利用脈沖TDOA的雷達(dá)信號分選方法*

鄭惠文，黃建沖

(電子工程學(xué)院， 安徽 合肥 230037)

利用脈沖TDOA的雷達(dá)信號分選方法*

鄭惠文，黃建沖

(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)境下分選雷達(dá)信號時對于信號形式的適應(yīng)能力不強(qiáng)的缺點(diǎn)，提出一種對于雷達(dá)脈沖信號具有普適性的信號分選方法。該方法通過2個偵察站來偵察接收雷達(dá)信號，根據(jù)同一雷達(dá)輻射源的脈沖信號到達(dá)2個偵察接收站的時間差相同的原理進(jìn)行信號分選。理論分析和計(jì)算機(jī)仿真表明該方法切實(shí)可行，能較好地解決復(fù)雜信號環(huán)境下雷達(dá)信號的分選難題。

雷達(dá)信號分選；到達(dá)時間；到達(dá)時間差；脈沖重復(fù)間隔；余弦定理；實(shí)時性

0 引言

20世紀(jì)20年代雷達(dá)就初具雛形，隨著人們對雷達(dá)的研究更加深入，對相關(guān)技術(shù)的要求也逐漸提高，慢慢出現(xiàn)了雷達(dá)信號分選技術(shù)。20世紀(jì)70年代，Campbell開始對復(fù)雜信號環(huán)境下的信號分選識別算法進(jìn)行研究，參數(shù)范圍匹配法、試探法和統(tǒng)計(jì)平均估計(jì)法是當(dāng)時最流行的方法。后續(xù)學(xué)者提出利用脈沖到達(dá)時間(TOA)進(jìn)行基于脈沖重復(fù)間隔(pulse repetition internal, PRI)的去交錯實(shí)時分選算法[1-2]，在此基礎(chǔ)上延伸出累計(jì)差值直方圖算法[3]、序列差值直方圖算法[4]、復(fù)值自相關(guān)積分法[5]、平面變換法[6]等方法，也有學(xué)者在小波變換法[7]、支持向量機(jī)聚類算法[8]上取得了一定研究成果。在雷達(dá)數(shù)量少、樣式簡單時，這些方法尚能發(fā)揮作用，在雷達(dá)體制兼容、樣式繁多的情況下，這些方法的適應(yīng)性較差。

為了解決雷達(dá)信號分選方法存在的問題，考慮通過對傳統(tǒng)信號分選方法進(jìn)行改進(jìn)或研究新的方法來提高算法的適應(yīng)能力[9-10]。本文提出一種基于脈沖到達(dá)時間差(TDOA)的雷達(dá)信號分選方法，該方法對于脈沖信號形式具有普適性，且能準(zhǔn)確地分離各個輻射源的脈沖信號，對獲取正確、完整的雷達(dá)對抗偵察情報意義重大。

1 基本原理

本文提出的基于脈沖TDOA的雷達(dá)信號分選方法利用2個偵察站來偵察接收雷達(dá)信號，通過分別測量雷達(dá)脈沖信號到2個偵察站的TOA，將2個TOA相減，得到脈沖信號到達(dá)2站的TDOA，按TDOA的不同對隨機(jī)交疊的脈沖序列進(jìn)行分組，達(dá)到信號分選的目的。采用該方法分選雷達(dá)脈沖信號，不管信號形式多復(fù)雜，只要是由同一部雷達(dá)發(fā)射的信號，到達(dá)2個偵察站的TDOA必然相同，其原理示意如圖1所示。

圖1 基于脈沖TDOA分選方法原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of the principle of pulse TDOA sorting

2 方法流程

一段時間內(nèi)，同一串脈沖信號被主站和副站接收到，副站將接收到的信號轉(zhuǎn)發(fā)至主站；在主站內(nèi)對主站接收到的信號和副站轉(zhuǎn)發(fā)過來的信號進(jìn)行高精度的TOA測量和快速測頻、脈寬、脈幅等參數(shù)，形成2組全脈沖參數(shù)，送入脈沖相關(guān)器提取時間差，得到TDOA。前圖1中只設(shè)了2個雷達(dá)輻射源，所以只存在2個TDOA值Δt1和Δt2，若接收到的脈沖信號來自M(M>2)個雷達(dá)輻射源，則會出現(xiàn)M個TDOA值Δt1，Δt2，…，Δtn(n=3,4,…,M)，根據(jù)TDOA的不同將全脈沖序列分成M組，每一組脈沖就是一部雷達(dá)發(fā)射的信號，完成信號分選。其流程如圖2所示。

圖2 基于脈沖TDOA雷達(dá)信號分選流程圖Fig.2 Flow chart of radar signal sorting based on pulse TDOA

3 案例分析及仿真

為驗(yàn)證該方法的可行性，在這以6個輻射源為例對該方法進(jìn)行分析并仿真。如圖3所示，假設(shè)主站和副站的地面距離為1 km，兩站由一條長為1 km光纖連接(由于地勢、交通等原因，所需的光纖長度可能會大于1 km，但光纖長度可事先測量，在這假設(shè)為直線連接)，以主站為原點(diǎn)、主站和副站連線的延長線為x軸作直角坐標(biāo)系，用極坐標(biāo)的形式表示6個輻射源的位置：A(100,119°)，B(115,101°)，C(105,87°)，D(120,80°)，E(125,68°)，F(xiàn)(110,59°)。

圖3 輻射源與偵察接收站的相對位置Fig.3 Relative position of radiation source and the reconnaissance receiving station

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到副站的距離為

100.488 62 km.

(1)

副站接收輻射源A的脈沖信號并轉(zhuǎn)發(fā)到主站，實(shí)際傳輸距離為(100.488 62+1)km，但是副站把信號轉(zhuǎn)發(fā)到主站的時間可以事先測量，在計(jì)算TDOA時扣除即可，故不計(jì)算在傳輸時間內(nèi)。所以，理論上輻射源A發(fā)射的脈沖信號到達(dá)主站和副站的TDOA為

ΔtA=(100-SA)/c=-1.628 73 μs.

(2)

式中：c為電磁波在真空中的傳播速度。

同理，可以計(jì)算出輻射源B,C,D,E和F的脈沖信號到達(dá)兩站的TDOA的理論值為

ΔtB=(115-SB)/c=-0.649 97 μs;

(3)

ΔtC=(105-SC)/c=0.158 62 μs;

(4)

ΔtD=(120-SD)/c=0.565 33 μs;

(5)

ΔtE=(125-SE)/c=1.237 19 μs;

(6)

ΔtF=(110-SF)/c=1.705 61 μs.

(7)

方法根據(jù)同一輻射源的脈沖到達(dá)兩站的TDOA相同分選信號，與雷達(dá)信號的復(fù)雜程度無關(guān)，所以在這以常規(guī)脈沖信號和脈沖參差信號為例進(jìn)行分析。設(shè)輻射源A,B,C和D在一段時間內(nèi)持續(xù)發(fā)射PRI分別為119,143,162和186 μs的常規(guī)脈沖信號，輻射源E,F發(fā)射子周期分別為104和191 μs,97和172 μs的二參差脈沖信號。在信噪比為20 dB時，常規(guī)PRI信號和二參差脈沖信號仿真圖如圖4所示。

圖4 脈沖信號圖Fig.4 Pulse signal graph

利用該方法分選信號，必須使2個偵察接收機(jī)的距離很近(相對于接收機(jī)和輻射源之間的距離)，以保證在一段時間內(nèi)兩接收機(jī)能接收到同一串雷達(dá)信號，在實(shí)際應(yīng)用中很容易實(shí)現(xiàn)。雷達(dá)輻射源發(fā)射的脈沖信號在接收機(jī)中隨機(jī)交疊，通過計(jì)算機(jī)仿真模擬接收機(jī)接收到的雷達(dá)信號，在主站中截取同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)校正的信號(即扣除了固定遲延)。在信噪比為20 dB時，主站和副站接收信號的仿真圖如圖5所示。

利用恒比觸發(fā)法[11]對接收機(jī)內(nèi)的脈沖信號進(jìn)行整形，可得到高精度整形脈沖序列。在主站內(nèi)對經(jīng)過整形的脈沖序列進(jìn)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。本文在兩站之間提取TDOA的方式是基于統(tǒng)一信號的時差提取方式[12]，克服了多站系統(tǒng)中的時統(tǒng)誤差[13]，極大地提高了系統(tǒng)精度；副站信號轉(zhuǎn)發(fā)到主站的時間可以通過校正加以消除；測量脈沖TOA的方法[14]能做到高精度、實(shí)時測量，在目前硬件水平下，測量精度可以達(dá)到10-10s級；兩站之間提取TDOA和脈沖PRI提取的區(qū)別在于2個脈沖分別來自2個接收機(jī)，因此，必須考慮接收機(jī)的一致性誤差[15]，接收機(jī)的一致性誤差在目前的技術(shù)水平可以達(dá)到納秒量級。綜上所述，該方法的總誤差在納秒量級。

截取30 ms內(nèi)主站和副站接收的雷達(dá)信號，測量各脈沖的TOA，并利用TOA求取脈沖到達(dá)兩站的TDOA，在計(jì)算結(jié)果上加上接收機(jī)一致性誤差ξ，即為實(shí)際情況中的TDOA值。在圖3所示的布站模型，TDOA的最大值為Δt0=1×103/c=3.333 33 μs(當(dāng)且僅當(dāng)輻射源與兩站三點(diǎn)一線的位置)。設(shè)Δt=Δt0+0.011=3.344 33 μs(冗余考慮測量誤差為1 ns，接收機(jī)一致性誤差為10 ns)為判決門限，利用Matlab進(jìn)行仿真運(yùn)算，求解脈沖到達(dá)兩站的TDOA，其中ξ由計(jì)算機(jī)程序生成為規(guī)定范圍內(nèi)的誤差，輸出絕對值小于判決門限的TDOA值，仿真結(jié)果如圖6所示。

從仿真圖上可以看出，存在十幾個集中的TDOA值，但實(shí)際情況中應(yīng)該只存在6個集中TDOA值，即存在虛假的TDOA值，稱虛假的TDOA點(diǎn)為諧波點(diǎn)。如果按照將TDOA的不同直接分選，則會分選出十幾部雷達(dá)，即出現(xiàn)增批現(xiàn)象，所以必須作一定處理。考慮從最密集的TDOA值開始，把符合該TDOA的兩站的脈沖全部從脈沖序列中扣除；再從剩下的脈沖序列中按最密集的TDOA值開始分選，直至分選完畢。

對仿真圖6中從最密集的TDOA開始分選，設(shè)定容差tTDOA±0.011→tTDOA，將分選出來的脈沖從序列中扣除，直至所有的脈沖分選完畢。分選過程如圖7所示。

從仿真結(jié)果可以看出，從最密集的TDOA值逐次分選，隨著被分選出的脈沖越來越多，諧波點(diǎn)就越來越少，直至分選完畢，諧波點(diǎn)消失。所以，利用該方法分選信號，只要能測得脈沖的TOA，獲得TDOA，就能完成信號分選。

圖5 偵察接收站接收到的信號Fig.5 Signals received by reconnaissance receiving stations

圖6 脈沖TDOA求解仿真結(jié)果Fig.6 Simulation results of pulse TDOA solution

圖7 逐次分選結(jié)果Fig.7 Simulation results of successive sorting

4 結(jié)束語

本文在分析當(dāng)前雷達(dá)信號分選方法存在的問題的基礎(chǔ)上，提出了一種基于脈沖TDOA的雷達(dá)信號分選方法，然后介紹了該方法的基本原理和分選流程，最后通過計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了算法的可行性。

方法分選信號與信號形式無關(guān)，即對于脈沖信號具有普適性。但仍然存在有待完善的問題：一方面，方法根據(jù)同一輻射源的脈沖信號到達(dá)兩站的TDOA相同分選信號，提高TOA測量精度可以進(jìn)一步提高分選準(zhǔn)確性；另一方面，對于TDOA的求解結(jié)果每次只能分選出一個輻射源，實(shí)時性還有待提高。

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Radar Signal Sorting Method Utilising Pulse TDOA

ZHENG Hui-wen, HUANG Jian-chong

(Electronic Engineering Institute, Anhui Hefei 230037, China)

Aiming at the problem that the adaptability to signal form of traditional radar signal sorting methods are poor in complex signal environment， a new method of radar signal sorting is proposed，which is wildly applicable to radar pulse signal, by setting up two reconnaissance stations for receiving radar signal．Theoretical analysis and computer simulation indicate that this method is feasible and it can solve the problem of radar signal sorting in complex environment well．

radar signal sorting; time of arrival (TOA); time difference of arrival (TDOA); pulse repetition interval(PRI); cosine theorem; real time

2016-05-31；

2016-08-18 作者簡介：鄭惠文(1991-)，男，四川隆昌人。碩士生，主要研究方向?yàn)槔走_(dá)對抗信號處理。

10.3969/j.issn.1009-086x.2017.02.034

TN957.5;TP301.6;TP391.9

A

1009-086X(2017)-02-0217-06

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