丁 健,盛驥松,鄭俊兮,柴 恒

(1.武警部隊研究院,北京 100012;2.中國船舶集團有限公司第八研究院,江蘇 揚州 225101)

0 引 言

雷達輻射源個體識別是戰(zhàn)場電磁態(tài)勢感知和電子偵察設(shè)備的主要功能之一。通過個體識別能夠?qū)崿F(xiàn)對雷達輻射源的個體區(qū)分及其平臺的識別,因此能夠準確詳細地分析威脅目標的作戰(zhàn)部署和作戰(zhàn)能力[1-3]。雷達輻射源個體識別是電磁態(tài)勢感知的子功能,它在電磁態(tài)勢感知中的定位如圖1所示。

圖1 輻射源個體識別的定位

隨著雷達技術(shù)的不斷發(fā)展,大量新型雷達輻射源得到了廣泛應(yīng)用,使得現(xiàn)代海戰(zhàn)場電磁環(huán)境展現(xiàn)出載頻/重頻參數(shù)交疊、突發(fā)傳輸和脈沖密度更高的趨勢,因此采用傳統(tǒng)參數(shù)分析的態(tài)勢感知技術(shù)已經(jīng)難以適應(yīng)現(xiàn)代密集復雜電磁環(huán)境下的輻射源分析和識別需求。

1 脈沖雷達輻射源各域特征范圍

雷達輻射源個體識別通常采用特征參數(shù)提取、建立特征數(shù)據(jù)庫和通過數(shù)據(jù)庫對比的方式完成。根據(jù)經(jīng)典的參數(shù)測量理論,參數(shù)的可信測量需要參數(shù)測量系統(tǒng)的精度要高于被測量系統(tǒng)一個量級以上。雷達輻射源個體識別的特征維度由脈沖包絡(luò)特征、基準時鐘頻率、脈內(nèi)頻率調(diào)制曲線等組成。脈沖包絡(luò)等特征參數(shù)典型值及基準時鐘頻率精度如表1所示。

表1 個體特征典型值

為高保真接收和測量個體特征,個體識別接收系統(tǒng)的指標要達到上述相關(guān)指標的10倍以上,才能夠準確接收和測量上述雷達輻射源個體特征。

2 個體識別接收與采樣系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)上述分析和系統(tǒng)設(shè)計折中,個體識別微波系統(tǒng)需采用銣鐘或更高精度的基準時鐘系統(tǒng),且保證采樣系統(tǒng)的時鐘來自于銣鐘基準。

圖2的接收系統(tǒng)和采樣系統(tǒng)能滿足以下基本約束:

圖2 個體識別接收與采樣系統(tǒng)原理框圖

(1)所有的本振都鎖定于銣鐘基準;

(2)濾波器的頻率響應(yīng)在全帶寬內(nèi)盡可能平坦;

(3)AD采樣位數(shù)足夠高(12 bit),能保證足夠的瞬時動態(tài)范圍;

(4)本振的相噪盡可能低。

3 信號處理系統(tǒng)的設(shè)計

雷達輻射源個體識別信號處理系統(tǒng)包含信號檢測、參數(shù)粗測量、信號分選、個體特征提取、個體特征建庫、個體識別等功能。其流程如圖3所示。

圖3 個體信號處理系統(tǒng)原理框圖

雷達信號檢測需要在實時性高、能夠并行處理的現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)內(nèi)實現(xiàn),且不能采用偵察系統(tǒng)常用的信道化檢測方法進行。一般采用快速傅里葉變換能量檢測法或延時相關(guān)檢測方法。延時相關(guān)檢測方法和信道化檢測方法的優(yōu)劣在文獻[4]中進行了詳細的仿真和實測證明。通過2種方法的比較證明延時相關(guān)檢測方法適用于個體識別的信號檢測。

除信號檢測外的所有信號處理工作都可以在通用處理器內(nèi)完成。通用處理器可以采用至強處理器或?qū)Ｓ玫臄?shù)字信號處理(DSP)芯片。由于通用處理器主頻、信號處理算法庫及多核多線程能力的提升,至強/飛騰處理器能夠滿足系統(tǒng)的高速處理需求。專用信號處理器一般無法滿足大型識別數(shù)據(jù)庫的需求,需要采用專用信號處理器+通用處理器的混合架構(gòu),由通用處理器完成識別數(shù)據(jù)庫的管理及個體識別等工作。

因此,個體識別信號處理需要配置2塊交叉連接設(shè)備(VPX)信號處理板卡,其中一塊負責中頻信號的高精度數(shù)模轉(zhuǎn)換、信號檢測和數(shù)據(jù)緩存;另一塊完成參數(shù)測量、個體特征提取及個體識別工作。

4 個體特征提取及試驗驗證

雷達輻射源個體特征提取是個體識別系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵。本文采用正交變換法計算脈沖包絡(luò)特征、Kay均值方法計算雷達脈內(nèi)調(diào)制特征并開發(fā)了一種針對相參信號的頻率指紋[5]和重復間隔指紋的提取方法。通過上述三域指紋能夠滿足多個同型輻射源個體識別的需求,并進行了內(nèi)外場驗證。導航雷達特別是中大型平臺的導航雷達承擔著部分預警、氣象等功能,因此越來越向著相參體制發(fā)展。針對相參體制的雷達可以利用其相參特性提取精細的頻率及重頻特征。

(1)相參信號的頻率指紋提取

相參信號的頻率估計算法如下:首先估計每一個脈沖的載頻,基于脈沖信號的相參特性,多脈沖聯(lián)合進行更高精度的頻率估計;最后所有被采集的脈沖信號用于獲得最高精度的頻率估計。以單音信號為例進行算法的論述,調(diào)制信號的估計需要首先進行調(diào)制參數(shù)估計工作,然后進行去調(diào)制工作,轉(zhuǎn)化為單音信號的載頻估計問題。

單音信號的模型為:

z(n+Kp)=Aej(φ0+(n+Kp)2πfΔ)+ε(n+Kp)

(1)

式中:n為采樣點序號,n=0,1,…,N-1,N為每一個脈沖的采樣點數(shù);Kp為第p個脈沖的第k個采樣點,p為脈沖序號,p=0,1,…,P-1,P為單次觀測的總脈沖數(shù);A為脈沖幅度;φ0為脈沖的初始相位;Δ為脈沖采樣間隔;ε(n)為高斯白噪聲。

解模糊過程為將模糊相位轉(zhuǎn)換為非模糊相位的過程,解模糊后第p個脈沖相位表示為:

(2)

式中:f為載頻。

估計每一個脈沖的載頻和估計誤差,式(2)可以重新寫成向量表達形式:

φp=Bpθp+up

(3)

θp可以采用最小二乘方法進行估計,估計表達式為:

(4)

P個脈沖頻率估計平均后得到最終的頻率估計,表達式為:

(5)

根據(jù)載頻估計的精度,所有的采樣脈沖數(shù)據(jù)被分為Q段,每一段包含P′段,如圖4所示。

圖4 脈沖分組示意圖

φq,i(n+Ki)=φq,i(n)+2kq,iπ

(6)

類似于第一階段頻率估計方法,對θq的估計表達式為:

(7)

(8)

更高精度的頻率估計可以通過平均Q組的頻率估計值獲得。最終可以獲得載頻及其方差的估計。針對3個同型羅德施瓦茨公司的信號源的頻率估計與真值誤差值如圖5所示。

圖5 3個同型輻射源載頻誤差測試

(2)試驗驗證

內(nèi)場驗證時采用2臺8267D矢量信號源、1臺E4438C信號源。針對信號源的測試結(jié)果為包絡(luò)特征和脈內(nèi)調(diào)制特征難以區(qū)分上述3部信號源。通過高精度頻率指紋和重復間隔指紋可以穩(wěn)定區(qū)分3部信號源。3部信號源的特征分布如圖6所示。

圖6 信號源的頻率和重頻指紋

針對真實雷達的測試采用外場測試方法進行,提取了2部雷達的前沿特征、脈內(nèi)調(diào)制特征和高精度重復間隔特征。

2部雷達的前沿特征如圖7所示。2部雷達脈內(nèi)調(diào)制曲線特征[6]如圖8所示。2部雷達前沿特征與重復間隔特征的分布如圖9所示。

圖7 2部雷達的前沿特征

圖8 2部雷達脈內(nèi)調(diào)制特征

圖9 2部雷達前沿特征與重復間隔特征分布圖

通過上述試驗驗證,個體特征提取模塊提取的雷達輻射源個體特征有效,能夠有效區(qū)分脈沖體制的雷達輻射源。

5 導航雷達個體識別

未來輻射源個體識別的重要目標是安裝在商船和許多游艇上的商用導航雷達。對于許多應(yīng)用程序來說,將發(fā)射器與給定的平臺關(guān)聯(lián)起來并隨后重新識別發(fā)射器及其載體平臺的能力是一個重要屬性。導航雷達帶來了許多重要而困難的挑戰(zhàn)。

首先,已經(jīng)建造了大量這樣的雷達,而且每天都有更多的雷達出現(xiàn),單是數(shù)據(jù)處理問題就可能是巨大的。第二,經(jīng)典的雷達參數(shù)(頻率、脈寬、脈沖重復間隔、掃描速率等)是非常相似的(無論哪個制造商)。因此,經(jīng)典的雷達參數(shù)甚至不能幫助獲得初始型號識別。第三,每個雷達至少有2種,偶爾有3種工作模式。至少,在港口短距離操作時采用短脈沖寬度(80～160 ns)模式,在海上操作時采用較長脈沖寬度(550～1 000 ns)模式。這些模式使收集和再識別問題復雜化,因為它們提供了非常不同的脈內(nèi)特性。

眾多的目標對象、經(jīng)典參數(shù)集中在一定范圍內(nèi)且不穩(wěn)定、雷達在港口和遠海工作于多個模式和脈內(nèi)調(diào)制特征類似是導航雷達面臨的4個重要問題。因此,傳統(tǒng)的個體識別解決方案是不夠的,需要更加復雜的個體識別方案。

首先,在數(shù)據(jù)采集和處理時,必須非常謹慎,保證建庫數(shù)據(jù)的真實性,否則這種錯誤將是災(zāi)難性且不可恢復的。必要時需要實時的船舶自動識別系統(tǒng)(AIS)及其他識別信息進行支撐,排除非關(guān)注目標,并對關(guān)注目標進行跟蹤,學習并建庫確認。

其次,所有可用的射頻信息必須仔細測量和存儲。保證導航雷達的算法具備擴展性,在不能夠進行區(qū)分時,通過在線的特征選擇和事后的算法升級保證個體識別的性能。

最后,必須構(gòu)建魯棒識別決策樹,以便根據(jù)識別證據(jù)做出關(guān)于匹配的最終決定。

圖10給出了一個導航雷達個體識別的原理框圖。通過綜合識別系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)環(huán)境中關(guān)注的未識別目標,并對其進行數(shù)據(jù)采集,通過對中頻數(shù)據(jù)的參數(shù)測量分析,給出雷達的重頻特征、脈寬、波束形狀和掃描速度等,并識別出導航雷達的工作模式。接著提取雷達的無意調(diào)制特征,并結(jié)合識別可靠性因子和該模式下的雷達導航雷達個體特征庫,識別出雷達輻射源個體,上報作戰(zhàn)系統(tǒng)。

圖10 導航雷達個體識別框圖

6 導航雷達實測驗證

對2部導航雷達進行保真數(shù)字采樣,分別采用包絡(luò)特征和瞬時頻率特征進行個體識別。2部導航雷達的上述兩維特征如圖11所示。

圖11 2部雷達的包絡(luò)和時頻特征對比圖

通過將兩維特征輸入到1 000×200×2的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行訓練和識別,最終的識別準確率為82.3%。

7 結(jié)束語

本文針對脈沖體制雷達輻射源的個體識別分析了接收系統(tǒng)和處理系統(tǒng)的需求,提出了射頻接收系統(tǒng)和信號處理系統(tǒng)的設(shè)計方案;并針對提出的包絡(luò)、脈內(nèi)調(diào)制特征、高精度載頻和重復間隔特征方法進行了內(nèi)外場驗證,驗證了個體識別系統(tǒng)設(shè)計的可行性;針對導航雷達的個體識別問題,分析了導航雷達個體識別面臨的問題,并針對性地提出了個體識別的方案。