朱 玉，任麗薇，劉佳媛

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二四研究所，南京 211153)

一種高重頻信號(hào)的時(shí)差定位方法

朱 玉，任麗薇，劉佳媛

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二四研究所，南京 211153)

對(duì)高重頻信號(hào)進(jìn)行脈沖配對(duì)的過程中會(huì)產(chǎn)生大量的模糊時(shí)差，無法對(duì)目標(biāo)進(jìn)行準(zhǔn)確定位。本算法根據(jù)信號(hào)脈間參數(shù)變化特征在全脈沖級(jí)別采用多數(shù)據(jù)累積的方法，利用真實(shí)時(shí)間差的收斂一致性剔除模糊解，減少虛假配對(duì)，再利用關(guān)聯(lián)、跟蹤、濾波等方法對(duì)定位點(diǎn)跡結(jié)果進(jìn)行挑選和修正，最終生成目標(biāo)航跡信息。仿真結(jié)果表明,該方法可以有效抑制虛假解，提升高重頻信號(hào)目標(biāo)正確定位的概率。

雷達(dá)；輻射源；高重頻信號(hào)；時(shí)差定位；定位模糊；數(shù)據(jù)累積

0 引 言

長(zhǎng)基線時(shí)差定位是利用同一輻射源信號(hào)到達(dá)分布多站的時(shí)間差形成雙曲線(面)進(jìn)行定位的一種無源定位技術(shù)，其特點(diǎn)為精度高，在無源定位系統(tǒng)中得到較為廣泛的推廣和應(yīng)用。但是，在實(shí)際應(yīng)用中，由于電磁環(huán)境日益復(fù)雜，雷達(dá)工作體制日趨多樣化，復(fù)雜雷達(dá)信號(hào)頻率參數(shù)、重復(fù)周期參數(shù)、脈寬參數(shù)等在周期內(nèi)、周期間都會(huì)發(fā)生變化?，F(xiàn)有的定位機(jī)制難以適應(yīng)高重頻信號(hào)，存在時(shí)差模糊問題，而高重頻信號(hào)普遍存在于預(yù)警機(jī)雷達(dá)和戰(zhàn)斗機(jī)多功能雷達(dá)中，故解決高重頻信號(hào)時(shí)差定位模糊問題成為長(zhǎng)基線時(shí)差定位的一個(gè)研究熱點(diǎn)。

1 高重頻信號(hào)特征分析

長(zhǎng)基線時(shí)差定位系統(tǒng)存在著固有的定位模糊問題。一方面，雙曲線(面)交叉定位方程造成多解；另一方面，在實(shí)際的系統(tǒng)中電磁環(huán)境干擾、信道間產(chǎn)生交調(diào)信號(hào)等諸多因素，使得輻射源信號(hào)特征難以提取。對(duì)三站時(shí)差定位來說，有一個(gè)站的數(shù)據(jù)測(cè)量效果較差就會(huì)影響整個(gè)匹配結(jié)果。當(dāng)輻射源信號(hào)為高重頻信號(hào)時(shí)，有效時(shí)間窗范圍內(nèi)存在多組時(shí)間差，各站脈沖無法準(zhǔn)確匹配。

圖1 高重頻信號(hào)時(shí)差匹配模糊

目前的長(zhǎng)基線時(shí)差定位系統(tǒng)的站間距離選取一般在幾十公里之間。由圖1可以看出，當(dāng)輻射源雷達(dá)信號(hào)的重復(fù)周期PRI小于站間距離對(duì)應(yīng)的時(shí)間差時(shí)，脈沖配對(duì)就存在匹配出多組解的可能性。由于發(fā)出該類型信號(hào)的輻射源目標(biāo)自身也需要根據(jù)某種特性解模糊，目前待定位輻射源雷達(dá)信號(hào)中很少存在簡(jiǎn)單的高重頻信號(hào)，即脈間參數(shù)始終保持不變的目標(biāo)信號(hào)。本算法主要研究對(duì)象是在一個(gè)完整的信號(hào)周期里，其頻率或重復(fù)周期存在變化且具有統(tǒng)計(jì)特性的高重頻信號(hào)，如圖2所示。

圖2 復(fù)雜高重頻信號(hào)參數(shù)特征示意圖

由于真實(shí)信號(hào)經(jīng)過積累后的特征是可以提取的，虛假信號(hào)的特征則是發(fā)散的，因此本算法采用了多數(shù)據(jù)積累的方式，根據(jù)信號(hào)參數(shù)切換時(shí)的時(shí)間特性，統(tǒng)計(jì)時(shí)間偏移量，發(fā)現(xiàn)正確時(shí)間偏移量的細(xì)微特征，并利用時(shí)間偏移量特征并結(jié)合復(fù)雜信號(hào)的變化特征實(shí)現(xiàn)了綜合高重頻信號(hào)的解模糊。

2 高重頻信號(hào)的時(shí)差定位算法

由于信號(hào)脈寬的測(cè)量對(duì)系統(tǒng)前端的依賴性過高，故只將脈沖描述字中的載頻和重復(fù)周期作為主要信號(hào)特征進(jìn)行處理。雖然雷達(dá)信號(hào)的脈間參數(shù)存在參差、抖動(dòng)、滑變等各種變化形式，但在一定的時(shí)間范圍內(nèi)其變化是具有周期性的。當(dāng)截獲的信號(hào)質(zhì)量良好時(shí)，在每一個(gè)脈間參數(shù)匹配的多組時(shí)間差中，與目標(biāo)真實(shí)位置相對(duì)應(yīng)的正確時(shí)間差都應(yīng)當(dāng)存在。本算法基于分集接收、集中處理的基本思路，利用正確時(shí)間差的收斂一致性，采用基于約束條件的序列搜索、時(shí)間差聚類等手段改善了該類高重頻信號(hào)的模糊解問題。

以重復(fù)周期參差變化的高重頻信號(hào)為例。在信號(hào)條件較好的情況下，當(dāng)輻射源的工作模式不發(fā)生改變時(shí)，其發(fā)射的信號(hào)在一定范圍內(nèi)可看作是若干簡(jiǎn)單信號(hào)的線性組合，并且每一個(gè)簡(jiǎn)單信號(hào)的脈間參數(shù)在一個(gè)較長(zhǎng)周期內(nèi)是保持不變的。因此，可以對(duì)三站的所有接收信號(hào)分別進(jìn)行序列搜索。

序列搜索的目的是在所有的接收信號(hào)中定位某一輻射源發(fā)射的有效脈沖序列。對(duì)于該類型高重頻信號(hào)，還應(yīng)當(dāng)有效調(diào)整步進(jìn)，定位至變化子參數(shù)對(duì)應(yīng)的各子序列。本算法的核心思想是利用同一信號(hào)不同脈間參數(shù)之間的差異獲得增益從而解模糊，故應(yīng)當(dāng)確保每個(gè)子參數(shù)對(duì)應(yīng)的搜索序列是不同的，否則當(dāng)各條通路間進(jìn)行等增益合并處理時(shí)，正確的時(shí)間差將被完全湮沒，難以解模糊。因此，脈間參數(shù)的搜索閾值設(shè)置顯得尤為重要。若閾值選取過小，會(huì)減少有效序列搜索成功概率，降低數(shù)據(jù)利用率；若閾值選取過大，子參數(shù)序列間變化不明顯，降低分集增益。本算法根據(jù)具體的輻射源參數(shù)動(dòng)態(tài)選擇搜索閾值。當(dāng)判定目前待定位的輻射源信號(hào)是高重頻信號(hào)時(shí)，則收緊約束條件，計(jì)算子參數(shù)間的變化階梯值，降低搜索閾值使其低于該值。

當(dāng)該類型的高重頻信號(hào)可分解為兩個(gè)或兩個(gè)以上的簡(jiǎn)單脈沖信號(hào)且每一個(gè)簡(jiǎn)單脈沖信號(hào)都能成功進(jìn)行一次脈沖描述字(PDW)有效序列搜索，當(dāng)至少有兩站搜索成功的情況下，則可對(duì)有效時(shí)間差進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，將符合時(shí)間窗范圍內(nèi)所有的時(shí)間差都記錄下來。

高重頻信號(hào)的重復(fù)周期較小，在時(shí)間窗范圍內(nèi)會(huì)有多組滿足條件的時(shí)間差，PDW級(jí)別是難以判斷究竟哪一個(gè)時(shí)間差與目標(biāo)真實(shí)位置是對(duì)應(yīng)的。由于將高重頻信號(hào)看作某幾個(gè)簡(jiǎn)單脈沖信號(hào)的線性疊加且虛假時(shí)間差具有發(fā)散性，在信號(hào)接收尚能滿足定位需求的情況下，每一個(gè)簡(jiǎn)單脈沖信號(hào)計(jì)算出的一組時(shí)間差內(nèi)，真實(shí)的時(shí)間差值都應(yīng)當(dāng)出現(xiàn)。因此，在累積一段時(shí)間后，時(shí)間差聚類可以獲取出現(xiàn)頻率最高的時(shí)間差排除高重頻信號(hào)的模糊解，具體流程如圖3所示。

對(duì)于無法通過多個(gè)重復(fù)周期進(jìn)行信息累積解模糊的高重頻信號(hào)，則需要通過先驗(yàn)信息判斷實(shí)際解的位置。在航跡起始時(shí)，利用先驗(yàn)信息對(duì)每一個(gè)定位點(diǎn)的發(fā)散程度進(jìn)行檢測(cè)，剔除奇異點(diǎn)，將質(zhì)量最好最穩(wěn)定的航跡進(jìn)行起始。

圖3 高重頻信號(hào)解模糊流程圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

通過回放外場(chǎng)采集的兩種高重頻雷達(dá)信號(hào)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證該算法的可行性。搭建了如圖4所示的仿真平臺(tái)對(duì)算法進(jìn)行驗(yàn)證，定位結(jié)果可在海圖上顯示。

圖4 復(fù)雜信號(hào)目標(biāo)時(shí)差定位示意圖

3.2 仿真結(jié)果

(1) 對(duì)S波段高重頻雷達(dá)信號(hào)定位結(jié)果

采集的雷達(dá)信號(hào)工作在3GHz頻段，重復(fù)周期在30～50 μs之間脈組捷變，其時(shí)差定位結(jié)果如圖5所示。從圖5可以看出，目標(biāo)機(jī)動(dòng)時(shí)，仍然可對(duì)該高重頻雷達(dá)信號(hào)進(jìn)行正確定位，且定位點(diǎn)跡質(zhì)量良好，航跡較為平滑。

圖5 S波段高重頻雷達(dá)信號(hào)定位效果示意圖

(2) 對(duì)X波段高重頻雷達(dá)信號(hào)定位結(jié)果

采集的雷達(dá)信號(hào)工作在9 GHz頻段，有多種工作模式，不同工作模式下其工作頻率與重復(fù)周期均會(huì)同步變化，重復(fù)周期范圍為20～60 μs，其時(shí)差定位結(jié)果如圖6所示。通過數(shù)據(jù)分析表明，雷達(dá)在切換工作模式時(shí)仍可以連續(xù)穩(wěn)定定位，且航跡較為連續(xù)。

圖6 X波段高重頻雷達(dá)信號(hào)定位結(jié)果

4 結(jié)束語

仿真結(jié)果表明，本文提出的時(shí)差定位算法有針對(duì)性地提升了對(duì)高重頻信號(hào)的定位能力。但是，該算法也存在不足之處，難以提取脈間參數(shù)一致的高重頻信號(hào)的時(shí)間特征量。后續(xù)將針對(duì)該問題做進(jìn)一步研究。

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[2] 劉剛，趙國(guó)慶. 時(shí)差定位與兩種測(cè)時(shí)差方法[J].電子對(duì)抗,2006(1):21-25.

[3] 黃河. 多站時(shí)差定位系統(tǒng)試驗(yàn)方法研究與應(yīng)用[D].國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué),2010.

[4] 楊政. 提高時(shí)差定位精度的方法[J].電子信息對(duì)抗技術(shù),2007,22(4):9-11.

A method of TDOA location for HPRF signals

ZHU Yu, REN Li-wei, LIU Jia-yuan

(No.724 Research Institute of CSIC, Nanjing 211153)

In the process of pulse pairing of the HPRF signals, a large number of ambiguous TDOAs can be generated, and the targets cannot be accurately located. According to the characteristics of signal pulse parameter variation, the multi-data accumulation method is adopted at the full pulse level, and the ambiguous results are eliminated through the consistent convergence of the real TDOA results to reduce the false pairing, and then the locating plot results are selected and corrected through association, tracking and filtering. Finally, the target tracks are generated. The simulation results show that this method can effectively suppress the false results and enhance the probability of correct target location for the HPRF signals.

radar; radiation source; HPRF signals; TDOA location; location ambiguity; data accumulation

TN957.51

A

1009-0401(2017)04-0023-03

2017-10-08；

2017-10-20

朱玉(1990-)，女，助理工程師，碩士，研究方向：數(shù)據(jù)處理；任麗薇(1983-),女，工程師，碩士，研究方向：情報(bào)研究分析;劉佳媛(1988-)，女，工程師，碩士，研究方向：數(shù)據(jù)處理。