雙站協(xié)同偵察雷達(dá)信號分選新方法

鄭惠文，黃建沖

（電子工程學(xué)院，合肥230037）

雙站協(xié)同偵察雷達(dá)信號分選新方法

鄭惠文，黃建沖

（電子工程學(xué)院，合肥230037）

針對復(fù)雜信號環(huán)境下雷達(dá)對抗情報(bào)偵察面臨的信號分選問題，提出一種基于雙站協(xié)同偵察的雷達(dá)信號分選新方法。根據(jù)不同位置雷達(dá)的脈沖信號到達(dá)兩個(gè)偵察接收站的時(shí)間差不同進(jìn)行信號分選。在滿足誤差的要求下，求解該方法的分選模糊區(qū)域，分析分選性能。調(diào)整布站，優(yōu)化分選性能，提高分選準(zhǔn)確性。理論分析和計(jì)算機(jī)仿真表明，該方法可以較好地解決制約雷達(dá)對抗情報(bào)獲取中的信號分選瓶頸難題。

雙站協(xié)同偵察，雷達(dá)信號分選，到達(dá)時(shí)間，分選模糊區(qū)域

0 引言

在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，隨著雷達(dá)體制越來越先進(jìn)，雷達(dá)對抗信號環(huán)境越來越復(fù)雜，雷達(dá)信號分選面臨著巨大的挑戰(zhàn)。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(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地完成信號分選，后續(xù)工作才有意義。目前，一些經(jīng)典的雷達(dá)信號分選方法在一定程度上解決了復(fù)雜信號環(huán)境下的信號分選問題，但都有一定局限性:動態(tài)關(guān)聯(lián)法［1］一般只適合分選PRI固定的雷達(dá)信號，對信號形式的適應(yīng)能力較差；累積差值直方圖法［2］（CDIF）需要將每個(gè)間隔的直方圖值及其兩倍值與門限作比較，只有二者均超過門限才開始檢索，耗費(fèi)大量時(shí)間；序列差值直方圖法［3］（SDIF）省略了CDIF算法的兩倍值與門限比較的步驟，但當(dāng)級數(shù)增加時(shí)，諧波信息的干擾就會變大，在抖動較大時(shí)會產(chǎn)生虛警信號；脈沖重復(fù)間隔（PRI）變換法［4］能很好地抑制諧波，但運(yùn)算量大且無法分選復(fù)雜體制雷達(dá)信號；改進(jìn)的PRI變換算法［5］運(yùn)算量也非常大，同樣無法分選PRI參差信號；平面變換法［6］能分選各種復(fù)雜體制雷達(dá)信號，但是仍然計(jì)算量巨大且經(jīng)驗(yàn)參數(shù)較難確定。

至今為止，還沒有一種可以很好地適應(yīng)復(fù)雜信號環(huán)境的信號分選方法，探索新分選方法的腳步不能停止。本文針對當(dāng)前雷達(dá)信號分選面臨的問題，打破常規(guī)單偵察接收機(jī)偵察分選雷達(dá)信號的思路，提出一種雙站協(xié)同偵察雷達(dá)信號分選新方法，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜信號環(huán)境下雷達(dá)信號的準(zhǔn)確分離，對獲取正確、完整的雷達(dá)對抗偵察情報(bào)意義重大。

1 基本原理和實(shí)現(xiàn)流程

雙站協(xié)同偵察雷達(dá)信號分選方法的基本原理是設(shè)立兩個(gè)偵察接收站，通過測量雷達(dá)輻射源的脈沖信號到兩偵察接收站的到達(dá)時(shí)間（TOA），將兩個(gè)TOA相減，獲取到達(dá)時(shí)間差（TDOA），根據(jù)同一輻射源的脈沖信號到達(dá)兩站的TDOA相同，不同輻射源的脈沖信號到達(dá)兩站的TDOA不同完成信號分選。不管雷達(dá)脈沖多么復(fù)雜，只要能測得脈沖的TOA，提取到TDOA，就能成功分選。該方法的具體分選流程如圖1所示。

圖1 雙站協(xié)同偵察雷達(dá)信號分選流程圖

設(shè)立主、副兩個(gè)偵察接收站，假設(shè)一段時(shí)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TOA測量和快速測頻、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)器提取到達(dá)延時(shí)，得到TDOA。若接收到的信號來自到N部雷達(dá)，脈沖相關(guān)器就會輸出N個(gè) TDOA值，根據(jù)TDOA的不同對脈沖序列分組，每一組信號就是一部雷達(dá)發(fā)射的信號，最后按TOA從小到大的順序輸出各組脈沖，完成信號分選。

2 仿真分析

為了驗(yàn)證雙站協(xié)同偵察雷達(dá)信號分選方法的可行性，本文以7個(gè)輻射源為例進(jìn)行分析并仿真驗(yàn)證。如圖2所示，預(yù)先固定主站和副站，假設(shè)主、副站的距離為1 km，兩接收機(jī)通過光纖連接，光纖長度為1 km（由于地勢等原因可能會造成光纖的實(shí)際長度大于1 km，但光纖總長度可以事先測量，在這假設(shè)為直線連接）。以主站為原點(diǎn)，主、副站連線的延長線為X軸作直角坐標(biāo)系。用極坐標(biāo)形式表示7個(gè)輻射源的位置:A（115，117°），B（125，98°），C（90，80°），D（130，66°），E（120，59°），F(xiàn)（100，45°），G（140，45°）。

圖2 雷達(dá)輻射源與偵察接收站的相對位置圖

在主站、副站和輻射源A構(gòu)成的三角形中，已知輻射源A到主站、副站到主站以及兩邊的夾角，由余弦定理可以計(jì)算出輻射源A到副站的距離SA:

副站接收到的信號要轉(zhuǎn)發(fā)到主站進(jìn)行參數(shù)測量，由于主站和副站相距1 km，所以這些信號實(shí)際傳輸了（115.465 29+1）km，但在實(shí)際過程中可以將信號從副站轉(zhuǎn)發(fā)到主站所需的時(shí)間扣除，故在計(jì)算信號到達(dá)兩站的時(shí)間差時(shí)不將其考慮在內(nèi)。所以，輻射源A的脈沖信號到達(dá)主站和副站的TDOA的理論值為:

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

雙站協(xié)同偵察雷達(dá)信號分選方法利用不同位置輻射源的脈沖信號到達(dá)兩偵察接收站的TDOA不同分選信號，只要能測得脈沖的TOA參數(shù)，提取到TDOA信息，就能成功分選出各部雷達(dá)信號，即采用該方法分選信號只與脈沖的TOA有關(guān)而與雷達(dá)信號的復(fù)雜程度無關(guān)，故在這以常規(guī)脈沖信號和脈沖參差信號為例進(jìn)行分析。假設(shè)一段時(shí)間內(nèi)輻射源A、B持續(xù)發(fā)射子周期分別為120 μs和190 μs、110 μs和200 μs的二參差脈沖信號，輻射源C、D、E、F、G發(fā)射PRI分別為160 μs、150 μs、130 μs、140 μs、120 μs的常規(guī)脈沖信號。在信噪比為20 dB時(shí)，二參差脈沖信號和常規(guī)PRI信號仿真圖，如圖3所示。

圖3 脈沖信號圖

利用兩個(gè)偵察接收站來偵察雷達(dá)對抗情報(bào)，由于兩站的距離很近（相對于接收機(jī)和輻射源之間的距離而言），在實(shí)際應(yīng)用中很容易讓兩接收機(jī)接收到同一串脈沖信號。信號環(huán)境中所有輻射源的脈沖信號在接收機(jī)中隨機(jī)混疊，用計(jì)算機(jī)模擬截取同一段時(shí)間（1 ms）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。截取信號的仿真圖，如圖4所示。

對接收到的脈沖序列進(jìn)行高精度脈沖整形［7］，得到的脈沖序列如圖5所示。

圖4 接收脈沖信號圖

圖5 高精度整形的脈沖信號圖

脈沖序列在主站內(nèi)完成脈沖整形、TOA和其他參數(shù)測量后，輸出兩組全脈沖參數(shù)，并對兩組全脈沖參數(shù)進(jìn)行時(shí)差提取。若信號轉(zhuǎn)發(fā)、參數(shù)測量過程都不存在誤差，則圖5中各脈沖的TOA值可認(rèn)為是真實(shí)TOA值，但在實(shí)際情況中需要考慮以下誤差:①副站信號轉(zhuǎn)發(fā)到主站的時(shí)間可以通過校正加以消除；②基于內(nèi)插采樣法［8］測量脈沖TOA的PRI提取精度在目前硬件水平下優(yōu)于百皮秒；③雙站間提取TDOA采取基于統(tǒng)一信號的時(shí)差提取方式［9］，克服了多站系統(tǒng)中的時(shí)統(tǒng)［10］誤差；④雙站間提取TDOA和脈沖的PRI提取的區(qū)別在于兩個(gè)脈沖來自不同接收機(jī)，因此，必須考慮接收機(jī)的一致性誤差［11］，接收機(jī)的一致性誤差在目前的技術(shù)水平可達(dá)納秒量級。綜上所述，雙站協(xié)同偵察雷達(dá)信號分選方法總的測量誤差在納秒量級。測出圖5中主站和副站接收脈沖的TOA值如表1和下頁表2所示。

表1 主站各脈沖TOA值

利用主站和副站各脈沖的TOA求取TDOA時(shí)，必須在計(jì)算結(jié)果上加上接收機(jī)一致性誤差σ。主站和副站之間的距離為1 km，則理論上平面內(nèi)輻射源發(fā)射的信號到達(dá)主站和副站的時(shí)間差最大為Δt0=1× 103/c≈3.333 33 μs，即當(dāng)且僅當(dāng)輻射源與兩偵察接收站三點(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仿真運(yùn)算，其中σ由計(jì)算機(jī)在規(guī)定范圍內(nèi)生成。輸出絕對值小于判決門限的TDOA值，仿真結(jié)果如下頁圖6所示。

在-1.524 77、-0.476 94、0.560 83、1.345 06、1.706 55、2.35 μs周圍出現(xiàn)大量的點(diǎn)，這些點(diǎn)就對應(yīng)著各脈沖信號TDOA。此外圖中還出現(xiàn)少數(shù)孤立的點(diǎn)，這是由于某些輻射源發(fā)射的脈沖到達(dá)兩個(gè)接收站的時(shí)間非常接近造成的，即這些零散分布的點(diǎn)為虛假TDOA。

表2 副站各脈沖TOA值

圖6 脈沖TDOA仿真結(jié)果

本例分選的是7個(gè)輻射源，理論上應(yīng)存在7個(gè)TDOA值，但仿真圖上只出現(xiàn)了6個(gè)TDOA值，這說明其中兩個(gè)輻射源的TDOA相等或非常接近，即出現(xiàn)了分選漏批現(xiàn)象。兩種情況會造成分選漏批:一是有兩個(gè)輻射源在同一平臺或雷達(dá)陣地上；二是有一個(gè)輻射源在另一個(gè)輻射源的分選模糊區(qū)域內(nèi)。對于第1種情況，同平臺或同陣地的幾部雷達(dá)為了能減小相互間的影響，各信號的參數(shù)區(qū)別較大，采用常規(guī)的信號分選方法即可將其分離；對于第2種情況，則需要找出雷達(dá)輻射源的分選模糊區(qū)域，通過調(diào)整布站使另一個(gè)輻射源移出該輻射源的分選模糊區(qū)域。

3 分選模糊區(qū)域分析

如圖7所示，預(yù)先固定主站和副站，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，以第一象限為例分析雷達(dá)輻射源和偵察接收站的相對位置與信號到達(dá)兩站的TDOA的關(guān)系，根據(jù)誤差要求，求解分選模糊區(qū)域。

圖7 雷達(dá)輻射源與偵察接收站的相對位置關(guān)系

當(dāng)雷達(dá)脈沖信號到達(dá)兩站的TDOA非常接近時(shí)，由于實(shí)際情況中存在誤差的原因使得這些TDOA混在一起，被誤判為一個(gè)TDOA，在分組時(shí)將兩個(gè)相近TDOA對應(yīng)的脈沖劃分到一組脈沖序列中，造成分選漏批，在仿真圖中表現(xiàn)為TDOA點(diǎn)重疊或幾乎在一條線上。

圖7中，副站坐標(biāo)為（a，0°），輻射源在50 km～150 km圓環(huán)陰影區(qū)域內(nèi)。以區(qū)域內(nèi)兩個(gè)輻射源為例進(jìn)行分析:輻射源A的坐標(biāo)為（R，α），輻射源B的坐標(biāo)為（H，θ），所以輻射源A、B發(fā)射的信號到達(dá)兩站的TDOA分別為:

其中，c為電磁波在真空中的傳播速度，tw為雙站協(xié)同偵察分選系統(tǒng)的總誤差。只要兩TDOA的差值大于系統(tǒng)總誤差的兩倍2tw，就能夠?qū)蓚€(gè)TDOA區(qū)分開；相反，若兩TDOA的差值小于2tw，該系統(tǒng)就無法區(qū)分兩個(gè)TDOA。將這個(gè)無法區(qū)分兩個(gè)TDOA的區(qū)域定義為分選模糊區(qū)域，即該區(qū)域滿足:

副站坐標(biāo)（a，0°）可以事先確定，故式（11）只與輻射源與偵察接收站距離和與X軸的夾角有關(guān)。已知系統(tǒng)總誤差tw在納秒量級，理論上tmin大于等于2tw即可成功分選，考慮到實(shí)際情況中存在偶然誤差，所以冗余考慮tmin=30 ns作為分選模糊區(qū)域的邊界條件。

在圖7所設(shè)定的布站模型，給定條件:主站和副站相距1 km，輻射源A距離主站的距離R為100 km，α分別為0°、10°、20°…90°時(shí)，輻射源B在圖7中陰影區(qū)域內(nèi)的任意位置，即H∈（50，150），θ∈（0°，90°）。則（100，0°），（100，10°），…，（100，90°）這10個(gè)點(diǎn)的分選模糊區(qū)域滿足:

為了直觀地體現(xiàn)角度和距離與分選模糊區(qū)域的關(guān)系，將分選模糊區(qū)域仿真到三維圖上進(jìn)行分析，仿真結(jié)果如圖8所示。

圖8 分選模糊區(qū)域仿真圖

在平面tmin=30 ns以上的區(qū)域?yàn)榭煞诌x的區(qū)域，在該平面以下的區(qū)域即為分選模糊區(qū)域。在圖中可以看出，脈沖到達(dá)兩站的TDOA受角度變化的影響較大。分選模糊區(qū)域比可分選區(qū)域小得多，所以該方法的分選性能較好。

在TDOA的仿真圖中，當(dāng)某一TDOA值上出現(xiàn)較為密集的點(diǎn)，那么就很可能有輻射源在其他雷達(dá)輻射源分選模糊區(qū)域內(nèi)。在圖6中，輻射源F對應(yīng)的TDOA上的點(diǎn)明顯比較密集，將輻射源F的坐標(biāo)（100，45°）代入式（12），得:

在陰影區(qū)域內(nèi)，利用Matlab仿真求解輻射源F的分選模糊區(qū)域，仿真結(jié)果如圖9所示。

圖9 輻射源F的分選模糊區(qū)域

仿真圖中兩條線之間的帶狀區(qū)域?yàn)檩椛湓碏的分選模糊區(qū)域，輻射源G確實(shí)存在于輻射源F的分選模糊區(qū)域內(nèi)，即采用圖2設(shè)定的布站模型無法區(qū)分輻射源F和G發(fā)出的脈沖信號，該結(jié)論與圖6的仿真結(jié)果一致，所以此時(shí)需要調(diào)整布站。

偵察接收站和輻射源的距離相對于主站和副站的距離很遠(yuǎn)，調(diào)整坐標(biāo)的方向，分選模糊區(qū)域變化很??；增大主站和副站之間的距離可以使分選模糊區(qū)域發(fā)生較大變化，但是又必須要保證主、副站接收到同一串脈沖信號。因此，改變坐標(biāo)軸方向和增大站間距都不是明智之舉。本文考慮保持現(xiàn)有的坐標(biāo)方向，將主、副站同時(shí)向右平移30 km，如圖10所示。

圖10 調(diào)整布站后輻射源與偵察接收站的相對位置關(guān)系

經(jīng)過調(diào)整之后的主站坐標(biāo)為（30，0°），副站坐標(biāo)為（31，0°）。所以，此時(shí)輻射源F到達(dá)主站和副站的距離分別為:

將式（14）、式（15）代入式（11），即新布站模型下輻射源F的分選模糊區(qū)域滿足:

利用Matlab重新求解輻射源F的分選模糊區(qū)域，仿真結(jié)果如圖11所示。

圖11 調(diào)整布站后輻射源F的分選模糊區(qū)域仿真圖

從仿真圖上可以看出，經(jīng)過調(diào)整的布站模型求解輻射源F的分選模糊區(qū)域時(shí)，輻射源G已經(jīng)移出了輻射源F的分選模糊區(qū)域，即通過調(diào)整布站能夠?qū)⒃瓉頍o法分離的輻射源脈沖信號分離開，提高了分選準(zhǔn)確性。

經(jīng)過兩次分選就能夠獲取各部雷達(dá)完整的脈沖序列，再提取各脈沖的其他特征，形成雷達(dá)描述字，根據(jù)TDOA的不同將脈沖序列分組，按TOA從小到大的順序輸出，每一組信號就是一個(gè)輻射源發(fā)射的信號，完成信號分選。

4 結(jié)論

本文提出了一種新的雷達(dá)脈沖信號分選方法，該方法利用兩個(gè)偵察接收站偵察雷達(dá)對抗情報(bào)，打破了常規(guī)的單偵察接收機(jī)偵察分選雷達(dá)信號的思路。采用該方法分選雷達(dá)信號，只要能測得脈沖的TOA參數(shù)，提取到TDOA信息，就能成功分選，較好地克服了復(fù)雜體制雷達(dá)信號給信號分選帶來的難題。根據(jù)誤差要求，設(shè)立邊界條件，求解分選模糊區(qū)域，仿真結(jié)果顯示分選模糊區(qū)域較小，即該方法的分選效果較好。最后通過調(diào)整布站，移動分選模糊區(qū)域，使無法分離的輻射源脈沖信號分離開，進(jìn)一步提高了分選準(zhǔn)確性。

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A New Method of Radar Signal Sorting Based on Dual-station Cooperative Reconnaissance

ZHENG Hui-wen，HUANG Jian-chong
（Electronic Engineering Institute，Hefei 230037，China）

Aiming at the problem of signal sorting of radar countermeasure reconnaissance in complex signal environment，this paper proposes a new method of radar signal sorting based on dualstation cooperative reconnaissance，which can sort signal according to time difference of arrival is different of the pulse signal of radars to two stations in different position.To find the fuzzy area and analyze the effect of sorting in the condition of error requirements.Adjusting the station distribution to optimize the sorting performance andto improve the sorting accuracy.Theoretical analysis and computer simulation indicate that this method can effectively solve the problems restricting the signal sorting in radar countermeasure intelligence acquisition.

dual-station cooperative reconnaissance，radar signal sorting，TOA，fuzzy area of sorting

TN957.51

A

1002-0640（2017）04-0085-06

2016-03-04

2016-04-25

鄭惠文（1991-），男，四川內(nèi)江人，碩士研究生。研究方向：雷達(dá)對抗信號處理。