支援侦察吊舱接收机重叠脉冲数据提取与处理*

吴阳勇 李文海 孙伟超 李睿峰 王树友

（海军航空大学 烟台 264001）

1 引言

电子对抗吊舱分为支援侦察吊舱和电子干扰吊舱两种，而支援侦察吊舱（以下简称为吊舱）主要用于保障飞机完成电子侦察的任务。其主要功能是为对敌方雷达信号的截获、分选及信号的方位识别，为飞行员提供敌方雷达信号信息，进而引导干扰吊舱正确工作［1~4］。现代战场条件下，要求侦察系统实现更大的侦察范围及更准确的侦察性能。通常扩大侦察系统的侦察范围，可以通过提高接收机的灵敏度来接收更远距离的雷达信号［5］。但是，在这种情况下会导致在单位时间及单位空间中接收机接收到的信号更为密集，其侦察系统接收天线在单位时间中接收的雷达信号数量会多至几百万个［6］。在这种环境条件中，一方面会出现大量的脉冲到达时间相同的信号，在时域上出现严重的脉冲交叠现象，从而导致许多有用的信息丢失。另一方面接收机灵敏度的提高将会导致许多噪声信号被检测或者与其他有用信号叠加导致信号失真。信号的交叠现象当出现交叠现象时，通常采用的方法有通过优先级取舍、分组排序、硬件选择、脉冲合并、偏置自相关函数估计等。在减少脉冲交叠问题上取得了较好的研究成果，论文将不再进行讨论。针对失真脉冲信号识别与提取，文献［7］建立了一个简单的检测随机噪声的测试系统设定相应的阈值，来识别并提取通信过程中随机产生的噪声，但是统计分析的方法对于识别随机脉冲噪声效果不佳。文献［8］基于EMD 及小波包变换的方法实现了信号状态监测及噪声抑制的效果，然而针对的对象不同，无法达到相同的效果。现阶段部队主流的解决办法是在二极管检波器后端加上一个由纯硬件来解决信号失真问题。虽然获得了较好的效果，但是纯硬件配置需要定制专用固件，花费巨大，在制造和兼容性方面很难保证，限制了侦察系统的可重新配置性。

如何在实现扩大吊舱侦察范围的前提下，减少其接收机天线信号脉冲失真现象，成了我军亟待解决的难题。论文从吊舱侦察系统的一个象限结构出发，通过子系统中常规射频到视频转换技术与软件算法相结合，将定制专用固件的方法转移到软件开发领域。通过实现PDE采取的阈值设置、时域滤波技术结合、四象限信号及边缘检测技术，将子系统相关软件进行重新编程，可实现系统的灵活修改来取代硬件重建。实例验证结果表明算法具有一定的实用性。

2 吊舱侦察系统及功能描述

2.1 侦察系统及子系统

如图1 所示当机载吊舱执行任务时，一般将其侦察系统分为四个象限。其中每个象限都分配一个完整的侦察子系统，包括一个侧向接收天线及侧向接收机。每个天线在吊舱侦察系统平台上都是以900 方位角间隔放置。其中编号为1，2，3，4，为本文中模拟的4个雷达信号的性对位置示意图。

图1 机载吊舱侦察系统象限分布图

2.2 侦察子系统功能模块说明

侦察子系统信号通道各功能模块描述如下：

1）射频RF 滤波器（多路复用分频器）：提供滤波和分频，以减少ERDLVA（检波对数视频放大器）模块中每个子模块的信号处理量；

2）射频放大器：针对使用的RF 检波器设备优化了RF信号的幅度增益；

3）二极管检波电路：电路通常会线性的叠加重合的信号或者叠加噪声信号输入（在电路/器件的），这也是导致脉冲信号失真的主要原因；

4）特殊视频处理模块：通过将子系统中常规射频到视频转换技术与软件算法相结合，包括PDE相关技术；

5）对数视频放大电路：包括了对数视频放大器与驱动电路，将信号输入到信号处理模块接口，并保证信号数据传输的兼容性［9］；

6）信号处理模块接口：提供数据输入端口，接收来自视频/射频模块的视频信号；

7）信号处理模块模数转换器（ADC）：在执行脉冲数据提取之间，提供符合要求的采样信号；

8）信号处理模块微处理器模块：微处理器执行脉冲处理算法，包括用于ADC 的数字化视频的PDE技术。

如图2 所示为某一象限侦察子系统框图、测向天线及测向接收机外观图。

图2 侦察子系统信号通道及天线接收机外观图

2.3 脉冲信号叠加失真现象及信号能量计算

若两个脉冲前沿的到达时间差小于前一个脉冲的脉冲宽度时，此时会出现脉冲交叠的现象，信号合并为一个信号后导致原有信号丢失及失真［10］。如图3 所示为一示例，显示了两个经侦察子系统接收天线接收的射频脉冲信号，经检波对数视频放大器处理后的两个重叠的无噪声脉冲信号及叠加后的加性视频信号。产生平坦的叠加信号的前提假设为：信号1与信号2的载频相差较大，可以允许二极管检波电路模块产生的非线性噪声叠加信号可以被对数视频放大电路滤去，生成的结果如图3所示。

如图3 所示，信号1 和信号2 为两个满足以下要求的脉冲信号［11］：1）其视频电压是非线性增加的，视频输出电压由同时发生的射频能量之和确定；2）其射频功率经射频放大器成线性增加。则检测到的信号1 和信号2 及叠加后的信号1+2 的视频电压公式为

图3 检测到的重叠信号图

其中，f(v/dB)为检波对数视频放大器的对数的斜率或线性视频电压的输出传递函数［9］，dBm 为信号射频输入功率单位，vmin为信号的最低输出电压，Psens为检波对数视频放大器灵敏度。两个RF脉冲的重合区域或重叠区域的相加RF输入功率由下式给出：

式中(Sig1+Sig2)Watts为信号1和信号2的功率和。

图3 为假设式（1）中f(v/dB) =0.1v/dB，Psens=-50dBm，相对应的vmin=1.5v 获得。为了获得随后到达且重叠脉冲信号的准确电压，需要将式（1）中脉冲的计算功率“归一化”，则第二个到达脉冲的视频电压由式（3）给出：

3 脉冲数据提取（PDE）

3.1 PDE关键技术简介

为了实现有效的PDE结果，在论文中使用的计算过程包括了连续时间信号的调节；信号脉冲沿的检测以及有效脉冲沿的识别与决策算法。通过设置基线最低可接受电压，降低信号噪声的平均值，从而提取脉冲沿信息，然后确定有效脉冲沿的幅度和时间，并从每个子系统象限中的重叠信号中检测视频脉冲电压，最终获得信号电压的幅度和定时信息。如图4 所示为实现PDE 相关关键技术同侦察子系统决策相结合的流程图。

图4 PDE关键技术与侦察系统硬件结合流程图

3.2 脉冲数据提取详解

特定的PDE关键技术组件分解，重叠脉冲信号数据提取详解如下：

1）基准本底噪声和最低可检测电平阈值设置：最低可检测电平阈值是由检波对数视频放大器的最低视频输出电压及整体预期设备的本底噪声共同确定的［12］。可以进行动态的修改来解决因长距离导致的检测错误，即噪声信号过检测门限的现象；

2）信号多重采样：对重复信号的时间窗口进行第n 次采样，将会导致叠加在该窗口中检测到的脉冲RF 信号上的噪声提高。多重采样仅适用于检测远距离的具有周期性的固定的，而不适用于需要单脉冲解释的、非周期的、随机的脉冲重叠信号。

3）移动平均滤波器窗口大小和偏移量调整：主要为移动平均滤波器，用于脉冲信号时域处理的简单有效的滤波器，它在保持尖锐阶跃响应的同时，减少了随机噪声。该滤波器的阶跃相应对于实时提取脉冲沿以提取时间和幅度信息，是最佳的。滤波器窗口的偏移或延迟电平的读取最多只会占用几个数据采样点，用于确保在信号的脉冲内部能够有足够的时间读取电压，而不占用脉冲的平均上升时间［13］；

4）导数（d/ dt）阈值设置：d/ dt 阈值从连续数据样本中选择电压增量，以将实际脉冲沿与随机噪声尖峰分开。可以通过调整预先设定的检波对数放大器的检测信号的最小电压值及射频/视频对数传输曲线和预期的视频信号噪声电平来调整阈值大小；

5）电压/功率计算和决策算法：比较处理后的波形的幅度来确定威胁源信号的方向。通过脉冲信号的上升沿来确定脉冲信号的开始以及判断是否存在脉冲叠加。并使用四个象限所有侦察子系统的数据对随后的脉冲进行归一化处理。PDE 关键技术的必须要保证四个子系统象限的信号同时输入比较，来提取两个与威胁信号相关联的电压信号。

4 PDE 关键技术与系统硬件结合实例仿真

在现代雷达对抗空间中，侦察吊舱随载机执行任务时，空间中存在四个信号及相对位置如图1 所示。随机选择四个信号在100μs 时间样本，具体参数如表1所示。

表1 实际用于仿真输入的威胁信号幅度和脉冲时序

表1 所包含的内容包括信号入射到接收机天线的功率、信号的象限方位角、脉宽、脉冲重复周期。

抽取系统中100μs 时间段内的信号样本数据，数据特点为四个不相关的信号，包括脉冲宽度及脉冲重复周期不同；将四个信号的相对功率及脉冲信号图仿真如图5所示。

图5 信号相对功率及时序图

图5 中显示前15μs 脉冲重叠现象严重。本文PDE 相关技术的核心内容为通过移动平均滤波器的“窗口函数”来定量计算信号重叠概率，具体的计算方法可以参照文献［14］中计算不相关扫描天线或扫描接收机的截获概率（POI）及给定时间内截获任意两个信号的概率和信号重合之间的平均时间。

在视频信号的仿真过程中，设置侦察系统的随机噪声为40mV，检波对数视频放大器的最低检测电压为0.6V，射频/视频对数传输曲线的斜率为70mV/dB。仿真采样频率为40MHz（侦察系统ADC采样频率）；天线波束宽度为80°，为理想的高斯函数响应。仿真过程中，PDE相关技术的变量设置如下：

1）基准本底噪声和最低可检测电平阈值设置：U=0.56V；

2）多重采样设置：n=1（单脉冲检测）；

3）移动平均滤波器窗口大小和偏移量调整：平均移动点=2，偏移量调整=5；

4）d/dt阈值=0.14V。

经PDE相关技术处理后的检测波形图如图6。

如图6 所示，经PDE 相关技术处理后的脉冲波形比较稳定，未出现杂波、噪声及两信号叠加现象。

图6 PDE相关技术处理4个信号波形图

将表1中的信号数据经过图6中PDE相关技术处理后可以得到较为准确的信号脉冲边沿信息，如图7 所示，图中详细的标出了被提取脉冲的开始与停止信息。

四个象限子系统信号经由PDE 相关技术处理的输出的视频信号如图7。

图7 辐射源信号位置和四象限PDE处理视频输出

图中：“S41_start”为图1 中按顺时针分配象限的第四个象限编号为1 的信号，附近接收机检测到的两个上升沿信息。即，数字4表示第四象限，1表示信号的数字编号。PDE 相关技术的一部分包括确定何时可以将信号脉冲的上升沿作为单独的输入脉冲或者重叠信号合并进行处理。即通过保持在特定象限中初始信号的电压及功率直到检测出相应脉冲的停止位置后，将停止位置当成负脉冲进行处理。对于图6 中的信号，假如是45°方位角接收机天线接收信号，则可由可以通过45°象限的“S41_start”边缘识别和“S43_start”边缘识别来说明。由于尚未检测到“S41_start”边缘，因此将根据绝对电压/功率和之前观察到的“S22_start”电压/功率，使用式（1）~（3）（或适用的推导）来计算“S43_start”的功率。“S22_stop”及“S43_stop”边缘一般不作为电压突变时数据提取，它们只是用于“清除”相关象限中存储的电压/功率值，以及在停止边缘也用于提供脉冲信息和脉冲宽度的结束，实现对系统中检波视频放大器及射频放大器输出信号噪声的限制。

依赖于在特定时间将两个相邻象限中的相对功率和检测到的电压与两个最强检测到的信号进行比较，因此仅使用初始边沿幅度就足以提取脉冲形状的准确数据，可能不是完全平坦或对称的，因为在两个检测象限中都将看到任何非对称性相对跟踪。

表2 显示了信号检测精度的仿真结果。通过该仿真的PDE 相关参数设置以及几次随机噪声变化的运行，与无噪声的理想信号相比，观察到的相对视频电压误差小于10%。与理想信号相比，模拟系统中的电压变化可将最大方位角方向的误差范围降至8.0°以下。

表2 经PDE相关技术检测输出的威胁信号幅度和脉冲时序

在45°象限波形数据中说明了预处理的重要性。 图8 显示了45°波形，而图9 显示了相关的幅度数据输出，并比较了已处理信号与未处理信号。图9（a）中过多的伪脉冲检测信号说明了未经波形处理的噪声引起的误差的增加。当进行处理时（同时比较所有象限），可以从噪声波形中提取有用的信号信息，如图9（b）所示。

图8 单象限波形

图9 决策算法输出数据

5 结语

现阶段部队吊舱侦察系统重叠信号失真，采用纯硬件的方式花费高且兼容性差。论文结合现有的时域处理技术及同时进行侦察系统多象限处理，实现了从一定时间内段内提取重叠的信号。仿真结果表明，该方法提取准确度较高，可以将重叠的射频信号及常见的对数视频放大器输出的视频信号分开。但是，当遇到多个运动状态高速变化的信号重叠时，提取效果比较差。因为，在这种情况下对特定的操作环境进行优化，需要通过相应的转换将其转换为相对运动状态固定的信号，并得到信号的脉冲宽度及PRI参数，再将其与系统原有的决策算法结合，需要引入的变量较多，计算复杂度较高。论文下一步工作打算从引入理想天线及系统噪声温差变化参数出发，通过引入更多的实际变量来提高算法的提取效果。