脈沖雷達(dá)輻射源個體識別系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

丁 健,盛驥松,鄭俊兮,柴 恒

(1.武警部隊研究院,北京 100012;2.中國船舶集團(tuán)有限公司第八研究院,江蘇 揚州 225101)

0 引 言

雷達(dá)輻射源個體識別是戰(zhàn)場電磁態(tài)勢感知和電子偵察設(shè)備的主要功能之一。通過個體識別能夠?qū)崿F(xiàn)對雷達(dá)輻射源的個體區(qū)分及其平臺的識別,因此能夠準(zhǔn)確詳細(xì)地分析威脅目標(biāo)的作戰(zhàn)部署和作戰(zhàn)能力[1-3]。雷達(dá)輻射源個體識別是電磁態(tài)勢感知的子功能,它在電磁態(tài)勢感知中的定位如圖1所示。

圖1 輻射源個體識別的定位

隨著雷達(dá)技術(shù)的不斷發(fā)展,大量新型雷達(dá)輻射源得到了廣泛應(yīng)用,使得現(xiàn)代海戰(zhàn)場電磁環(huán)境展現(xiàn)出載頻/重頻參數(shù)交疊、突發(fā)傳輸和脈沖密度更高的趨勢,因此采用傳統(tǒng)參數(shù)分析的態(tài)勢感知技術(shù)已經(jīng)難以適應(yīng)現(xiàn)代密集復(fù)雜電磁環(huán)境下的輻射源分析和識別需求。

1 脈沖雷達(dá)輻射源各域特征范圍

雷達(dá)輻射源個體識別通常采用特征參數(shù)提取、建立特征數(shù)據(jù)庫和通過數(shù)據(jù)庫對比的方式完成。根據(jù)經(jīng)典的參數(shù)測量理論,參數(shù)的可信測量需要參數(shù)測量系統(tǒng)的精度要高于被測量系統(tǒng)一個量級以上。雷達(dá)輻射源個體識別的特征維度由脈沖包絡(luò)特征、基準(zhǔn)時鐘頻率、脈內(nèi)頻率調(diào)制曲線等組成。脈沖包絡(luò)等特征參數(shù)典型值及基準(zhǔn)時鐘頻率精度如表1所示。

表1 個體特征典型值

為高保真接收和測量個體特征,個體識別接收系統(tǒng)的指標(biāo)要達(dá)到上述相關(guān)指標(biāo)的10倍以上,才能夠準(zhǔn)確接收和測量上述雷達(dá)輻射源個體特征。

2 個體識別接收與采樣系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)上述分析和系統(tǒng)設(shè)計折中,個體識別微波系統(tǒng)需采用銣鐘或更高精度的基準(zhǔn)時鐘系統(tǒng),且保證采樣系統(tǒng)的時鐘來自于銣鐘基準(zhǔn)。

圖2的接收系統(tǒng)和采樣系統(tǒng)能滿足以下基本約束:

圖2 個體識別接收與采樣系統(tǒng)原理框圖

(1)所有的本振都鎖定于銣鐘基準(zhǔn);

(2)濾波器的頻率響應(yīng)在全帶寬內(nèi)盡可能平坦;

(3)AD采樣位數(shù)足夠高(12 bit),能保證足夠的瞬時動態(tài)范圍;

(4)本振的相噪盡可能低。

3 信號處理系統(tǒng)的設(shè)計

雷達(dá)輻射源個體識別信號處理系統(tǒng)包含信號檢測、參數(shù)粗測量、信號分選、個體特征提取、個體特征建庫、個體識別等功能。其流程如圖3所示。

圖3 個體信號處理系統(tǒng)原理框圖

雷達(dá)信號檢測需要在實時性高、能夠并行處理的現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)內(nèi)實現(xiàn),且不能采用偵察系統(tǒng)常用的信道化檢測方法進(jìn)行。一般采用快速傅里葉變換能量檢測法或延時相關(guān)檢測方法。延時相關(guān)檢測方法和信道化檢測方法的優(yōu)劣在文獻(xiàn)[4]中進(jìn)行了詳細(xì)的仿真和實測證明。通過2種方法的比較證明延時相關(guān)檢測方法適用于個體識別的信號檢測。

除信號檢測外的所有信號處理工作都可以在通用處理器內(nèi)完成。通用處理器可以采用至強(qiáng)處理器或?qū)Ｓ玫臄?shù)字信號處理(DSP)芯片。由于通用處理器主頻、信號處理算法庫及多核多線程能力的提升,至強(qiáng)/飛騰處理器能夠滿足系統(tǒng)的高速處理需求。專用信號處理器一般無法滿足大型識別數(shù)據(jù)庫的需求,需要采用專用信號處理器+通用處理器的混合架構(gòu),由通用處理器完成識別數(shù)據(jù)庫的管理及個體識別等工作。

因此,個體識別信號處理需要配置2塊交叉連接設(shè)備(VPX)信號處理板卡,其中一塊負(fù)責(zé)中頻信號的高精度數(shù)模轉(zhuǎn)換、信號檢測和數(shù)據(jù)緩存;另一塊完成參數(shù)測量、個體特征提取及個體識別工作。

4 個體特征提取及試驗驗證

雷達(dá)輻射源個體特征提取是個體識別系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵。本文采用正交變換法計算脈沖包絡(luò)特征、Kay均值方法計算雷達(dá)脈內(nèi)調(diào)制特征并開發(fā)了一種針對相參信號的頻率指紋[5]和重復(fù)間隔指紋的提取方法。通過上述三域指紋能夠滿足多個同型輻射源個體識別的需求,并進(jìn)行了內(nèi)外場驗證。導(dǎo)航雷達(dá)特別是中大型平臺的導(dǎo)航雷達(dá)承擔(dān)著部分預(yù)警、氣象等功能,因此越來越向著相參體制發(fā)展。針對相參體制的雷達(dá)可以利用其相參特性提取精細(xì)的頻率及重頻特征。

(1)相參信號的頻率指紋提取

相參信號的頻率估計算法如下:首先估計每一個脈沖的載頻,基于脈沖信號的相參特性,多脈沖聯(lián)合進(jìn)行更高精度的頻率估計;最后所有被采集的脈沖信號用于獲得最高精度的頻率估計。以單音信號為例進(jìn)行算法的論述,調(diào)制信號的估計需要首先進(jìn)行調(diào)制參數(shù)估計工作,然后進(jìn)行去調(diào)制工作,轉(zhuǎn)化為單音信號的載頻估計問題。

單音信號的模型為:

z(n+Kp)=Aej(φ0+(n+Kp)2πfΔ)+ε(n+Kp)

(1)

式中:n為采樣點序號,n=0,1,…,N-1,N為每一個脈沖的采樣點數(shù);Kp為第p個脈沖的第k個采樣點,p為脈沖序號,p=0,1,…,P-1,P為單次觀測的總脈沖數(shù);A為脈沖幅度;φ0為脈沖的初始相位;Δ為脈沖采樣間隔;ε(n)為高斯白噪聲。

解模糊過程為將模糊相位轉(zhuǎn)換為非模糊相位的過程,解模糊后第p個脈沖相位表示為:

(2)

式中:f為載頻。

估計每一個脈沖的載頻和估計誤差,式(2)可以重新寫成向量表達(dá)形式:

φp=Bpθp+up

(3)

θp可以采用最小二乘方法進(jìn)行估計,估計表達(dá)式為:

(4)

P個脈沖頻率估計平均后得到最終的頻率估計,表達(dá)式為:

(5)

根據(jù)載頻估計的精度,所有的采樣脈沖數(shù)據(jù)被分為Q段,每一段包含P′段,如圖4所示。

圖4 脈沖分組示意圖

φq,i(n+Ki)=φq,i(n)+2kq,iπ

(6)

類似于第一階段頻率估計方法,對θq的估計表達(dá)式為:

(7)

(8)

更高精度的頻率估計可以通過平均Q組的頻率估計值獲得。最終可以獲得載頻及其方差的估計。針對3個同型羅德施瓦茨公司的信號源的頻率估計與真值誤差值如圖5所示。

圖5 3個同型輻射源載頻誤差測試

(2)試驗驗證

內(nèi)場驗證時采用2臺8267D矢量信號源、1臺E4438C信號源。針對信號源的測試結(jié)果為包絡(luò)特征和脈內(nèi)調(diào)制特征難以區(qū)分上述3部信號源。通過高精度頻率指紋和重復(fù)間隔指紋可以穩(wěn)定區(qū)分3部信號源。3部信號源的特征分布如圖6所示。

圖6 信號源的頻率和重頻指紋

針對真實雷達(dá)的測試采用外場測試方法進(jìn)行,提取了2部雷達(dá)的前沿特征、脈內(nèi)調(diào)制特征和高精度重復(fù)間隔特征。

2部雷達(dá)的前沿特征如圖7所示。2部雷達(dá)脈內(nèi)調(diào)制曲線特征[6]如圖8所示。2部雷達(dá)前沿特征與重復(fù)間隔特征的分布如圖9所示。

圖7 2部雷達(dá)的前沿特征

圖8 2部雷達(dá)脈內(nèi)調(diào)制特征

圖9 2部雷達(dá)前沿特征與重復(fù)間隔特征分布圖

通過上述試驗驗證,個體特征提取模塊提取的雷達(dá)輻射源個體特征有效,能夠有效區(qū)分脈沖體制的雷達(dá)輻射源。

5 導(dǎo)航雷達(dá)個體識別

未來輻射源個體識別的重要目標(biāo)是安裝在商船和許多游艇上的商用導(dǎo)航雷達(dá)。對于許多應(yīng)用程序來說,將發(fā)射器與給定的平臺關(guān)聯(lián)起來并隨后重新識別發(fā)射器及其載體平臺的能力是一個重要屬性。導(dǎo)航雷達(dá)帶來了許多重要而困難的挑戰(zhàn)。

首先,已經(jīng)建造了大量這樣的雷達(dá),而且每天都有更多的雷達(dá)出現(xiàn),單是數(shù)據(jù)處理問題就可能是巨大的。第二,經(jīng)典的雷達(dá)參數(shù)(頻率、脈寬、脈沖重復(fù)間隔、掃描速率等)是非常相似的(無論哪個制造商)。因此,經(jīng)典的雷達(dá)參數(shù)甚至不能幫助獲得初始型號識別。第三,每個雷達(dá)至少有2種,偶爾有3種工作模式。至少,在港口短距離操作時采用短脈沖寬度(80～160 ns)模式,在海上操作時采用較長脈沖寬度(550～1 000 ns)模式。這些模式使收集和再識別問題復(fù)雜化,因為它們提供了非常不同的脈內(nèi)特性。

眾多的目標(biāo)對象、經(jīng)典參數(shù)集中在一定范圍內(nèi)且不穩(wěn)定、雷達(dá)在港口和遠(yuǎn)海工作于多個模式和脈內(nèi)調(diào)制特征類似是導(dǎo)航雷達(dá)面臨的4個重要問題。因此,傳統(tǒng)的個體識別解決方案是不夠的,需要更加復(fù)雜的個體識別方案。

首先,在數(shù)據(jù)采集和處理時,必須非常謹(jǐn)慎,保證建庫數(shù)據(jù)的真實性,否則這種錯誤將是災(zāi)難性且不可恢復(fù)的。必要時需要實時的船舶自動識別系統(tǒng)(AIS)及其他識別信息進(jìn)行支撐,排除非關(guān)注目標(biāo),并對關(guān)注目標(biāo)進(jìn)行跟蹤,學(xué)習(xí)并建庫確認(rèn)。

其次,所有可用的射頻信息必須仔細(xì)測量和存儲。保證導(dǎo)航雷達(dá)的算法具備擴(kuò)展性,在不能夠進(jìn)行區(qū)分時,通過在線的特征選擇和事后的算法升級保證個體識別的性能。

最后,必須構(gòu)建魯棒識別決策樹,以便根據(jù)識別證據(jù)做出關(guān)于匹配的最終決定。

圖10給出了一個導(dǎo)航雷達(dá)個體識別的原理框圖。通過綜合識別系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)環(huán)境中關(guān)注的未識別目標(biāo),并對其進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,通過對中頻數(shù)據(jù)的參數(shù)測量分析,給出雷達(dá)的重頻特征、脈寬、波束形狀和掃描速度等,并識別出導(dǎo)航雷達(dá)的工作模式。接著提取雷達(dá)的無意調(diào)制特征,并結(jié)合識別可靠性因子和該模式下的雷達(dá)導(dǎo)航雷達(dá)個體特征庫,識別出雷達(dá)輻射源個體,上報作戰(zhàn)系統(tǒng)。

圖10 導(dǎo)航雷達(dá)個體識別框圖

6 導(dǎo)航雷達(dá)實測驗證

對2部導(dǎo)航雷達(dá)進(jìn)行保真數(shù)字采樣,分別采用包絡(luò)特征和瞬時頻率特征進(jìn)行個體識別。2部導(dǎo)航雷達(dá)的上述兩維特征如圖11所示。

圖11 2部雷達(dá)的包絡(luò)和時頻特征對比圖

通過將兩維特征輸入到1 000×200×2的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練和識別,最終的識別準(zhǔn)確率為82.3%。

7 結(jié)束語

本文針對脈沖體制雷達(dá)輻射源的個體識別分析了接收系統(tǒng)和處理系統(tǒng)的需求,提出了射頻接收系統(tǒng)和信號處理系統(tǒng)的設(shè)計方案;并針對提出的包絡(luò)、脈內(nèi)調(diào)制特征、高精度載頻和重復(fù)間隔特征方法進(jìn)行了內(nèi)外場驗證,驗證了個體識別系統(tǒng)設(shè)計的可行性;針對導(dǎo)航雷達(dá)的個體識別問題,分析了導(dǎo)航雷達(dá)個體識別面臨的問題,并針對性地提出了個體識別的方案。