但曉東

(中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所,合肥 230088)

0 引 言

近年來,關(guān)于外輻射源探測系統(tǒng)的輻射源研究熱點(diǎn)由民用信號逐步轉(zhuǎn)向雷達(dá)信號。相比以調(diào)頻廣播為代表的民用信號,雷達(dá)信號作為外部輻射源具備以下探測優(yōu)勢[1]:

(1)信號發(fā)射功率高,具備更遠(yuǎn)的探測能力。調(diào)頻廣播信號發(fā)射功率一般在3 kW,數(shù)字電視信號功率一般在1 kW,兩者對目標(biāo)探測主要通過長時間積累來獲取得益,但雷達(dá)信號的功率一般在百千瓦量級,高發(fā)射功率代表更遠(yuǎn)的探測能力。

(2)定制化的信號形式,更適用于雷達(dá)探測。調(diào)頻廣播、數(shù)字電視主要用于通過無線方式傳遞信息,其信號調(diào)制方式主要考慮信息傳輸,而非雷達(dá)探測。雷達(dá)信號經(jīng)過專門設(shè)計(jì),比如較為常見的線性調(diào)頻信號,在獲取高距離分辨率和多普勒分辨率方面具有獨(dú)特優(yōu)勢,更適用于目標(biāo)探測。

雷達(dá)信號雖然具有一定的優(yōu)勢,但在實(shí)際使用時也面臨較為尖銳的問題,比如接收站接收到的雷達(dá)信號無發(fā)射時序信息,導(dǎo)致無法對回波數(shù)據(jù)進(jìn)行分段相參處理及測距。鑒于此,本文提出一種利用回波數(shù)據(jù)研究恢復(fù)雷達(dá)時序的方法,以便實(shí)現(xiàn)對雷達(dá)資源的利用。

1 外雷達(dá)源探測時序恢復(fù)方法設(shè)計(jì)

1.1 外雷達(dá)源系統(tǒng)概念

如圖1所示,外輻射源探測系統(tǒng)一般構(gòu)型為TNR系統(tǒng)[2],其發(fā)射站可能有多個,具體根據(jù)同時利用頻點(diǎn)數(shù)、輻射源種類數(shù)的不同而定。

圖1 外輻射源探測系統(tǒng)

以民用信號為輻射源的探測系統(tǒng)[3],其接收站一般由兩組天線構(gòu)成:一組為陣面天線,負(fù)責(zé)接收目標(biāo)反射的回波信號;另一組為直達(dá)波天線,用于接收直達(dá)波信號。直達(dá)波信號的用處如下:一是用于對陣面接收的回波信號進(jìn)行直達(dá)波消除;二是作為“脈壓”處理的時序基準(zhǔn),標(biāo)定探測的“零距離單元”。

以雷達(dá)信號作為輻射源的探測系統(tǒng)與以民用信號作為輻射源的探測系統(tǒng)構(gòu)成相似,區(qū)別在于信號處理方面。相較于民用信號的連續(xù)波形式,雷達(dá)信號一般為脈沖信號,在做外源信號處理時,其時序由發(fā)射端唯一確定,無法通過直達(dá)波信號標(biāo)定“零距離單元”。

外雷達(dá)源探測系統(tǒng)的常規(guī)處理流程:首先利用獲取的直達(dá)波恢復(fù)時序,然后將回波信號按照恢復(fù)出的時序提取數(shù)據(jù),最后按照波位、脈組的信息進(jìn)行匹配處理。

1.2 時序恢復(fù)方法

本文的時序恢復(fù)方法可分為兩步:先通過直達(dá)波參數(shù)測量,獲取每個脈沖的到達(dá)時間及結(jié)束時間,從而得到脈沖寬度及脈沖重復(fù)周期;然后將參測獲取的脈沖串信息與系統(tǒng)預(yù)設(shè)的輻射源波形庫內(nèi)模板進(jìn)行匹配,獲取發(fā)射脈沖的時序信息。

1.2.1 參數(shù)測量

雷達(dá)參數(shù)主要是時空頻三維參數(shù),又稱為脈沖描述字:時域參數(shù)主要包括脈沖到達(dá)時間、脈沖重復(fù)周期和脈沖寬度;空域參數(shù)主要體現(xiàn)在到達(dá)角;頻域參數(shù)主要指脈沖頻率。數(shù)字化接收機(jī)具備動態(tài)范圍大、靈敏度高等優(yōu)勢,是現(xiàn)代雷達(dá)偵察系統(tǒng)中接收系統(tǒng)的優(yōu)選設(shè)計(jì)。以數(shù)字化接收為基礎(chǔ),數(shù)字信道化參數(shù)測量方法的實(shí)現(xiàn)流程如圖2所示:將整個工作帶寬劃分為多個信道,數(shù)字接收機(jī)接收的寬帶信號在信道化處理模塊內(nèi)信道化后,在每個信道內(nèi)對進(jìn)入的信號同步進(jìn)行濾波、檢測,從而得到各信道內(nèi)的脈沖到達(dá)時間、脈沖結(jié)束時間和脈沖頻率等脈沖描述字信息。

圖2 參數(shù)測量實(shí)現(xiàn)

時域參數(shù)測量方法[4]包括門限檢測法、能量檢測法、自相關(guān)檢測法等;頻域參數(shù)測量方法包括過零點(diǎn)檢測法、相位差分法、快速傅里葉變換法等;空域參數(shù)測量方法包括比幅測向、干涉儀測向等。

1.2.2 模板匹配

受接收的脈沖信噪比限制,脈沖參測存在測量精度差和丟失脈沖的情況,會進(jìn)一步導(dǎo)致發(fā)射時序恢復(fù)不準(zhǔn)確、目標(biāo)探測結(jié)果偏差大甚至錯誤。為了準(zhǔn)確恢復(fù)時序,將參測得到的脈沖串與系統(tǒng)預(yù)設(shè)的輻射源波形庫內(nèi)模板進(jìn)行匹配,按照適當(dāng)?shù)钠ヅ錅?zhǔn)則,即可在一定程度上基于參測獲取的“不完整”脈組恢復(fù)出準(zhǔn)確的發(fā)射脈沖信息。

實(shí)際工程中常用的匹配準(zhǔn)則有全脈沖匹配準(zhǔn)則和N/M準(zhǔn)則。

(1)全脈沖匹配準(zhǔn)則

按照發(fā)射波形庫里預(yù)設(shè)的模板逐脈沖匹配接收到的脈沖串,若接收的脈沖串與預(yù)設(shè)的模板完全一致,則判定當(dāng)前脈沖串的時序?yàn)槟０鍟r序。該準(zhǔn)則的時序恢復(fù)準(zhǔn)確率最高,主要適用于接收站接收到的脈沖信噪比較高、參數(shù)測量丟脈沖較少的場景。

(2)N/M準(zhǔn)則

在多數(shù)場景下,從直達(dá)波獲取的脈沖串都存在丟脈沖的情況。此時,若仍采用全脈沖匹配方法,滿足匹配準(zhǔn)則的脈沖串較少,時序恢復(fù)結(jié)果不理想,導(dǎo)致探測丟幀、航跡不連續(xù)、航跡丟批及航跡無法起始等情況。

為了使匹配準(zhǔn)則具有更好的魯棒性,提出一種N/M匹配準(zhǔn)則:若在一個發(fā)射脈組的M個脈沖中,檢測出N個脈沖(N

為了保證時序恢復(fù)的準(zhǔn)確性,對參數(shù)測量模塊得到的時間信息的精確性提出了較高的要求。為此,提出一種秒脈沖同步+本地高精度恢復(fù)的時間同步方法,如圖3所示。

圖3 高精度時間實(shí)現(xiàn)方式

系統(tǒng)配備的北斗授時設(shè)備能夠給出精確的1 pps秒脈沖及絕對時間報(bào)文,通過解析獲取精確到秒的時間;時序接口板內(nèi)部采用高速時鐘,對輸入的秒脈沖進(jìn)行分割計(jì)數(shù),得到精確到納秒的絕對時間,并同步將時間送入?yún)?shù)測量模塊;參數(shù)測量模塊對直達(dá)波數(shù)據(jù)進(jìn)行測量,檢測到脈沖后同步將時間信息記入,得到脈沖到達(dá)/結(jié)束時間,進(jìn)而獲取脈寬、周期等參數(shù)。

1.3 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證方法的可行性,構(gòu)建一套基于外雷達(dá)源探測的測試系統(tǒng),如圖4所示。試驗(yàn)采用一部UHF波段雷達(dá)作為發(fā)射站,布設(shè)在30 km外,并采用相掃方式進(jìn)行目標(biāo)探測,接收系統(tǒng)采用同時多波束方式同步接收空中目標(biāo)對雷達(dá)發(fā)射的反射信號。

圖4 試驗(yàn)布站構(gòu)型

系統(tǒng)工作頻率設(shè)定600 MHz,發(fā)射的波形參數(shù)如表1所示。

表1 波形參數(shù)匯總表

按照所述方法進(jìn)行時序恢復(fù)及匹配,并提取回波數(shù)據(jù)完成處理,得到結(jié)果如圖5所示。

圖5 脈壓結(jié)果圖

在提取的回波數(shù)據(jù)中分析得到兩批目標(biāo),對應(yīng)的雙基地距離和分別為125.9 km、149 km,表明本文方法能夠完成時序恢復(fù)及匹配,實(shí)現(xiàn)外雷達(dá)源探測功能。

2 結(jié)束語

本文從工程應(yīng)用中遇到的問題為出發(fā)點(diǎn),提出一種外雷達(dá)源探測的時序恢復(fù)方法,并搭建了試驗(yàn)系統(tǒng)對所提方法開展試驗(yàn)驗(yàn)證,試驗(yàn)結(jié)果表明:該方法能夠在一定程度上解決外雷達(dá)源探測時的時序恢復(fù)及匹配問題,對外雷達(dá)源探測的推廣應(yīng)用具有重要意義。