一種基于雙平臺信號協同分選處理的設計方法

王星宇，丁興軍

(中國船舶重工集團公司第723研究所，揚州 225001)

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一種基于雙平臺信號協同分選處理的設計方法

王星宇，丁興軍

(中國船舶重工集團公司第723研究所，揚州 225001)

電磁信號環境日趨復雜，傳統單平臺信號分選對脈沖數極少的慢掃雷達以及相控陣雷達分選較為困難。提出了一種基于雙平臺的協同分選信號處理方法，有效地彌補了傳統信號分選上的不足，并針對脈沖數極少的慢掃雷達以及相控陣雷達信號提出了相應的分選、融合、跟蹤方法。

雙平臺；信號分選；相控陣；信號處理

0 引 言

電子戰(EW)信號分選，是偵收外界電磁環境，測出各信號的載波頻率(RF)、到達角(DOA)、脈沖幅度(PA)、脈沖寬度(PW)及到達時間(TOA)等,即脈沖描述字(PDW)[1]。對隨機交疊的脈沖運用各種算法進行實時去交錯，并形成脈沖輻射源序列跟蹤表，提取出每個輻射源的脈沖序列，分析輻射源的輻射特性，得到輻射源的特征參數。一般信號分選都是在單平臺架構下，利用平臺的前端設備，測出PDW參數來進行實時信號分選，提取出特征參數來進行雷達信號識別。

隨著目前電子對抗領域的信號環境日趨復雜，高占空比、高重頻、猝發信號、相控陣體制等特殊體制的雷達信號日益增多，在脈沖疊加、反射、丟失概率較多、參數空間嚴重混疊的大環境下，不可避免地會造成測量錯誤，為了對付一些脈沖數極少的慢掃雷達和相控陣體制雷達，單平臺信號分選就會將規律的反射信號和測量錯誤的信號分選出來，造成虛警。如何提高在這種環境下信號的實時處理能力，已經成了現代電子戰信號分選急需解決的問題。

1 傳統單平臺信號分選的不足

傳統單平臺信號分選的不足包括：

(1) 傳統信號分選是基于常規雷達典型脈沖重復周期(PRI)模型工作樣式序列來進行雷達特征提取的。典型的常規雷達信號的PRI都具有一定的規律，常規雷達信號的PRI模型如圖1所示，包含固定PRI、參差PRI、抖動PRI、滑變PRI等，它們的特征是PRI為一非時變的確定性常數，單平臺信號分選可以通過其到達時間(TOA)的序列做直方圖統計而得出雷達的信號特征。而隨著現代雷達的不斷改進，出現了一些特殊的脈沖數極少的慢掃雷達和雷達脈沖參數隨機可變的相控陣體制雷達，這些雷達信號所含信號脈沖數很少且其他參數也沒有相關性，這就需要大量的雷達信號脈沖數做積累，否則在密集環境下進行分選時，分選脈沖數條件過低，會造成分選出的雷達特征可信度大量地降低，造成嚴重的虛警。而分選脈沖數條件過高，則會造成漏警。而雙平臺下，雷達的截獲概率得到了提高，脈沖數變多，積累分選的時間更短，可以更加滿足實時分選的要求。

圖1 常規雷達信號的PRI模型

(2) 在密集環境下，由于前端接收機存在著丟失概率問題，以及外界環境中存在大量的反射信號，會造成單平臺下的信號分選出現增批現象。特別是對于脈沖數少的慢掃雷達以及雷達脈沖參數隨機可變的相控陣體制雷達，由于參數多數屬于相參體制，會造成前端信號測出的參數錯誤率提高，再加上反射信號，分選可信度大大降低。 而雙平臺下，針對同一部雷達，每個平臺測錯的概率不一樣，反射信號的特征也不一樣，可以通過雙平臺到達時間的時序來綜合判斷是否是測錯信號和反射信號，這可以極大地提高信號特征的可信度。

2 雙平臺信號分選框架及原理介紹

雙平臺是指2個獨立的單物理平臺(圖2)，相隔一定的距離，其中一個平臺可以定義為主平臺，另一平臺定義為從平臺。主平臺包括信號分選模塊和關聯協同分選模塊，從平臺只包括信號分選模塊。這2個平臺，3個模塊之間的數據交互全部通過光纖進行。雙平臺信號分選工作流程：信號分選模塊通過各自空間分離配置平臺上的設備前端，同時對外部雷達信號進行分選處理，已處理的信號結果通過光纖直接送后端顯示，未處理、剩余的{PDW}送往關聯協同處理器再進行信號分選融合，并將融合結果直接送后端顯示。

圖2 雙平臺物理模型

圖3所示為雙平臺信號分選的框架示意圖。平臺1和平臺2通過各自空間上前端接收下來的原始{PDW1}和{PDW2}完成傳統信號分選，送出輻射源信息掃描字EDW1和EDW2到后端顯示，同時將一些已分選出來的常規雷達體制信號的脈沖進行分離濾除，剩余脈沖{PDW1}和{PDW2}則打入到關聯協同處理模塊來完成對特殊體制雷達信號的分選和跟蹤。這種雙平臺架構綜合利用了傳統信號分選的優點，同時也通過新的分選方法來極大地改善一些特殊體制雷達信號的分選。

圖3 雙平臺模型信號分選框架示意框圖

原理圖見圖4，在高密度、脈沖疊加多、丟失概率大的環境下，利用單平臺傳統信號分選的特點，通過直方圖或者序列搜索等主流算法，將常規體制雷達信號分選出來，直接送往后端顯示控制模塊，同時將已分選的常規體制雷達信號進行濾除，剩余的{PDW}脈沖送往關聯處理模塊,根據脈沖數極少帶猝發性質的雷達和相控陣體制的雷達特性，以及雙平臺下雷達的時序關系，進行分選融合跟蹤和抗增批處理。

圖4 雙平臺模型下信號分選原理圖

3 雙平臺下2類特殊體制雷達信號分選方法

首先經過雙平臺各自傳統信號分選，常規雷達信號被分選出，并分流濾除，外界環境密度被稀釋，剩余的脈沖{PDW}帶著各自平臺的經緯度信息送到關聯協同處理平臺，這些脈沖{PDW}都是不符合傳統信號分選規律漏下來的特殊體制的雷達信號脈沖，有針對性地利用雙平臺時域上的關聯特性以及特殊體制雷達的工作特征來進行信號分選融合。

(1) 針對脈沖數特別少的慢掃雷達特征的分選。它的特征多數屬于低截獲概率(LPI)雷達，在頻域上變化很小。通過圖5雙平臺下雷達輻射物理模型可以得出，2個平臺間的距離d是一定的，雷達主瓣從平臺1站掃到平臺2站所需的時間也是一定的，可以利用雙平臺的{PDW}參數，按照載頻(RF)參數進行方盒聚類預分選，以到達時間排序建立雙站的時序關系圖(見圖6)。

圖5 雙平臺模型下雷達輻射物理模型

圖6 雙平臺模型下脈沖數稀少的慢掃雷達時序關系

平臺1和平臺2的掃描包絡是成組成對出現的，PRI是雷達的重頻特征，tw代表雷達主瓣從平臺1掃到平臺2所需要的時間，與圖5中雷達天線的掃描轉速ω和雙平臺之間距離d有關，ts代表雷達天線的掃描周期。這2個時間值相對于雷達來說是一個恒定值，平臺1和平臺2每個天線包絡內的脈沖個數很少，PRI特征不太明顯。但是由于PRI的時間量級和tw、ts的時間量級相差很大，可以將雷達天線里的一個掃描包絡比作一個到達脈沖，PRI暫忽略不計，既而首先在時序上通過tw、ts雙門限的序列差分直方圖(SDIF)或者累積差分直方圖(CDIF)算法，求出tw、ts的值和其對應關系。然后再通過截取的包絡進行PRI差值累計，分析出雷達PRI特征，加上雙平臺包絡成對的特征做抗增批處理后，最后將此雷達的特征值輔以方位值(二維集合的方式，θAOA∈(θ1,θ2))，將其送往融合跟蹤模塊做再次確認。

(2) 針對相控陣體制特性的雷達特征的分選。通過分析出頻域穩定的脈沖數少的慢掃雷達后，余下的{PDW}脈沖全部歸并到一個時序通道里進行分析，這些剩下的脈沖經過常規體制雷達的分選濾波，再加上慢掃雷達脈沖的分流濾波，密度上進一步稀釋，時域和頻域上的關系越來越清晰，這時候通過分析相控陣體制的雷達特性給出特征值。首先，相控陣體制的雷達波束指向是靈活可變的，而傳統機械掃描雷達的雷達波束只能隨著雷達天線的機械旋轉而掃描，而且相控陣體制雷達在工作過程中發出的脈沖在搜索時間和跟蹤時間會隨時改變，因此收到的脈沖串之間的間隔也在隨著改變，這也是與傳統雷達很大的不同點[2]。 相控陣雷達搜索和跟蹤方式下多波束產生的示意圖見圖7。

圖7 相控陣體制搜索和跟蹤方式多波束產生示意圖

當相控陣體制雷達處于掃描狀態時，它可以通過時間分割原理，在一個雷達信號重復周期內，順序地向不同目標發射波束，來達到搜索的目的;當處于跟蹤多目標狀態時，它可以根據跟蹤目標的多、少、遠、近或者重要程度，在一個最長的重復周期跟蹤信號波形內，即數據率最低的跟蹤信號重復周期內，順序地向對應的目標發射信號來進行跟蹤。它的特征在于在一個雷達信號重復周期以內，雷達的波束指向是快速、順序地切向不同的跟蹤目標， 這樣可以通過雙平臺的特點，將雙平臺的{PDW}進行到達時間排序，建立雙站的時序關系圖，如圖8所示。

圖8 雙平臺模型下相控陣體制雷達時序關系

圖8中 ，tPRI1-n代表平臺1{PDW}的重頻關系，tPRI2-n代表平臺2{PDW}的重頻關系，由于相控陣體制的參數隨機性，tPRI1-n和tPRI2-n沒有穩定的特征，tbn代表雷達重復周期跟蹤信號波形內的波束切換時間，跟雷達對目標特性的設置有關，與雷達重復周期的值在單位數量級上有區別。AP1和AP2代表相控陣體制雷達對平臺1和平臺2發出的信號幅度，和相控陣雷達波束能量分配有關聯，AP1和AP2各自的幅度是穩定不變的。綜上分析，有3個特征可以利用:

(1) 每個平臺收到的各自幅度都是相等的，變化不大。

(2) 平臺1和平臺2收到的脈沖是順序成組出現的。

(3) 雷達重復周期，tPRI和tbn值數量級上相差比較大。

可以通過綜合地利用改進的序列差分直方圖和累積差分直方圖算法，將直方圖級數和門限放大或者縮小，得出tbn和tPRI的大概的數量級范圍值和規律，再通過AP特征的篩選過濾出該雷達的特征，最后將此雷達的特征值輔以方位值(二維集合的方式，θAOA∈(θ1,θ2))，將其送往融合跟蹤模塊做再次確認。

4 雙平臺下2類特殊體制雷達信號融合跟蹤方法闡述

針對分選出的特殊雷達特征值，通過雷達目標在方位上的穩定性，進一步跟蹤確認和抗增批，提高特殊雷達的可信度。首先這些特殊雷達的特征值與傳統常規雷達輻射源信息不太一樣，它的載頻、脈寬、幅度、重頻參數都具有隨機性，只有方位參數是穩定不變的。根據分選出的特殊雷達方位值θAOA，由一個二維集合 (θ1,θ2) 代表，θ1和θ2分別代表平臺1和平臺2收到此雷達的方位值，這時可以根據平臺1坐標(X1,Y1)和平臺2坐標(X2,Y2),以及2站之間的距離d(圖5)，運用測向交叉算法(圖9)，取得目標雷達的大概實際位置(Xe,Ye)。

圖9中，θ1，θ2分別為平臺1和平臺2測出的雷達目標到達角，利用下列公式[3]:

(1)

(2)

求出實際位置(Xe,Ye)，然后通過實際位置(Xe,Ye)的數值進行數據平滑融合，來進一步跟蹤確認目標，提高分選的穩定性和可信度。如果此坐標持續有分選出的雷達特征值出現，則確認特殊體制雷達信號存在，最后統計這類特殊雷達的其他參數特征(載頻、脈寬、幅度以及重頻)，將其送往后端輸出模塊顯示(見圖3)。

5 結束語

針對傳統分選在脈沖數極少的慢掃雷達和相控陣體制雷達分選上的困難，本文提出了一種基于雙平臺構架下協同信號處理分選的方法，它能彌補傳統分選的不足，也能繼承傳統信號分選的快速實時、適應高密度的特點。其在工程實踐及多平臺工程應用中，能滿足多個平臺前端的數字脈沖同步性前提下，對通過多平臺送下來的{PDW}脈沖進行時序關聯，此方法還具有一定的實用價值，畢竟在日益復雜的電磁環境大背景下，能夠正確、實時、不虛警、不漏警地分離出各型雷達輻射源的信息，變得越來越重要。相信隨著電子偵察水平的不斷提高，還會有更多新的思路和方法，來應對各型雷達的準確偵收。

[1] 趙國慶.雷達對抗原理[M].西安:西安電子科技大學出版社，1999.

[2] 謝正巧.相控陣雷達信號識別的研究[J].信息化研究，2010,36(12):37-39.

[3] 姚颕.雙站無源定位及跟蹤算法研究[M].西安:西安電子科技大學出版社,2009.

A Design Method of Collaborative Signal Sorting and Processing Based on Dual Platform

WANG Xing-yu,DING Xing-jun

(The 723 Institute of CSIC,Yangzhou 225001,China)

The electromagnetic signal environment becomes increasingly complex,signal sorting method of traditional single-platform is difficult to sort the signals of slow-scanning radar with very few pulses and phased array radar.This paper brings forward a method for collaborative signal sorting and processing based on dual platform,which can effectively make up the shortcomings of traditional signal sorting,and puts forward the corresponding sorting,fusion and tracking methods to the signals of slow-scanning radar with very few pulses and phased array radar.

dual platform;signal sorting;phased array;signal processing

2016-02-18

TN971.1

A

CN32-1413(2016)03-0058-05

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2016.03.015