基于雙通道互相關的微弱信號檢測及測向方法

閆 濤，沈文亮，姬 冰

(1.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；2.山東大學 控制科學與工程學院，山東 濟南 250100)

基于雙通道互相關的微弱信號檢測及測向方法

閆 濤1，沈文亮1，姬 冰2

(1.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；2.山東大學 控制科學與工程學院，山東 濟南 250100)

在復雜電磁環境和非合作接收條件下，會出現微弱目標信號淹沒在噪聲中難以檢測和測向的情況。為解決這一難題，提出一種基于雙通道互相關的微弱信號檢測及測向方法，采用獨立雙通道接收體制，利用互相關累積處理，提高系統輸出信噪比，實現對弱信號的檢測；采用同步旋轉掃描的雙定向天線，利用最大信號法對不同天線指向下的相關峰幅度進行處理，以估計信號來波方向。仿真結果表明，可實現負信噪比條件下信號的準確檢測與測向。

弱信號檢測；雙通道；互相關；最大信號法

0 引言

為保證通信的安全性和自身的隱蔽性，軍用通信裝備逐漸向低截獲概率和低檢測概率方向發展[1-2]，例如美軍為保證F-35等隱身戰斗機的隱形能力而特別設計的MADL數據鏈，利用極窄的針波束和極低的發射功率完成戰機間的信息交互。面對這一類信號，非合作偵察方一般只能通過目標信號波束的旁瓣甚至背瓣偵收，接收到的信號功率低，甚至會完全淹沒在背景噪聲中。

根據檢測理論可知，在最大信噪比準則下，加性高斯白噪聲環境中信號的最優檢測方法為匹配濾波[3]。相關檢測技術是弱信號檢測領域一個重要的技術手段，被廣泛用于信號檢測及參數估計[4-5]。文獻[6]提出一種基于互相關檢測的雙基地雷達信號檢測及時差估計方法，利用相關處理技術檢測散射回波信號并估計信號的時延，該方法需獲取高信噪比的直達波作為參考信號，而對于非合作偵察這一前提很難實現。干擾儀測向雖然能夠達到較高的測向精度，但實現復雜，且對信噪比具有一定要求[7]。最大信號測向法由于具有結構簡單、性能穩定等優點而被廣泛運用于無線電測向領域[8]，但無法直接用于低信噪比條件。

本文提出一種基于雙通道互相關的微弱信號檢測及測向方法，利用獨立的雙通道接收目標信號，并進行互相關處理，以提高系統輸出信噪比，實現弱信號檢測；采用同步旋轉掃描的雙定向天線，利用最大信號測向法，對不同天線指向下的相關峰幅度進行處理，從而準確估計信號來波方向。

1 系統工作原理

1.1 相關檢測原理

理論上，加性高斯白噪聲環境中，匹配濾波可以獲得最大信噪比輸出[9]。對雙獨立通道接收的信號進行互相關累積處理，可以達到近似匹配濾波的效果。

設兩通道接收信號模型可表示為：

(1)

式中，k1和k2表示兩通道的接收增益，由于采用相同的接收天線且天線指向相同方向，因此理論上k1和k2應相等；n1(t)和n2(t)為兩通道的接收噪聲，n1(t)和n2(t)互不相關。

兩通道信號進行互相關處理，

(2)

根據匹配濾波原理，互相關處理增益為：

k=B×T。

(3)

式中，B為信號帶寬；T為相關累積時間。可以看出信號帶寬越寬，累積時間越長，處理增益越高。

互相關輸出信噪比為[10]：

(4)

式中，SNR1和SNR2為兩通道的信噪比，且SNR1=SNR2，因此可得

(5)

信號帶寬2 MHz，累積時長5 ms，高斯信道條件下，互相關處理輸出信噪比隨單通道接收信噪比變化曲線如圖1所示。由圖1可以看出，即使單通道接收信號的信噪比為-10 dB，互相關輸出信噪比仍高于18 dB，可實現對目標信號的準確檢測。

圖1 相關處理輸出信噪比與單路信噪比關系

1.2 最大信號測向法

最大信號法進行方向估計簡單易實現，但由于天線方向圖最大值附近也最平坦，因此直接使用最大幅度對應的天線指向作為信號來波方向測量值誤差較大[11]。本文利用一種改進的最大信號法，將掃描過程中不同天線指向對應的相關峰幅度作為測向處理模塊的輸入，估計目標信號的準確方位。

2個接收天線方向圖相同，在測向區域內進行同步掃描(即任一時刻都指向相同方向)，假設天線方向圖為理想高斯波束：

(6)

式中，θ0.5為天線半功率波束寬度；γ為天線指向；θ為來波方向。對于2個通道，其天線方向和來波方向均相同，因此可得

(7)

代入式(2)可得：

(8)

不考慮噪聲，比較天線指向γ1和γ2時的相關峰幅度可得：

(9)

進而可得

(10)

設γmax為幅度最大值對應的來波方向，在兩側取對稱的2個方位點γ1=γmax-Δγ/2和γ2=γmax+Δγ/2，代入式(10)可得：

(11)

由于受到噪聲影響，幅度誤差是影響測向精度的關鍵因素之一，對式(11)中ΔR求偏導可得：

(12)

由式(12)可以得出：幅度測量誤差越大，測向誤差越大；天線波束寬度越寬，測向誤差越大。

在一定范圍內對Δγ取不同的值可得多個獨立的方位測量結果，再進行加權平均，得到最終的方位估計結果。

2 系統工作流程

系統工作原理如圖2所示。

圖2 系統工作原理

詳細步驟如下：

① 利用獨立雙通道接收信號，兩通道采用相同定向接收天線，方向圖應盡量一致;

② 對兩通道的接收信號進行互相關累積處理，采用基于FFT的循環相關方法[12]，如圖3所示;

圖3 相關處理器工作流程

③ 控制接收天線在測向區域同步掃描，掃描過程中保證兩天線指向一直相同，記錄不同指向下的相關峰幅度;

④ 對相關峰幅度估計結果進行門限判決，若大于門限則認為檢測到信號;

⑤ 若檢測到信號，比較不同天線指向下的相關峰幅度，利用最大信號法估計信號來波方向。

3 仿真結果分析

仿真設計：目標信號為2 MHz帶寬的連續波信號，信號樣式QPSK，采樣率10 MHz，理想高斯信道，接收天線半功率波束寬度10°。

未加噪原始信號與混合噪聲(SNR=-5 dB)信號頻譜圖對比結果如圖4所示。由圖4可以看出，混合噪聲后信號幾乎完全淹沒在噪聲中，常規方法難以準確檢測信號。

圖4 原始信號與混合噪聲后信號

單通道接收信噪比分別為-5 dB和-10 dB條件下，2路信號互相關處理得到的相關函數幅度包絡，如圖5所示。由圖5可以看出，相關峰高于噪底10 dB以上，滿足信號檢測要求。

圖5 互相關處理輸出包絡幅度

不同天線指向時的互相關處理峰值幅度和天線方向圖幅度如圖6所示。由圖6可以明顯看出，二者變化規律一致。

圖6 互相關處理輸出峰值隨天線指向變化

不同天線波束寬度下的本文方法與典型最大信號法測向精度仿真結果比較，如圖7所示。

圖7 不同天線波束寬度時的測向精度仿真結果

仿真條件：不考慮天線指向誤差等因素，天線正對目標時單通道接收信噪比-10 dB，累積時間20 ms，每0.25°完成一次相關峰幅度測量，統計500次蒙特卡洛仿真結果。由圖7可以看出，本文方法能夠更精確地估計信號來波方向。

4 結束語

針對微弱信號由于信噪比過低而難以檢測和測向的問題，提出一種基于雙通道互相關的微弱信號檢測及測向方法。首先對相關處理原理以及不同參數下得到的信噪比改善進行了推導和分析，從理論上證明了方法對弱信號檢測的可行性；并設計了一種改進的最大信號測向法，通過比較接收天線不同指向時的相關峰幅度變化關系，實現對目標信號來波方向的準確估計。仿真結果表明，在負信噪比條件下，方法對于連續波信號仍能夠取得較好的檢測和測向結果。

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閆 濤 男，(1985—)，工程師。主要研究方向：無源定位、數字信號處理。

沈文亮 男，(1981—)，高級工程師。主要研究方向：陣列信號處理、數字信號處理。

Study of Weak Signal Detection and Direction Finding Based on Dual-channel Cross-correlation

YAN Tao1,SHEN Wen-liang1,JI Bing2

(1.The54thResearchInstituteofCETC,ShijiazhuangHebei050081,China;2.SchoolofControlScienceandEngineering,ShandongUniversity,Ji’nanShandong250100,China)

Complex electromagnetic environment and uncooperative receiving present more challenges to weak signal detection and direction finding,as weak signal is submerged in noise.To solve this problem,a method of weak signal detection and direction finding based on dual-channel cross-correlation is proposed.The system receives signal by independent dual-channels.The upper processing gain is achieved by using cross-correlation theory,so the weak signal can be detected.Two directional reconnaissance antennas scan synchronously.The direction of radiation source can be found by comparison of accumulated energy of cross-correlation.Simulation result shows that the algorithm can reach accurate signal detection and direction finding with high-precision in negative SNR condition.

weak signal detection;dual-channels;cross-correlation;maximal signal method

10.3969/j.issn.1003-3106.2016.11.19

閆 濤,沈文亮,姬 冰.基于雙通道互相關的微弱信號檢測及測向方法[J].無線電工程,2016,46(11):75-78.

2016-08-11

國家部委基金資助項目。

TN911.7

A

1003-3106(2016)11-75-04