對(duì)脈沖分選沒有影響。

綜上所述，對(duì)于同一個(gè)輻射源發(fā)出的脈沖信號(hào)，可以利用兩站參數(shù)測(cè)量的方位角精確地估計(jì)出脈沖到兩站的時(shí)間差，再加上脈沖信號(hào)的頻率和脈寬，可以實(shí)現(xiàn)脈沖的精確配對(duì)。具體配對(duì)算法如下：

1)選擇幅度較大的PDW計(jì)算到達(dá)時(shí)間基準(zhǔn)延時(shí)，對(duì)到達(dá)時(shí)間進(jìn)行修正；

2)根據(jù)DOAa、DOAb來計(jì)算脈沖到達(dá)兩站的時(shí)間差；

3)根據(jù)參數(shù)測(cè)量的測(cè)量誤差計(jì)算可能的到達(dá)時(shí)間差區(qū)域；

4)根據(jù)頻率、脈寬在到達(dá)時(shí)間區(qū)域進(jìn)行搜索，進(jìn)行脈沖配對(duì)；

5)根據(jù)信號(hào)源較近的脈沖參數(shù)測(cè)量精度更高的原則，對(duì)配對(duì)成功的PDW進(jìn)行參數(shù)修正，從而得到高精度的參數(shù)測(cè)量結(jié)果。

2 脈沖配對(duì)定位的聚類方法

經(jīng)過配對(duì)定位的脈沖參數(shù)配對(duì)后，剔除了很多無意干擾的脈沖描述字，為了進(jìn)一步提取目標(biāo)信息，需要進(jìn)行脈沖分選。為了實(shí)現(xiàn)復(fù)雜環(huán)境下密集目標(biāo)的分選，需要對(duì)接收到的脈沖描述字進(jìn)行聚類分析。

對(duì)于單站偵察系統(tǒng)來說，最常用的是基于方位、頻率、脈寬的空間距離聚類方法，也就是根據(jù)空間點(diǎn)與點(diǎn)之間的歐幾里德距離進(jìn)行聚類。對(duì)于方位、頻率和脈寬均不變的目標(biāo)信號(hào)，空間距離聚類方法有很好的效果，但對(duì)于參數(shù)均發(fā)生捷變的目標(biāo)信號(hào)，則很容易將一個(gè)目標(biāo)聚類成多個(gè)目標(biāo)，從而得到錯(cuò)誤的聚類結(jié)果。

對(duì)于一個(gè)空中目標(biāo)，在短時(shí)間內(nèi)的運(yùn)動(dòng)帶來的角度變化相對(duì)偵察系統(tǒng)的作用距離來說，是非常小的。例如對(duì)距偵察機(jī)距離為R、速度為v的目標(biāo)，在一次分選處理時(shí)間間隔t內(nèi)的角度變化為：

θ=180vt/(πR)

(5)

假設(shè)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)速度為2km/s，目標(biāo)距離偵察設(shè)備的距離為100km，信號(hào)處理時(shí)間間隔為500ms，則其到達(dá)角的最大變化約為：

θ=180×2×0.5/(π×100)≈0.57°

(6)

由于大部分偵察系統(tǒng)的測(cè)向精度往往在1°附近，因此，目標(biāo)在單位時(shí)間間隔內(nèi)可以認(rèn)為是不變的，故可以采用目標(biāo)的方位參數(shù)作為聚類的依據(jù)。

實(shí)際上，方位測(cè)量精度受信號(hào)的強(qiáng)度影響很大，從上面的分析可以看出，兩站協(xié)同的脈沖參數(shù)配對(duì)方法，除了可以剔除無意干擾脈沖，還可以利用到達(dá)時(shí)間來對(duì)方位進(jìn)行修正，提高弱信號(hào)時(shí)的測(cè)角精度，從而有利于兩站協(xié)同的方位聚類結(jié)果。

根據(jù)上面的分析，可以考慮從方位上進(jìn)行聚類，具體方法如下：

1)建立方位二維坐標(biāo)(橫坐標(biāo)為A站方位，縱坐標(biāo)為B站方位)；

2)在坐標(biāo)軸上標(biāo)識(shí)對(duì)配對(duì)成功修正后的方位；

3)以測(cè)角的指標(biāo)誤差為聚類門限進(jìn)行聚類；

4)對(duì)聚類后的目標(biāo)進(jìn)行角度平均，算出目標(biāo)的真實(shí)坐標(biāo)。

3 基于脈沖配對(duì)定位的脈沖分選技術(shù)

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)批復(fù)雜雷達(dá)信號(hào)的脈沖分選，給出了基于兩站協(xié)同的脈沖分選流程圖，如圖2所示。對(duì)于兩站接收到的脈沖描述字，首先需要根據(jù)PDW中的到達(dá)時(shí)間、方位角進(jìn)行綜合配對(duì)處理，剔除無效的脈沖信號(hào)，然后根據(jù)配對(duì)成功的到達(dá)時(shí)間對(duì)方位角進(jìn)行修正，對(duì)修正后的方位角進(jìn)行兩站聚類處理，將聚類成功的PDW分別存儲(chǔ)下來進(jìn)行重頻分析處理。根據(jù)序列差直方圖的方法對(duì)TOA進(jìn)行重頻預(yù)測(cè)和序列搜索，根據(jù)重頻周期性判斷是否為固定參差目標(biāo)和抖動(dòng)滑變目標(biāo)，然后對(duì)分選成功目標(biāo)對(duì)應(yīng)的PDW中的頻率和脈寬進(jìn)行分析，判斷是否存在捷變，輸出目標(biāo)特征參數(shù)。

圖2 基于脈沖配對(duì)定位的分選技術(shù)流程圖

圖3 單站基于頻率、脈寬、方位聚類結(jié)果

4 仿真實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證算法的特性，表1為4批目標(biāo)信號(hào)的參數(shù)表，為了說明算法的適用性，選擇的信號(hào)形式涵蓋了目前常用的雷達(dá)信號(hào)，同時(shí)在參數(shù)選擇上存在交疊，考慮到測(cè)量誤差的影響，脈寬的測(cè)量誤差為2μs，頻率的測(cè)量誤差為2MHz，方位的測(cè)量誤差為2°。單站處理時(shí)，采用目前比較常用的基于頻率、脈寬、方位的聚類方法，如圖3所示?？梢钥闯?，由于目標(biāo)批號(hào)2是多參數(shù)捷變信號(hào)，空間上目標(biāo)點(diǎn)發(fā)散，聚類困難，會(huì)出現(xiàn)增批和目標(biāo)信息不完整的情況。基于兩站配對(duì)定位的聚類結(jié)果如圖4所示。可以看出，聚類結(jié)果不受參數(shù)捷變的影響，很容易得出正確的聚類結(jié)果。表2為不同模式下的脈沖分選結(jié)果?？梢钥闯?，對(duì)于單站信號(hào)來說，信號(hào)正確分選率與目標(biāo)到兩站的距離及信號(hào)的復(fù)雜程度有關(guān)。從批號(hào)1、3、4可以看出，目標(biāo)距離偵察站越近，則參數(shù)測(cè)量的精度高，相應(yīng)的脈沖正確分選概

圖4 基于兩站配對(duì)定位的聚類結(jié)果

率高。對(duì)于批號(hào)2來說，由于頻率、脈寬、重頻均存在捷變，故單站正確分選脈沖個(gè)數(shù)不足50%。而兩站協(xié)同的方式，無論參數(shù)是否捷變，脈沖分選概率都很高，兩站協(xié)同的時(shí)候利用強(qiáng)信號(hào)的脈沖參數(shù)去修正弱信號(hào)的脈沖參數(shù)，則對(duì)分選結(jié)果有一定的改進(jìn)作用。

表1 4批目標(biāo)信號(hào)參數(shù)

表2 4批目標(biāo)不同情況分選結(jié)果對(duì)比

5 結(jié)束語(yǔ)

本文闡述了一種全新基于兩站配對(duì)定位的脈沖分選方法。從兩站與目標(biāo)組成的三角關(guān)系出發(fā)，理論論證了兩站測(cè)量的到達(dá)時(shí)間與方位之間的關(guān)系，給出了兩站協(xié)同配對(duì)的算法步驟，同時(shí)根據(jù)修正后的兩站方位角進(jìn)行聚類，并對(duì)聚類的結(jié)果進(jìn)行重頻分析，給出脈沖分選結(jié)果。該方法解決了單站系統(tǒng)無法解決的多參數(shù)同時(shí)捷變的雷達(dá)信號(hào)的脈沖分選問題。最后通過仿真實(shí)驗(yàn)的方法對(duì)多批目標(biāo)進(jìn)行分選，并與單站分選結(jié)果進(jìn)行了比較，從仿真的結(jié)果來看，利用兩站協(xié)同配對(duì)定位的方式可以進(jìn)行多批復(fù)雜信號(hào)的聚類和分選?！?/p>

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A new technology of pulse sorting based on paired localization

Lü Xinzheng, Liu Hezhou, Wang Qizhi

(No.38 Research Institute of CETC, Hefei 230000, Anhui,China)

How to sort multi-parameter agile radar pulses is an important research problem in radar countermeasures. A new technology based on paired localization to sort multi-parameter agile radar is proposed. The realization of pulse sorting based on paired localization is analyzed, and its performance is validated by simulation. The experiment result shows that the new technology based on paired localization improves the performance of pulse sorting and resolves the problem for sorting multi-parameter agile radar pulses.

sorting of radar pulses;paired localization;multi-parameter agile

2017-02-21；2017-04-19修回。

呂新正(1976-)，男，高工，主要從事雷達(dá)對(duì)抗技術(shù)研究工作。

TN974

A