基于雙通道互相關(guān)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(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；2.山東大學(xué) 控制科學(xué)與工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250100)

基于雙通道互相關(guān)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(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；2.山東大學(xué) 控制科學(xué)與工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250100)

在復(fù)雜電磁環(huán)境和非合作接收條件下，會出現(xiàn)微弱目標(biāo)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(guān)的微弱信號檢測及測向方法，采用獨(dú)立雙通道接收體制，利用互相關(guān)累積處理，提高系統(tǒng)輸出信噪比，實(shí)現(xiàn)對弱信號的檢測；采用同步旋轉(zhuǎn)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(guān)峰幅度進(jìn)行處理，以估計(jì)信號來波方向。仿真結(jié)果表明，可實(shí)現(xiàn)負(fù)信噪比條件下信號的準(zhǔn)確檢測與測向。

弱信號檢測；雙通道；互相關(guān)；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(fā)展[1-2]，例如美軍為保證F-35等隱身戰(zhàn)斗機(jī)的隱形能力而特別設(shè)計(jì)的MADL數(shù)據(jù)鏈，利用極窄的針波束和極低的發(fā)射功率完成戰(zhàn)機(jī)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(biāo)信號波束的旁瓣甚至背瓣偵收，接收到的信號功率低，甚至?xí)耆蜎]在背景噪聲中。

根據(jù)檢測理論可知，在最大信噪比準(zhǔn)則下，加性高斯白噪聲環(huán)境中信號的最優(yōu)檢測方法為匹配濾波[3]。相關(guān)檢測技術(shù)是弱信號檢測領(lǐng)域一個重要的技術(shù)手段，被廣泛用于信號檢測及參數(shù)估計(jì)[4-5]。文獻(xiàn)[6]提出一種基于互相關(guān)檢測的雙基地雷達(dá)信號檢測及時差估計(jì)方法，利用相關(guān)處理技術(shù)檢測散射回波信號并估計(jì)信號的時延，該方法需獲取高信噪比的直達(dá)波作為參考信號，而對于非合作偵察這一前提很難實(shí)現(xiàn)。干擾儀測向雖然能夠達(dá)到較高的測向精度，但實(shí)現(xiàn)復(fù)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(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛運(yùn)用于無線電測向領(lǐng)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(guān)的微弱信號檢測及測向方法，利用獨(dú)立的雙通道接收目標(biāo)信號，并進(jìn)行互相關(guān)處理，以提高系統(tǒng)輸出信噪比，實(shí)現(xiàn)弱信號檢測；采用同步旋轉(zhuǎn)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(guān)峰幅度進(jìn)行處理，從而準(zhǔn)確估計(jì)信號來波方向。

1 系統(tǒng)工作原理

1.1 相關(guān)檢測原理

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

設(shè)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(yīng)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(guān)。

兩通道信號進(jìn)行互相關(guān)處理，

(2)

根據(jù)匹配濾波原理，互相關(guān)處理增益為：

k=B×T。

(3)

式中，B為信號帶寬；T為相關(guān)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(guān)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(guān)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(guān)輸出信噪比仍高于18 dB，可實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)信號的準(zhǔn)確檢測。

圖1 相關(guān)處理輸出信噪比與單路信噪比關(guān)系

1.2 最大信號測向法

最大信號法進(jìn)行方向估計(jì)簡單易實(shí)現(xiàn)，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(yīng)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(jìn)的最大信號法，將掃描過程中不同天線指向?qū)?yīng)的相關(guān)峰幅度作為測向處理模塊的輸入，估計(jì)目標(biāo)信號的準(zhǔn)確方位。

2個接收天線方向圖相同，在測向區(qū)域內(nèi)進(jìn)行同步掃描(即任一時刻都指向相同方向)，假設(shè)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(guān)峰幅度可得：

(9)

進(jìn)而可得

(10)

設(shè)γmax為幅度最大值對應(yīng)的來波方向，在兩側(cè)取對稱的2個方位點(diǎn)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(guān)鍵因素之一，對式(11)中ΔR求偏導(dǎo)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(nèi)對Δγ取不同的值可得多個獨(dú)立的方位測量結(jié)果，再進(jìn)行加權(quán)平均，得到最終的方位估計(jì)結(jié)果。

2 系統(tǒng)工作流程

系統(tǒng)工作原理如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)工作原理

詳細(xì)步驟如下：

① 利用獨(dú)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(yīng)盡量一致;

② 對兩通道的接收信號進(jìn)行互相關(guān)累積處理，采用基于FFT的循環(huán)相關(guān)方法[12]，如圖3所示;

圖3 相關(guān)處理器工作流程

③ 控制接收天線在測向區(qū)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(guān)峰幅度;

④ 對相關(guān)峰幅度估計(jì)結(jié)果進(jìn)行門限判決，若大于門限則認(rèn)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(guān)峰幅度，利用最大信號法估計(jì)信號來波方向。

3 仿真結(jié)果分析

仿真設(shè)計(jì)：目標(biāo)信號為2 MHz帶寬的連續(xù)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(jié)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(guī)方法難以準(zhǔn)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(guān)處理得到的相關(guān)函數(shù)幅度包絡(luò)，如圖5所示。由圖5可以看出，相關(guān)峰高于噪底10 dB以上，滿足信號檢測要求。

圖5 互相關(guān)處理輸出包絡(luò)幅度

不同天線指向時的互相關(guān)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(guī)律一致。

圖6 互相關(guān)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(jié)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(jié)果

仿真條件：不考慮天線指向誤差等因素，天線正對目標(biāo)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(guān)峰幅度測量，統(tǒng)計(jì)500次蒙特卡洛仿真結(jié)果。由圖7可以看出，本文方法能夠更精確地估計(jì)信號來波方向。

4 結(jié)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(guān)的微弱信號檢測及測向方法。首先對相關(guān)處理原理以及不同參數(shù)下得到的信噪比改善進(jìn)行了推導(dǎo)和分析，從理論上證明了方法對弱信號檢測的可行性；并設(shè)計(jì)了一種改進(jìn)的最大信號測向法，通過比較接收天線不同指向時的相關(guān)峰幅度變化關(guān)系，實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)信號來波方向的準(zhǔn)確估計(jì)。仿真結(jié)果表明，在負(fù)信噪比條件下，方法對于連續(xù)波信號仍能夠取得較好的檢測和測向結(jié)果。

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閆 濤 男，(1985—)，工程師。主要研究方向：無源定位、數(shù)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(shù)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(guān)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(xiàng)目。

TN911.7

A

1003-3106(2016)11-75-04