一種基于配對定位的脈沖分選新技術(shù)

呂新正，劉和周，王啟智

(中國電子科技集團公司第38研究所，安徽 合肥 230000)

·工程應(yīng)用·

一種基于配對定位的脈沖分選新技術(shù)

呂新正，劉和周，王啟智

(中國電子科技集團公司第38研究所，安徽 合肥 230000)

如何實現(xiàn)復雜多參數(shù)捷變雷達信號的脈沖分選,一直是雷達對抗領(lǐng)域的一個十分重要的研究課題。提出了一種基于脈沖配對定位的新方法，解決了多參數(shù)捷變雷達的脈沖分選問題，詳細分析了基于配對定位的脈沖分選的實現(xiàn)過程，并通過仿真試驗進行了驗證，試驗證明基于配對定位的分選方法可以提高脈沖分選的性能，同時可以解決多參數(shù)捷變雷達的脈沖分選問題。

脈沖分選；配對定位；多參數(shù)捷變

0 引言

雷達截獲系統(tǒng)的作用是截獲一定頻域和空域范圍內(nèi)的雷達輻射源信號并確定其特征。如何在密集的電磁環(huán)境中正確地分離出各雷達輻射源信息，得到正確的參數(shù)，實時地識別、告警，正確引導反輻射導彈進行攻擊或干擾系統(tǒng)進行干擾就顯得越來越重要。而信號分選在偵察引導系統(tǒng)設(shè)備中是重要的組成部分之一，信號分選的正確與否直接關(guān)系到偵察設(shè)備的性能指標。從目前的信號分選技術(shù)來看，一般將信號分選分兩級處理，先根據(jù)到達方向(DOA)、載頻等參數(shù)對雷達信號進行預分選，再利用脈沖重復間隔(PRI)對信號進行進一步分選。但是利用載頻的預分選無法實現(xiàn)捷變頻雷達的分選。隨著雷達技術(shù)的發(fā)展，為了實現(xiàn)低截獲，脈間捷變(包括頻率、重頻、脈寬的捷變)得到大量的應(yīng)用，傳統(tǒng)的直方圖方法很難完成分選。本文通過分析，采用脈沖配對定位的方法，很好地解決了捷變雷達的分選問題。

本文重點分析了脈沖配對定位的方法，實現(xiàn)了脈沖的配對和聚類，并通過仿真試驗的方式對傳統(tǒng)分選方法和新方法進行了比較。從仿真的結(jié)果可以看出，脈沖配對定位的分選方法極大提高了系統(tǒng)的性能，同時解決了傳統(tǒng)分選方法無法解決的多參數(shù)捷變雷達的問題。

1 脈沖配對定位的方法

脈沖配對定位是通過兩個接收機來完成的。雷達偵察接收機接收到的信號經(jīng)過AD采樣后進入偵察信號處理，信號處理經(jīng)過信道化和參數(shù)測量后形成脈沖描述字送入到脈沖分選處理，因此參數(shù)測量的脈沖描述字作為脈沖分選的輸入，其精度直接影響后續(xù)脈沖分選的性能。對于單站接收機來說，參數(shù)測量的精度與目標距離接收站的距離直接相關(guān)，而雙站則可通過配對后參數(shù)的對應(yīng)關(guān)系，進一步提高參數(shù)測量的精度。

設(shè)兩站接收機示意圖如圖1所示，A、B為相距D的兩個接收站，目標C到兩個站的距離分別為X、Y，兩站測得的方位角分別為α、β。

圖1 兩站接收機示意圖

接收機A、B接收到的脈沖經(jīng)過信號處理后得的脈沖描述字分別為PDWA{TOAa,Fa,PWa,PAa,DOAa}，PDWB{TOAb,Fb,PWb,PAb,DOAb}，對于同一脈沖來說，脈沖的頻率和脈寬應(yīng)該是相同的，而方位和到達時間差是有一定關(guān)系的?？梢愿鶕?jù)圖1的接收關(guān)系建立如下的三角函數(shù)關(guān)系：

Y/sinα=X/sinβ=D/sin(β-α)

(1)

進一步可得到：

X-Y=(sinβ-sinα)(D/sin(β-α))=

(cos((β+α)2-1)/cos((β-α)2-1))D

(2)

式(2)給出了目標源到兩個接收站的距離差，從而可以得出兩站測量的到達時間關(guān)系有：

TOAa-TOAb=(X-Y)/c

(3)

(4)

從上面的分析可以看出，配對定位首先根據(jù)兩站測量的方位來計算目標到達兩站時間差，然后在時間差范圍內(nèi)進行搜索匹配，因此兩站測量時間差對本算法影響較大。下面重點分析影響兩站到達時間差測量的各種因素，主要包括：通道不一致、兩站系統(tǒng)時間不同步以及高重頻帶來的配對模糊問題。

配對定位采用的是兩套偵察接收機，雖不能保證兩套系統(tǒng)的通道完全一致，但可以對兩套系統(tǒng)分別標校，確保兩套系統(tǒng)的參數(shù)測量精度一致。由于兩站獨立工作，不能保證兩站的偵察起始時間一致，需要對PDW進行訓練，計算真實的延遲時間，具體做法是：在兩站PDW中尋找多個幅度較大的PDW，當它們的脈寬、頻率、方位相同時，根據(jù)上述分析，計算到達時間差，以其中一個站為參考，計算另一站的到達時間，對另一站所有到達時間進行修正，從而實現(xiàn)時間對齊。當目標距離兩站的時間差為幾個微秒時，如果目標是高重頻信號，脈沖之間的間隔也只有幾個微秒，因此在可能的到達時間差區(qū)域內(nèi)存在多個脈沖，這就導致匹配的模糊問題。由于配對處理對脈沖分選只是預處理，因此可以將多個配對的脈沖均提取出來，由于后續(xù)脈沖分選的精度較高，配對的模糊問題對脈沖分選沒有影響。

綜上所述，對于同一個輻射源發(fā)出的脈沖信號，可以利用兩站參數(shù)測量的方位角精確地估計出脈沖到兩站的時間差，再加上脈沖信號的頻率和脈寬，可以實現(xiàn)脈沖的精確配對。具體配對算法如下：

1)選擇幅度較大的PDW計算到達時間基準延時，對到達時間進行修正；

2)根據(jù)DOAa、DOAb來計算脈沖到達兩站的時間差；

3)根據(jù)參數(shù)測量的測量誤差計算可能的到達時間差區(qū)域；

4)根據(jù)頻率、脈寬在到達時間區(qū)域進行搜索，進行脈沖配對；

5)根據(jù)信號源較近的脈沖參數(shù)測量精度更高的原則，對配對成功的PDW進行參數(shù)修正，從而得到高精度的參數(shù)測量結(jié)果。

2 脈沖配對定位的聚類方法

經(jīng)過配對定位的脈沖參數(shù)配對后，剔除了很多無意干擾的脈沖描述字，為了進一步提取目標信息，需要進行脈沖分選。為了實現(xiàn)復雜環(huán)境下密集目標的分選，需要對接收到的脈沖描述字進行聚類分析。

對于單站偵察系統(tǒng)來說，最常用的是基于方位、頻率、脈寬的空間距離聚類方法，也就是根據(jù)空間點與點之間的歐幾里德距離進行聚類。對于方位、頻率和脈寬均不變的目標信號，空間距離聚類方法有很好的效果，但對于參數(shù)均發(fā)生捷變的目標信號，則很容易將一個目標聚類成多個目標，從而得到錯誤的聚類結(jié)果。

對于一個空中目標，在短時間內(nèi)的運動帶來的角度變化相對偵察系統(tǒng)的作用距離來說，是非常小的。例如對距偵察機距離為R、速度為v的目標，在一次分選處理時間間隔t內(nèi)的角度變化為：

θ=180vt/(πR)

(5)

假設(shè)目標的運動速度為2km/s，目標距離偵察設(shè)備的距離為100km，信號處理時間間隔為500ms，則其到達角的最大變化約為：

θ=180×2×0.5/(π×100)≈0.57°

(6)

由于大部分偵察系統(tǒng)的測向精度往往在1°附近，因此，目標在單位時間間隔內(nèi)可以認為是不變的，故可以采用目標的方位參數(shù)作為聚類的依據(jù)。

實際上，方位測量精度受信號的強度影響很大，從上面的分析可以看出，兩站協(xié)同的脈沖參數(shù)配對方法，除了可以剔除無意干擾脈沖，還可以利用到達時間來對方位進行修正，提高弱信號時的測角精度，從而有利于兩站協(xié)同的方位聚類結(jié)果。

根據(jù)上面的分析，可以考慮從方位上進行聚類，具體方法如下：

1)建立方位二維坐標(橫坐標為A站方位，縱坐標為B站方位)；

2)在坐標軸上標識對配對成功修正后的方位；

3)以測角的指標誤差為聚類門限進行聚類；

4)對聚類后的目標進行角度平均，算出目標的真實坐標。

3 基于脈沖配對定位的脈沖分選技術(shù)

為了實現(xiàn)對批復雜雷達信號的脈沖分選，給出了基于兩站協(xié)同的脈沖分選流程圖，如圖2所示。對于兩站接收到的脈沖描述字，首先需要根據(jù)PDW中的到達時間、方位角進行綜合配對處理，剔除無效的脈沖信號，然后根據(jù)配對成功的到達時間對方位角進行修正，對修正后的方位角進行兩站聚類處理，將聚類成功的PDW分別存儲下來進行重頻分析處理。根據(jù)序列差直方圖的方法對TOA進行重頻預測和序列搜索，根據(jù)重頻周期性判斷是否為固定參差目標和抖動滑變目標，然后對分選成功目標對應(yīng)的PDW中的頻率和脈寬進行分析，判斷是否存在捷變，輸出目標特征參數(shù)。

圖2 基于脈沖配對定位的分選技術(shù)流程圖

圖3 單站基于頻率、脈寬、方位聚類結(jié)果

4 仿真實驗

為了驗證算法的特性，表1為4批目標信號的參數(shù)表，為了說明算法的適用性，選擇的信號形式涵蓋了目前常用的雷達信號，同時在參數(shù)選擇上存在交疊，考慮到測量誤差的影響，脈寬的測量誤差為2μs，頻率的測量誤差為2MHz，方位的測量誤差為2°。單站處理時，采用目前比較常用的基于頻率、脈寬、方位的聚類方法，如圖3所示?？梢钥闯?，由于目標批號2是多參數(shù)捷變信號，空間上目標點發(fā)散，聚類困難，會出現(xiàn)增批和目標信息不完整的情況。基于兩站配對定位的聚類結(jié)果如圖4所示。可以看出，聚類結(jié)果不受參數(shù)捷變的影響，很容易得出正確的聚類結(jié)果。表2為不同模式下的脈沖分選結(jié)果?？梢钥闯?，對于單站信號來說，信號正確分選率與目標到兩站的距離及信號的復雜程度有關(guān)。從批號1、3、4可以看出，目標距離偵察站越近，則參數(shù)測量的精度高，相應(yīng)的脈沖正確分選概

圖4 基于兩站配對定位的聚類結(jié)果

率高。對于批號2來說，由于頻率、脈寬、重頻均存在捷變，故單站正確分選脈沖個數(shù)不足50%。而兩站協(xié)同的方式，無論參數(shù)是否捷變，脈沖分選概率都很高，兩站協(xié)同的時候利用強信號的脈沖參數(shù)去修正弱信號的脈沖參數(shù)，則對分選結(jié)果有一定的改進作用。

表1 4批目標信號參數(shù)

表2 4批目標不同情況分選結(jié)果對比

5 結(jié)束語

本文闡述了一種全新基于兩站配對定位的脈沖分選方法。從兩站與目標組成的三角關(guān)系出發(fā)，理論論證了兩站測量的到達時間與方位之間的關(guān)系，給出了兩站協(xié)同配對的算法步驟，同時根據(jù)修正后的兩站方位角進行聚類，并對聚類的結(jié)果進行重頻分析，給出脈沖分選結(jié)果。該方法解決了單站系統(tǒng)無法解決的多參數(shù)同時捷變的雷達信號的脈沖分選問題。最后通過仿真實驗的方法對多批目標進行分選，并與單站分選結(jié)果進行了比較，從仿真的結(jié)果來看，利用兩站協(xié)同配對定位的方式可以進行多批復雜信號的聚類和分選?！?/p>

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A new technology of pulse sorting based on paired localization

Lü Xinzheng, Liu Hezhou, Wang Qizhi

(No.38 Research Institute of CETC, Hefei 230000, Anhui,China)

How to sort multi-parameter agile radar pulses is an important research problem in radar countermeasures. A new technology based on paired localization to sort multi-parameter agile radar is proposed. The realization of pulse sorting based on paired localization is analyzed, and its performance is validated by simulation. The experiment result shows that the new technology based on paired localization improves the performance of pulse sorting and resolves the problem for sorting multi-parameter agile radar pulses.

sorting of radar pulses;paired localization;multi-parameter agile

2017-02-21；2017-04-19修回。

呂新正(1976-)，男，高工，主要從事雷達對抗技術(shù)研究工作。

TN974

A