基于內(nèi)插采樣的雷達(dá)信號分選方法

鄭惠文，黃建沖

(解放軍電子工程學(xué)院，安徽 合肥 230037)

基于內(nèi)插采樣的雷達(dá)信號分選方法

鄭惠文，黃建沖

(解放軍電子工程學(xué)院，安徽 合肥 230037)

針對傳統(tǒng)雷達(dá)信號分選方法在復(fù)雜環(huán)境下對于信號形式的適應(yīng)能力不強的問題，提出基于內(nèi)插采樣的雷達(dá)信號分選方法。該方法通過設(shè)立兩個偵察站，利用內(nèi)插采樣法高精度地測得雷達(dá)脈沖到達(dá)兩站的時間，求取到達(dá)兩站的時間差，根據(jù)不同雷達(dá)的信號到達(dá)兩站的時間差不同完成信號分選。理論分析和計算機仿真表明，該方法能夠有效地分選信號，對雷達(dá)信號具有較強的適應(yīng)性，較好地解決了制約雷達(dá)對抗情報獲取中的信號分選難題。

雷達(dá)信號分選；到達(dá)時間；到達(dá)時間差；內(nèi)插采樣

0 引言

雷達(dá)對抗偵察系統(tǒng)中信號處理設(shè)備的輸入信號是密集交疊的雷達(dá)信號脈沖流，雷達(dá)信號分選即指從這些隨機交疊的脈沖信號流中分離出各部雷達(dá)脈沖信號的過程[1]。信號分選是信號分析、目標(biāo)識別和威脅等級判定的前提，必須實時、準(zhǔn)確地完成信號分選，后續(xù)工作才有意義。目前，傳統(tǒng)的分選方法在一定程度上解決了信號分選問題，但都有一定局限性：動態(tài)關(guān)聯(lián)法[2]只適合分選重頻(PRI)固定的信號；直方圖法[3-4]在信號抖動較大時會產(chǎn)生虛警信號；PRI變換法[5]無法分選復(fù)雜體制雷達(dá)信號；改進的PRI變換算法[6]運算量巨大，且仍然無法分選PRI參差信號。本文針對現(xiàn)有分選方法對信號形式的適應(yīng)能力不強的問題，提出基于內(nèi)插采樣的雷達(dá)信號分選方法。

1 內(nèi)插采樣法

內(nèi)插采樣法以脈沖到達(dá)兩站的時差為依據(jù)進行分選，用于多站間時差提取的方式有兩種：基于統(tǒng)一時間的時差提取方式和基于統(tǒng)一信號的時差提取方式[7]。前者存在較大時統(tǒng)誤差[8]，故本文采用后者，即副站把接收的信號轉(zhuǎn)發(fā)到主站，本身不對信號做任何處理；主站自身接收輻射源信號，同時還接收副站轉(zhuǎn)發(fā)過來的信號；在主站內(nèi)測量各脈沖的TOA，將TOA相減并扣除主、副站之間預(yù)先標(biāo)定的傳輸遲延(為了能使主站在對副站轉(zhuǎn)發(fā)過來的脈沖進行TOA測量前更準(zhǔn)確地校正轉(zhuǎn)發(fā)所需遲延，避免偶然誤差，可事先反復(fù)將一個信號從副站轉(zhuǎn)發(fā)到主站，得到多個Δti，取其統(tǒng)計平均值作為標(biāo)準(zhǔn)遲延，以后在計算每個TDOA時，只需在副站轉(zhuǎn)發(fā)信號的TOA上減去標(biāo)準(zhǔn)遲延即可)，獲取TDOA。顯然要獲取高精度的TDOA，就必須高精度地測得各脈沖TOA。

目前，測量脈沖TOA的方法[9]有很多，最常用的是直接計數(shù)法。此外還有模擬內(nèi)插法、遲延線法、時間-幅度轉(zhuǎn)換法等，這些方法針對直接計數(shù)法測量脈沖TOA時小于時鐘量化間隔的量化誤差進行改進，一定程度上提高了測量精度，但存在先進測量方法與實現(xiàn)難度的矛盾、測量實時性與測量精度的矛盾、測量連續(xù)性等問題，且都存在原理誤差。本文利用內(nèi)插采樣法(之所以稱為內(nèi)插采樣，是因為采樣點位于相鄰兩個量化時鐘脈沖之間)測量脈沖的TOA，該方法測量范圍大、實時性強、準(zhǔn)確度高，它把對量化誤差的測量轉(zhuǎn)換為對基準(zhǔn)信號相位的測量，克服了原理誤差，其基本原理如圖1所示。

圖中量化時鐘的頻率為f0(f0=1/T0)，基準(zhǔn)信號是由量化時鐘產(chǎn)生的同頻正弦信號，待測脈沖的實際TOA為T，由于量化時鐘的計數(shù)脈沖和待測脈沖構(gòu)成的計數(shù)邊沿的相位關(guān)系具有隨機性，所以量化時鐘實際測得的TOA為Ta。雷達(dá)脈沖的上升沿觸發(fā)模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)對基準(zhǔn)信號進行采樣，采樣值為S1，對應(yīng)的相位為θ1，所以：

(1)

在圖1對應(yīng)關(guān)系中，θ1′始終為π，所以脈沖的實際TOA為：

(2)

只采用一個基準(zhǔn)信號測量TOA時存在兩個問題：一是根據(jù)采樣值求解相位時存在兩個值；二是正弦信號在90°和270°處，很小的相位差會導(dǎo)致較大的相位提取誤差[10]。因此實際應(yīng)用中通常采用兩路同頻正交信號作為基準(zhǔn)信號，圖1中基準(zhǔn)信號Q路表示與基準(zhǔn)信號I路正交的同頻正弦信號。內(nèi)插采樣法的實現(xiàn)框圖如圖2所示。

首先利用恒比觸發(fā)法對視頻脈沖進行整形[11]，得到高精度整形脈沖，并把整形脈沖分為A、B、C三路信號。然后分別測量A、B、C三路信號：量化時鐘直接對B路信號進行計數(shù)，得到TOA的高位數(shù)據(jù)；A路信號和C路信號作為ADC的采樣輸入，分別對兩路同頻正交的基準(zhǔn)信號進行采樣，利用一片F(xiàn)PGA計算出基準(zhǔn)信號在脈沖上升沿的瞬時相位；讓FPGA與一片可擦除可編程只讀存儲器(EPROM)相連，其中EPROM中存有基準(zhǔn)信號的瞬時相位和單周期內(nèi)的時刻對應(yīng)關(guān)系，即通過查表的方法得到TOA的低位數(shù)據(jù)。最后拼接TOA的高位數(shù)據(jù)和低位數(shù)據(jù)，得到完整的TOA。

高精度測量脈沖TOA目的是要提取到高精度TDOA，因此在這考慮利用基于TOA測量的PRI提取來驗證內(nèi)插采樣法提取TDOA的測量精度。利用Matlab中動態(tài)仿真工具Simulink進行數(shù)據(jù)環(huán)境仿真，仿真環(huán)境原理圖如圖3所示。

在當(dāng)前硬件技術(shù)可以達(dá)到的水平下，設(shè)立如下技術(shù)指標(biāo)：量化時鐘為10MHz銣原子頻率標(biāo)準(zhǔn)，頻率準(zhǔn)確度為5×10-11，穩(wěn)定度為3×10-11；基準(zhǔn)信號的頻率為10MHz，相對幅度抖動為10-4；采用雙通道高速ADC，數(shù)據(jù)輸出信噪比為60dB，孔徑抖動小于10ps，工作方式為外部觸發(fā)采樣。假設(shè)所有器件都為理想器件，按照所給數(shù)據(jù)設(shè)置仿真參數(shù)，設(shè)定PRI分別為20μs、48μs、92μs、146μs、213μs、285μs、350μs，各進行200次試驗，仿真結(jié)果如表1所示。

表1 計算機仿真PRI提取結(jié)果

表1中，均值的含義是對設(shè)定PRI進行200次測量后取的算術(shù)平均值；極差的含義是200次測量中與設(shè)定值之差的最大值。所以，在當(dāng)前硬件技術(shù)能夠達(dá)到的水平下，內(nèi)插采樣法提取TDOA的精度優(yōu)于100ps，能夠達(dá)到高精度地要求。

2 基于內(nèi)插采樣的雷達(dá)信號分選方法

分選方法的基本原理是設(shè)立兩個偵察站，利用內(nèi)插采樣技術(shù)高精度地測量雷達(dá)脈沖到兩站的到達(dá)時間，將二者相減求取到達(dá)時間差，由于輻射源位置相對穩(wěn)定的特點，使得同輻射源的所有脈沖到達(dá)兩站的時間差相同，不同輻射源的脈沖到達(dá)兩站的時間差不同。其實現(xiàn)流程如圖4所示。

預(yù)先固定主、副站，同一串脈沖信號被主、副站接收到，副站將接收到的信號轉(zhuǎn)發(fā)至主站；在主站內(nèi)對主站接收的信號和副站轉(zhuǎn)發(fā)過來的信號進行高精度TOA、載頻、脈寬、脈幅等參數(shù)的測量，形成兩組全脈沖參數(shù)，送入脈沖相關(guān)器提取時差。若信號來自K個輻射源，脈沖相關(guān)器就會輸出K個TDOA。根據(jù)時差統(tǒng)計結(jié)果對全脈沖序列分組，按TOA先后順序輸出，完成對全脈沖信號的分選。

(3)

(4)

(5)

當(dāng)Δt等于脈沖到達(dá)主、副站的真實時間差時，上式不為零，即開始對時間差進行累積。

3 仿真分析

內(nèi)插采樣技術(shù)給該方法提供了精度保證，為驗證方法的可行性，以6個輻射源為例進行分析并仿真。如圖5所示，設(shè)站間距為1km，兩站由長為1km光纖連接(實際中由于地勢、交通等原因，光纖長度會大于1km，但長度可事先測量，在這假設(shè)為直線連接)，以主站為原點、主站和副站連線的延長線為X軸作直角坐標(biāo)系，極坐標(biāo)下6個雷達(dá)輻射源的位置為：A(100,119°)，B(115,101°)，C(105,87°)，D(120,80°)，E(125,68°)，F(xiàn)(110,59°)。

在由主站、副站和輻射源A構(gòu)成的三角形中，已知輻射源A到主站、副站到主站的距離和二者的夾角，由余弦定理可求得輻射源A到副站的距離SA：

100.488 62(km)

(6)

副站接收輻射源A的脈沖并轉(zhuǎn)發(fā)到主站，實際傳輸?shù)木嚯x為(100.488 62+1)km，但副站的信號轉(zhuǎn)發(fā)時間可事先測量，在計算TDOA時扣除即可，在這不計算在傳輸時間內(nèi)。所以，理論上輻射源A的脈沖到達(dá)主、副站的TDOA為：

ΔtA=(100-SA)/c=-1.628 73(μs)

(7)

其中，c為電磁波在真空中的傳播速度。同理，可以計算出輻射源B、C、D、E和F的脈沖到達(dá)兩站的TDOA的理論值分別為：-0.649 94 μs、0.158 62 μs、0.565 33 μs、1.237 18 μs和1.705 61 μs。

方法根據(jù)同一輻射源的脈沖到達(dá)兩站的TDOA相同，不同輻射源的脈沖到達(dá)兩站的TDOA不同分選信號，與信號的復(fù)雜程度無關(guān)，在這以常規(guī)脈沖信號和脈沖參差信號為例進行分析。設(shè)輻射源A、B、C和D持續(xù)發(fā)射PRI分別為120 μs、140 μs、160 μs和180 μs的常規(guī)脈沖信號，輻射源E、F發(fā)射子周期分別為110 μs和190 μs、100 μs和170 μs的二參差脈沖信號。常規(guī)PRI信號和二參差脈沖信號仿真圖如圖6所示。

利用該方法分選信號，必須使兩個偵察接收機的距離很近(相對于接收機和輻射源之間的距離)，以保證兩接收機能接收到同一串雷達(dá)信號，在實際應(yīng)用中很容易實現(xiàn)。輻射源發(fā)射的這些脈沖隨機交疊，通過計算機仿真接收機接收到的雷達(dá)信號(使用標(biāo)準(zhǔn)脈沖)，在主站中截取一段時間主站接收到的信號和副站轉(zhuǎn)發(fā)到主站的信號，其中副站轉(zhuǎn)發(fā)過來的信號是經(jīng)過轉(zhuǎn)發(fā)時間校正的信號(扣除固定遲延)，截取信號如圖7所示。

在主站內(nèi)對脈沖序列進行高精度的TOA測量和快速測頻、測脈寬、脈幅等參數(shù)，形成兩組全脈沖參數(shù)，送入脈沖相關(guān)器提取TDOA。本文采用內(nèi)插采樣法測量脈沖的TOA，由前面分析可知，內(nèi)插采樣法獲取TDOA的精度優(yōu)于百皮秒量級；信號從副站轉(zhuǎn)發(fā)到主站的時間可以通過校正加以消除；雙站之間提取TDOA和基于TOA測量的PRI提取區(qū)別在于兩個脈沖來自不同接收機，因此需要在TDOA提取的基礎(chǔ)上加上接收機的一致性誤差[12]，在目前的硬件技術(shù)水平，接收機的一致性誤差可以控制在納秒量級。所以，該方法總的誤差應(yīng)該在納秒量級。

截取30 ms內(nèi)主、副站接收的信號，測量各脈沖的TOA，并求取脈沖到達(dá)兩站的TDOA，在計算結(jié)果上加上接收機一致性誤差ξ(計算機生成)，即為實際情況中的TDOA。圖5所示的布站中，TDOA的最大值為Δt0=1×103/c=3.333 33 μs。設(shè)Δt=Δt0+0.011=3.344 33 μs(冗余考慮測量誤差不超過1 ns，接收機一致性誤差不超過10 ns)為判決門限，利用Matlab進行仿真運算，累積脈沖到達(dá)兩站的TDOA，仿真結(jié)果如圖8所示。

仿真圖中存在十幾個集中的時間差，但實際應(yīng)該只存在6個集中時間差，即存在虛假時間差。如果按照將TDOA直接分選，則會分選出十幾部雷達(dá)，出現(xiàn)增批現(xiàn)象，所以在分選時必須做一定處理。

電磁環(huán)境中的輻射源發(fā)射固定PRI、參差PRI和其他復(fù)雜PRI調(diào)制信號時，時差統(tǒng)計中存在真實時間差、有一定累積量的虛假時間差、時間差噪聲。但是這三者是有一定聯(lián)系的，且脈沖信號形成的真實時間差的數(shù)量總是不小于虛假時間差數(shù)量[13]，利用這一點，本文考慮采用遞歸的思想將真實時間差、一定累積量的虛假時間差、時間差噪聲作為一個整體進行處理，具體步驟為：

1)統(tǒng)計各個時間差對應(yīng)的脈沖對數(shù)；

2)選擇時間差對數(shù)最大的值，并將該值作為真實時間差；對真實時間差進行分選，將該值對應(yīng)的所有脈沖從脈沖序列中扣除；

3)更新剩余脈沖的時間差統(tǒng)計結(jié)果，并重復(fù)1)、2)步，直至分選完所有的脈沖。

統(tǒng)計仿真圖8中各時間差對應(yīng)的脈沖對數(shù)，從最密集的時間差開始分選，將分選出來的脈沖依次從序列中扣除，直至所有脈沖分選完畢，分選過程如圖9所示。

從分選結(jié)果可以看出，隨著分選出的脈沖序列越來越多，虛假時間差就越少，直至分選結(jié)束，虛假時間差消失。所以，利用該方法分選信號，只要能測得脈沖的TOA參數(shù)，獲得TDOA數(shù)據(jù)，就能成功分選。

4 結(jié)論

本文提出了基于內(nèi)插采樣的雷達(dá)信號分選方法，該方法通過設(shè)立兩個偵察站，利用內(nèi)插采樣法高精度地測得脈沖到達(dá)兩站的時間，求取到達(dá)時間差，根據(jù)不同雷達(dá)的信號到達(dá)兩站的時間差不同完成信號分選。理論分析和計算機仿真表明：該方法對雷達(dá)信號具有較強的適應(yīng)性，只要能測得脈沖的TOA，就能準(zhǔn)確分選，擺脫了復(fù)雜信號體制對信號分選的約束，為復(fù)雜信號體制給信號分選帶來的問題找到一種解決方案。但是存在一點不足，即該方法只利用了TDOA信息，默認(rèn)為每次分選出來的信號是一部雷達(dá)信號，可能會出現(xiàn)虛警現(xiàn)象，下一步將對該問題進行研究，進一步提高分選準(zhǔn)確率。

[1]何明浩. 雷達(dá)對抗信息處理[M]. 北京：清華大學(xué)出版社，2010.

[2]Campbell J W，Saperstein S. Signal Recognition in Complex Radar Environments[J]. Watkins-Johnson Tech Notes，1976，3(6).

[3]Rogers J A V. ESM Processor for High Pulse Density Radar Environments[J]. IEE Proc F Commun Radar & Signal Process，1985，132(7)：621-624.

[4]Mardia H K. New Techniques for the Deinterleaving of Repetitive Sequences[J]. IEE Proceedings Radar and Signal Processing，1989，136(4)：149-154.

[5]Milojevic D J，Popovic B M. Improved Algorithm for the Deinterleaving of Radar Pulses[J]. IEE Proceedings and Signal Processing，1992，139(1)：98-104.

[6]Nelson D J. Special Purpose Correlation Function for Improved Signal Detection and Parameter Estimation[J]. Proceedings of International Conference on Acoustics，Speech，and Signal Processing，1993 (4)：73-76.

[7]劉剛. 分布式多站無源時差定位系統(tǒng)研究[D]. 西安：西安電子科技大學(xué)，2006.

[8]田中成，劉聰鋒. 無源定位技術(shù)[M]. 北京：國防工業(yè)出版社，2015.

[9]孫杰，潘繼飛. 高精度時間間隔測量方法綜述[J]. 計算機測量與控制，2007，15(2)：145-147.

[10]劉雙龍，張春，黃鈺，等. 一種基于內(nèi)插采樣的時差測量與基站同步技術(shù)[J]. 電路與系統(tǒng)學(xué)報，2013，18(2)：173-177.

[11]潘繼飛，姜秋喜，畢大平. 恒比觸發(fā)法在高精度雷達(dá)PRI測量中的應(yīng)用[J]. 現(xiàn)代雷達(dá)，2007，29(1)：64-67.

[12]朱偉強，黃培康. 高精度時差/頻差測量在雙站定位中的應(yīng)用[J]. 現(xiàn)代雷達(dá)，2009，31(3)：1-6.

[13]楊林，孫仲康，周一宇，等. 信號互相關(guān)實現(xiàn)密集信號脈沖配對[J]. 電子學(xué)報，1999，27(3)：52-55.

Radar Signal Sorting Method Based on Interpolating Sampling

ZHENG Huiwen, HUANG Jianchong

(Electronic Engineering Institute of PLA，Hefei 230037，China)

The adaptability to signal form of traditional radar signal sorting methods is poor in complex signal environment．A method of radar signal sorting based on interpolating sampling was proposed in this paper．Two reconnaissance stations were set up and the time of arrival(TOA)of radar pulse was measured for two stations by interpolating sampling method，which got the time difference of arrival(TDOA)，then，two stations were different to sort signal according to the TDOA of different radar signals．Theoretical analysis and computer simulation results indicated that the proposed method could effectively sort signal with strong adaptability to signal form and the signal sorting problem was solved without restricting the acquisition of radar countermeasure intelligence．

radar signal sorting；TOA；TDOA；interpolating sampling

2016-08-29

鄭惠文(1991—)，男，四川隆昌人，碩士研究生，研究方向：雷達(dá)對抗信號處理。E-mail:307500035@qq.com。

TN957.51

A

1008-1194(2017)01-0046-06