复杂电磁环境下雷达信号脉内特征分析

2011-08-10熊永坤白长河郭新民

舰船电子对抗 2011年6期

熊永坤，白长河，郭新民

（解放军92785部队，秦皇岛066200）

0 引言

雷达信号脉内特征分析是20世纪80年代中期开始研究的一项技术。随着数字射频存储、中频采样和数字信号处理技术的迅速发展，以及高速大规模集成专用芯片的应用，雷达信号脉内特征分析技术已成为雷达对抗侦察系统中的关键技术之一，是识别雷达辐射源个体及其所属武器平台和系统的重要手段[1]。

1 雷达信号脉内特征的分类

雷达信号脉内特征也称雷达信号的指纹特征，可分为无意调制与脉内有意调制。

1.1 无意调制

无意调制，是大功率雷达发射机的发射管、调制器和高压电源等器件或电路产生的不期望的各种寄生调制。

1.2 脉内有意调制

脉内有意调制包括脉内频率调制、相位调制、幅度调制及3种调制组合的混合调制，为充分利用雷达发射机的功率，一般不采用幅度调制。脉内有意调制特征主要表现在信号的幅度、频率和相位的变化和分布上，对不同的辐射源信号，其脉内有意调制特征在幅度、频率和相位上的变化和分布上具有不同的瞬时值。

1.2.1 脉内频率调制

脉内频率调制主要包括线性调频、非线性调频和频率编码。其中脉内频率编码信号是把发射机发射的宽脉冲分成若干时间片段，每个时间片段内的载频可以根据需要而有所不同，该类信号可通过控制时间和频率而改变信号的时间和带宽[2]。

1.2.2 脉内相位调制

脉内相位编码调制就是在载频不变的前提下，脉内各个码元根据需要采用不同的初始相位。根据初始相位的备选集合不同，脉内相位调制可分选为二相编码、四相编码和多相码。

2 雷达信号脉内特征分析方法

雷达信号脉内特征分析技术通过几十年的研究，已初步形成了一些较为有效的分析方法，主要有时域自相关法、时频分析法和数字中频法等。本文重点介绍时频分析法和数字中频法等。

2.1 数字中频技术

对雷达信号进行高保真采样是分析提取脉内信息特征的关键。高位、高速采集卡是解决这一关键难题的理想电子器件。双通道8位数模转换器、采样速率1GHz的高速采集卡已用于电子侦察系统。采样速率达2GHz的高速采集卡正在研制中。

数字中频处理的基本方法是：将接收到的射频信号下变频至中频，用高速采集卡对保持全部相位和幅度信息的中频信号进行高保真的采样。采样后利用多种数字信号处理方法，从时域、频域和时频域对中频信号进行分析处理。

对于载波为正弦的任何雷达信号，都可表示为：

式中：f0为信号载频；A（t）为信号幅度包络；ω（t）为信号的瞬时频率；φ（t）为瞬时相位。

雷达信号的任一脉内调制方式都是通过改变A（t），ω（t），φ（t）这3个参数来完成的。

该信号可用解析信号表示为：

其中同相分量Si（t）和正交分量Sq（t）为：

由Si（t）和Sq（t）可计算出雷达脉内特征信号的瞬时参数，即计算信号的瞬时幅度、瞬时相位和瞬时频率等脉内参数，通过对这些参数的分析判断信号类型和提取信号参数：

2.2 时频分析方法

信号分析一般是在时域或频域内进行，但这种分析方法一般只针对平稳时变信号，而对于非平稳时变信号，比如存在脉内调制的雷达信号，单独在时

式中：s（t）为将要被分析的信号；h（t）的作用是限制时间；e－j2πft的作用是频率限制；STFT 是时间和频率的二维函数，它的时间分辨率和频率分辨率可以用时间－频率平面上的一个矩形来说明，该矩形窗口称为分析窗口。

短时傅里叶变换克服了传统傅里叶变换的缺点，用一个具有合适宽度的窗函数从信号中提取出一段来作傅里叶分析，通过沿时间轴移动窗口得到1组STFT，它反映了信号的傅里叶变换随时间大致变化的规律[4]。

本文采用数字中频技术与短时间傅立叶变换相结合的方法，对雷达脉内特征信号进行综合提取和分析，详细分析出信号的频谱、瞬时幅度、瞬时频率和瞬时相位。其信号处理框图如图1所示。域或频域进行分析难以反映出信号的时变特性，因为这种信号分量的幅度、频率、相位等都随时间而变化。时频分析采用局部变换的方法，通过时间和频率的联合分布函数来表示信号，同时也可以描述信号在不同时间和频率的能量密度和强度。

其中时频分析方法有短时傅里叶变化、Wigner-Ville分布和小波变化法等。在复杂电磁环境下，这几种时频分析方法各有优劣：短时傅里叶变化有很好的抗干扰性能，但时域分辨率和频域分辨率相互矛盾；Wigner分布法受噪声影响小，但是非线性预算，也不适用于多信号混叠的场合；小波变化易受噪声影响，且计算量大，不适合实时处理。下面以短时傅里叶变化为例介绍时频分析法[3]。

短时傅里叶变化的思想是：把信号划分成许多小的时间间隔，并进行傅里叶变换，以确定信号频率成分随时间变化情况。短时傅里叶变化公式：

图1 信号处理框图

由图1可以看出，系统对接收到的脉内信号先进行正交变化，然后计算出信号的频谱、瞬时幅度、瞬时频率、瞬时相位，接着进行参数识别和估计，再输出数据。图1中的短时傅立叶变换用于对脉内调频信号的辅助分析，包括判断调频类型和提取调频参数。与其他方法相比较，该方法更适合在复杂条件下提取雷达脉内特征信号，适用性更强[5]。