基于时频点聚类的雷达回波信号时频特性分析

巩学彬,余 烈

武汉纺织大学电子与电气工程学院,湖北 武汉 430072

随着信号处理技术的发展，结合信号检测和参数自适应估计的方法，进行雷达回波信号的时频分析和特征变换，提高雷达回波信号的检测识别能力，相关的雷达回波信号检测和时频特性分析方法研究在雷达回波信号检测和雷达目标识等领域具有重要意义[1-3]。文献[4]中提出基于深度学习与支持向量机的雷达回波信号检测估计和时频分析方法，通过阵列幅度响和线性参数估计的方法，进行信号检测和特征提取，提高了雷达回波信号的加权估计能力，但该方法进行雷达回波信号的时频变换的性能不好，参数估计精度不高。文献[5]中提出海洋激光雷达多次散射回波信号检测方法，通过在期望方向上阵列参数估计，实现雷达回波信号时频分析，但该方法进行雷达回波信号时频检测的抗干扰性不好。针对上述问题，本文提出基于时频点聚类的雷达回波信号时频特性分析方法。

1 雷达回波信号滤波处理

采用差分阵列检测的方法，进行雷达回波信号的动态压缩和特征提取[6]，在输入端得到雷达回波信号第n个阵元检测到的回波波束为：

采用短时离散傅里叶变换进行信号的增强处理，通过波束聚焦进行雷达回波信号的高阶特征矩估计，得到差分阵列处理后的信号输出为：

其中：um表示雷达回波信号的高阶特征量，t表示信号传输时间。

采用多通道信号信噪比增强的方法，进行雷达回波信号的信息增强处理，得到残留噪声项为：

式中，fe1为雷达回波信号的互功率谱密度，fe2为频点信息。采用时频特征点聚类，f0表示时频特征指数，时频特征点提取结果为：

根据上述分析，采用窗函数分析和滤波方法，进行信号的时频特征分析和聚类处理，提高雷达回波信号检测的准确性。

2 雷达回波信号时频特性分析

2.1 时频点检测

采用离散信号加窗处理方法进行雷达回波信号的谱增强处理和分段检测，假设雷达回波信号长度l，得到雷达回波信号持续分段脉冲干扰为：

其中，a1-b1表示雷达回波信号的信息域的差异特征量。

采用高分辨融合，得到雷达回波信号x(n)的尺度为d，通过时频变换，得到雷达回波信号x(n)在d尺度的离散时频特征点用E(ni,d)表示，雷达与干扰信号的耦合关系用max{E(ni,d)表示，雷达回波信号的单次调频输出

对x(n)进行分段滤波检测，得到信号的离散序列为x(t)，时自适应调整冗余度，变换阶次为Wn=(2d+1)W。由此实现雷达回波信号的时频特性分析和检测。

2.2 雷达回波信号的时频点聚类

根据时频特征点聚类结果，实现雷达回波信号时频特征检测，假设雷达回波信号尺度偏移量由参数数a1(t)和a2(t)确定：

根据雷达回波信号空间方位信息，求得回波脉冲的宽度，得到时频特征点：

其中γ代表对雷达回波信号的高阶矩估计特征量，综上分析，根据时频特征点聚类结果，实现雷达回波信号时频特征检测。

3 仿真实验与性能分析

通过Matlab 仿真实验验证本文方法在实现雷达回波信号时频特性分析和检测的应用性能，信号的调频宽度为20 ms，频点数为1200，归一化误差为0.034，雷达信号回波检测的滑动步长和窗口大小都设置为24。根据上述参数设定，得到雷达回波信号1 和雷达回波信号2 的时域波形如图1 所示。

以图1 的信号为研究对象，进行时频特性分析，得到信号的时频变换输出如图2 所示。

根据图2 能够看出，信号输出主要分为3 个幅度，幅度1、幅度2 和幅度3。

根据时频变换结果，采用时频点聚类分析的方法，按照不同得到雷达回波信号的时频点聚类结果如图3 所示。

图1 雷达回波信号的时域波形图Fig.1 Time domain waveform of radar echo signal

图2 信号的时频变换输出Fig.2 Time frequency transform output of signal

图3 雷达回波信号的时频点聚类结果Fig.3 Time-frequency point clustering result of radar echo signal

图3 是根据图2 中的信号输出幅度分析所得。由图可知，雷达回波信号明确的分为三部分，由此可知，本文方法进行雷达回波信号的时频点聚类的输出性能较好。

为测试信号的检测性能，得到输出信噪比见表1，分析表1 得知，本文方法进行雷达回波信号时频分析的输出信噪比较高。

表1 信号输出信噪比/dBTable 1 signal output signal to noise ratio

4 结语

文章提出了基于时频点聚类的雷达回波信号时频特性分析方法。采用差分阵列检测的方法，进行雷达回波信号的动态压缩和特征提取，根据时频特征点聚类结果，实现雷达回波信号时频特征检测。通过结果可知，本文方法进行雷达回波信号时频特征检测的输出信噪比较高，提高了雷达回波信号的检测能力。