基于宽带实时接收机的雷达信号分析与干扰判定方法

2020-12-04李安平张小飞

数字通信世界 2020年11期

李安平，张小飞，唱亮

（国家无线电监测中心，北京 100037）

1 雷达信号干扰

近年来，随着无线电技术的不断发展，无线电在各行各业的应用越发广泛。雷达作为一种现代无线电的应用，在气象、搜索等诸多方面都得到广泛的应用。由于雷达使用量大、频率需求也大，加上大功率、强方向性、位置高等诸多因素，其传播距离远，如果频率使用有重复使用或邻频使用，容易引起无线电干扰。干扰发生时，由于雷达业务重要性高，不能轻易做开关机实验来确认，本文从信号深度分析的角度，分析信号的射频频谱、信号时域分析、判定雷达天线机械旋转周期等方法，提取雷达信号的多维度特征等多方面的参数进行比对，确认干扰源，可有效提升干扰判断的准确性，大幅提高干扰判定的效率。

2 雷达主要使用的频谱

按照雷达的工作原理，不论发射波的频率如何，只要是通过辐射电磁能量和利用刚从目标反射回来的回波，以便对目标探测和定位，都属于雷达系统工作的范畴。常用的雷达工作频率范围为 220 MHz–350，000 MHz。在实际中各类雷达工作的频率在两头都超出了上述范围。国际电信联盟分配到雷达频段主要频段见表 1：

表1 国际电信联盟分配到雷达频段主要频段

从上述频段划分频段看，雷达的使用的频率较高，其射频特性呈现视距传播特性，对于收发系统来说，不管是使用相控阵天线还是其他天线，其辐射的方向性都很强，这对于干扰查找过程来说，对判定干扰的来波方向很有帮助，也有利于选择喇叭天线、抛物面天线等地面逼近查找设备。

3 雷达各类特点分析及干扰应对分析

3.1 雷达各类特点分析

（1）雷达信号分类。脉冲雷达、连续波雷达、脉冲压缩雷达、多普勒雷达、噪声雷达、频率捷变雷达等。

（2）雷达角跟踪方式。单脉冲雷达、圆锥扫描雷达、隐蔽锥扫描雷达等。

（3）雷达测量目标的参量类别。测高雷达、两坐标雷达、三坐标雷达、测速雷达、目标识别雷达等。

（4）雷达信号处理方式。主要有频率分集、极化分集等分集雷达、相参及相参积累雷达、动目标显示雷达、合成孔径雷达等。

（5）雷达常见扫描法。机械扫描雷达、相控阵雷达、扫频雷达。

3.2 雷达信号主要特点

（1）雷达信号的带宽变化大。在现代雷达中，为了达到更高目标的技术实现，如高精度、高辨识率等，雷达发射信号的频率在一定的带宽范围内会以各种方式灵活变化如脉间伪随机捷变频、脉组伪随机捷变频、脉间和脉组自适应捷变频、频率分集等方式。这就要求无线电监测要配置更大的实时带宽，能够覆盖雷达的工作频率，这样对实现时域的脉内分析的准确性提供保障，否则当设置的时域分析的带宽不够时，会造成时域信号失真，引起错误判断。

（2）雷达信号幅度变化大。对于机械扫描或相位扫描雷达，在方位上雷达天线波速在连续旋转，在俯仰上天线波束在波位顺次或编程扫描，无线电接收设备截获的雷达信号幅度包络起伏较大。当接收机系统的天线对准雷达主瓣时，幅度大；当接收机系统的天线离开雷达的主瓣时，信号的幅度大幅降低。这和雷达系统的强方向性息息相关。在查干扰时，为了提升系统的灵敏度，接收天线也将采用定向天线，为此，在接收时需要和雷达天线完全在同一个主瓣上，这更加导致信号幅度变化会很大。

（3）雷达信号波形变化复杂。在现代雷达系统中，都采用了了低截获概率设计系统，信号波形相对复杂，占空比较大，具有多种不同的信号波形可以变化，系统将根据需要便跟踪边搜索，甚至控制发射功率、波束指向、信号频率、波形等发射信号，以不同的接收机通道接回收处理回波，这使得接收机系统收到的雷达信号复杂性加大，识别辐射源难度加大。

（4）雷达信号特征参数变化大。部分雷达系统可根据用途，具体选择工作模式，每种工作模式发射功率、工作频率、信号波形和脉冲宽度、重复周期等都不尽相同，接收到的信号能量起伏加大，信号参数波形变化快而复杂，导致接收到的信号电平功率增加，对准确接收信号造成困难。

基于上述原因，如何准确还原被干扰电的信号，无差异回复信号特征是一项比较难的工作。这涉及到接收链路的适配、配置、滤波器和低噪放大器的取舍，也涉及到接收机参数的令灵活设置。

4 干扰场景下雷达射频信号无差异还原

4.1 设置合适的滤波器在实际干扰查找过程中

由于受到干扰，所以在主信号同频率处或者在邻频位置有信号，如何设置合适的滤波器带宽，或者显示合适的带宽，可准确获取目标信号。以下几种方法可以提高对信号的准确判定能力：一是准确估计主信号和目标信号的中心频率和带宽，计算两个频率的差，该差值作为滤波带宽和设置中心频率的依据。二是若两个信号离得比较近，可以将中心频率往两边设置，通过调整合适的带宽，将不需要显示的信号排除出去。三是若两个信号频率离得特别近，可以通过查看信号的瀑布图观察信号的时间规律和特点区分。

4.2 设置合适的带宽

由于在雷达受到干扰时，往往会前往受干扰点进行测试。在测试过程中，由于离受干扰点距离很近，可能会对主信号产生干扰的频带内有哪些信号往往是错误的。为此当在较小的带宽设置时，看到一些信号都是主信号的带外，这个时候可以通过设置较宽的带宽查看该信号与主信号之间的时间一致性来判定。如图 1所示，其中心频率为 2，830 MHz，设置的 Span为200 MHz。若设置带宽为 50 MHz时，通过瀑布图可以看到一个信号有规律的出现。但是通过分析带宽为 200 MHz的瀑布图时，发现该信号出现规律与 2，920 MHz的信号完全同步，初步就可以判定该信号不是真正的干扰信号，而是一个大信号产生的带外信号和寄生信号。

图1 在测试频点出现邻频大信号的带外信号

4.3 设置合适射频参数

为了确保信号不失真反映，考虑到设置的中频带宽内，有大信号或者有多个信号，则需要设置合适的参考电平、衰减器、自噪声放大器等以更加完整准确的方式显示射频频谱或时域信号。

在查看时域信号的时候，滤波带宽的设置更加重要，确保在该设置的采样带宽内只有目标信号，确保时域信号反映准确。此外，在查看信号时域若信号太弱，需要根据信号的幅度，不断调节合适的参考电平，确保可以时域信号幅度完整体现的。时域信号显示的市场对信号分析也非常关键。当对一个基带信号为语音等模拟信号时，显示时长则为秒级。若对一些短时突发脉冲或者数字信号时，则需要设置的时长可以从微秒级或毫秒级别，场高端完全取决于该信号时域的特征。

图2 不同显示时长的时域信号显示区别

5 基于高性能频谱仪的雷达信号的多维度特征分析

基于前面论述，不同类型的雷达信号，其在信号的幅度变化规律、时域、频域、调制域以及脉内特征等方面多有区别和特点。在雷达干扰判定过程中，由于信号本身的重要性，很多时候无法进行开关机实验，这时就需要对雷达信号进行多维度特征分析，通过在受干扰点和判定的干扰源位置点获取的信号特征进行比对，确保查找的发射源确为干扰源。为了获取这些特征参数，可以从以下几个角度进行分析。

5.1 IQ数据准确获取

目前，越来越多的设备均支持 IQ数据的采集。 IQ数据本质是去掉载波（零中频）的基带信号。为了准确获取 IQ信号，几个关键要素必须设置和判定准确。具体步骤如下：

（1）设置合适的参考电平。当在受干扰点时，由于干扰信号可能距离受干扰点较远，信号幅度较弱，而本地信号较强，这时需确保参考电平低，且要求将大信号通过滤波滤掉。图 X为某一宽带实时便携频谱仪的 IQ信号采集设置参数界面。若距离干扰信号距离较近，信号的幅度大，这时为了保证不产生非线性，则需要将参考电平设置较高。参考电平的设置本质是调整射频前端增益和衰减值。

（2）设置合适的中心频率。在没有其他大信号时，因设置中心频率为目标信号的中心频率，确保信号无残留频率分量。

（3）设置合适的采样带宽（中频带宽）。在 IQ信号采集之前，先需要简单估计信号的带宽。一般将采样带宽设置比信号带宽略宽。典型值为 1.25倍信号带宽。

（4）设置采样速率。由于 IQ信号为零中频信号，频谱正负对称分布，其 IQ信号的带宽实际为在射频频率下带宽的一半。根据奈奎斯特采样定理，采样速率为信号带宽两倍以上，信号可完整无差异还原。由于是基带信号，所以一半采样速率设置为信号带宽的 1.25倍即可，此时采样速率实际等同于射频下信号带宽的 2.5倍，满足采样定理要求。

（5）设置单次采样的时长（点数）。考虑基带的带宽和需要分析的数量，采样的时长一般是带宽倒数的数十倍即可。对于雷达信号，则要求单次采样时长至少高于一个雷达周期。

（6）设置触发电平和触发类型。由于雷达信号大多数为脉冲信号，且为机械旋转雷达，其幅度变化周期经常从个几秒到十几秒的量级。如果采用手动采集，则很有可能会出现采集不到信号。为此，对于幅度变化较大的信号，为了确保采集的信号信噪比较高，一般都采用触发采集。触发采集的电平可以通过频谱最大保持值来确定。一般设置触发电平为最大保持电平降15 dB–20 dB，这样可以采集到的高质量的IQ信号。此外，触发类型一般设置为上升沿触发。图3为某款便携式实时频谱仪IQ采集的界面。

图3 某款便携式实时频谱仪IQ采集的界面图

5.2 雷达信号的时域分析

由于雷达信号的脉冲特性，其显著特性大部分在时域。根据不同雷达特点，可以从雷达时域微观特征（脉冲分析）和时域宏观特性分析。

5.2.1 时域微观特征分析

时域微观特征分析，也被称之为雷达信号的指纹特征。在上述雷达信号 IQ数据截获的基础上，可以清晰的查看雷达脉冲特点。如下图所示，可以通过分析单个脉冲的上升沿、下降沿、脉冲宽度、脉内抖动、脉冲间距等典型参数，并记录。

图4 微观时域分析下脉冲间的特点分析

图5 微观时域分析下脉冲内部特点分析

图4、图5是某干扰查处过程测试记录的脉冲特点。从图 4可以看出，两个连续脉冲之间的距离（重复周期）是可以准确测量出来的。从图 5可以看出，脉冲间的距离（重复周期）是可以准确测量出来的。

5.2.2 时域宏观特征分析

雷达为了提升作用距离，采用定向性很高的天线，保证在某一方向的高增益、窄波束特性。由于不同雷达的机械特征有差异，比如雷达天线的机械旋转速率不一样。正是因为窄波束、机械旋转的特点，在频谱特性上则呈现周期性的规律，在干扰查找过程中可以测量这种频率幅度周期，以计算机械旋转周期，该周期值不需要特别精确，也可以通过积累多个周期测量提高精度。如图 6所示，为某一干扰查找过程中测量的信号幅度周期性变化，可以看出其机械旋转周期为 10.8 s。

图6 雷达天线机械旋转接收系统幅度周期变化

5.3 频域分析

频域分析方法是雷达信号分析的辅助方法。主要通过实时频谱仪查看信号的中心频率和信号的带宽的特点，并测量出对应结果。通过瀑布图还可以查看相关频谱随时间变化的特征。此外，通可以荧光谱和瀑布图的颜色深浅来判定该信号是否为常发信号和突发信号。如下图所示，为某一雷达信号的瀑布图和荧光谱的实际情况。由图 7、图8可以看出，该信号占用带宽约 5 MHz，并不是常发信号，且占用度很低。