一種相位編碼信號脈內(nèi)特征識別方法

馬一科　周利華

摘要：雷達信號的脈內(nèi)特征識別對雷達偵察有重要的意義。文章基于相位差分法，在僅知道單通道實中頻數(shù)據(jù)的情況下，討論了雷達信號脈內(nèi)特征識別問題，并給出了一種有效的脈內(nèi)特征分析方法。針對相位編碼信號，采用統(tǒng)計相位分布情況的思想，給出了識別相位編碼信號的方法，并提出了碼元寬度及編碼序列的提取方法。本文所提出的脈內(nèi)特征分析方法運算量小，易于工程實現(xiàn)，在低信噪比下有較好的區(qū)分效果。仿真結果驗證了所提出方法的有效性。

關鍵詞：脈內(nèi)分析；相位編碼信號；瞬時頻率

A Method of Intrapulse Recognition of Phase Coded Signal

Ma YikeZhou Lihua

No.38 Research Institute of CETCAnhuiHefei China230088

Abstract：Radar signal intrapulse analysis technique is important to radar reconnaissance. Based on the principle of phase difference， the problem of intrapulse recognition of radar signals is discussed in this paper， under the condition that only the real part of intermediate frequency data is known， and an effective intrapulse recognition algorithm is proposed. By using the ideal of the statisticsof phase distribution，a method of recognizing a phase coded signal is given， and at the same time， a method of how to obtain the symbol width and the phase shift keying rule is also raised up. The proposed method is easy to implement and is effective in low SNR. Simulations are given to illustrate the effectiveness of this method.

Key words：Intrapulse analysis； Phase coded signal； Instantaneous frequency

隨著現(xiàn)代雷達技術的發(fā)展，各種新體制雷達不斷出現(xiàn)。戰(zhàn)場電磁環(huán)境的日趨復雜，推動著電子偵察技術的快速發(fā)展。近年來，雷達信號脈內(nèi)特征分析技術作為電子偵察的關鍵技術之一，越來越引起國內(nèi)外學者的廣泛關注。相位編碼信號廣泛運用于現(xiàn)代雷達領域，對相位編碼信號的識別與特征參數(shù)的提取，是電子偵察的重要一環(huán)。雷達信號中的相位編碼信號主要包括二相編碼信號、四相編碼信號等。其中二相編碼信號最為常用，主要碼型有m序列、巴克碼等；四相編碼信號主要有泰勒碼等?？焖俣譁蚀_地獲得相位編碼信號的類型、特征參數(shù)，從而提供有效的作戰(zhàn)支援，是電子偵察的重要內(nèi)容。

目前，對相位編碼信號的分析手段主要包括：自相關法[12]、譜相關法[3]、小波變換法[45]等。這些方法對相位編碼信號都有一定的分析能力，但同時也存在各自的缺陷。自相關法容易受到噪聲的影響，在低信噪比情況下，分析效果不顯著。譜相關法可以適應較低的信噪比，并且對具有平穩(wěn)周期的信號分析效果顯著。但是譜相關法要求對大量脈沖進行積累。在實際偵察過程中，特別是對非合作的目標進行偵察時，很難對大量脈沖進行積累。小波變換法運算量較大，不能提供充分的實效性，難以滿足實時的工程系統(tǒng)的使用需求。

為了滿足實時實現(xiàn)的要求，在已知單通道實中頻信號的情況下，討論了雷達信號的的脈內(nèi)特征分析方法。本文采用相位差分的方法，實現(xiàn)了瞬時頻率信息的提取，基于直方圖統(tǒng)計的方法獲取相位分布信息，并針對相位編碼信號，給出了脈內(nèi)特征參數(shù)的提取方法。與文獻[6]相比，文獻[6]采用計算信號n次方譜的方法來區(qū)分相位編碼信號，需要進行傅立葉變換，運算量大，本文采用的直方圖統(tǒng)計的方法計算量小，算法復雜度大大降低。最后，通過仿真試驗驗證了所提出方法的有效性。本文所提出的方法運算速度快，脈內(nèi)特征識別效率高，具有較好的工程應用價值。

1 信號模型

雷達信號可以表示為：

s（t）=A（t） cos（2π（f0t+c（t））+φ0），0≤t≤T0（1）

其中為A（t）幅度函數(shù) ，f0為載頻，φ0是初始相位，c（t）是相位調(diào)制函數(shù)，T0為脈沖寬度[2]。一般情況下，幅度A（t）相對于載頻f0隨時間的變化緩慢，因此，本文中，我們僅討論幅度為常值的情況，即：A（t）=A。當c（t）=1/2d2（t）時，s（t）為二相編碼信號，其中d2（t）是一個二元編碼序列信號，它的碼元寬度為Tc，取值分別為0或1，碼長Nc=T0/Tc；當c（t）=1/4d4（t）時，s（t）為四相編碼信號，其中d4（t）是一個四元編碼序列信號，它的碼元寬度為Tc，取值分別為0、1、2、3中的某一個數(shù)，碼長Nc=T0/Tc。

2 信號預處理

本文不依賴于復雜的計算，僅針對時頻、時相曲線的分析，識別脈內(nèi)調(diào)制類型并提取脈內(nèi)調(diào)制參數(shù)。

首先，對原I路信號做如下混頻處理：

s1（t）=s（t）*cos（2πf0t）（2）

s2（t）=s（t）*（-sin（2πf0t））（3）

（2）、（3）兩式可以重新寫為

s1（t）=1/2Acos（2πc（t）+φ0）+1/2Acos（4πf0t+2πc（t）+φ0）（4）

s2（t）=1/2Asin（2πc（t）+φ0）-1/2Asin（4πf0t+2πc（t）+φ0）（5）

由（5）、（6）兩式可以看出，混頻后的信號s1（t）與s2（t）都是由一個高頻分量以及一個低頻分量兩部分組成，將這兩組信號分別通過低通濾波器，濾去高頻分量，則可以得到基帶信號如下表示：

1（t）=1/2Acos（2πc（t）+φ0）（6）

2（t）=1/2Asin（2πc（t）+φ0）（7）

經(jīng)處理后的信號1（t）、2（t）依然保留著調(diào)制信息c（t），因而可以對處理后的信號1（t）、2（t）進行分析，從而提取原始信號的脈內(nèi)調(diào)制信息。

注：在進行混頻處理的時候，要求知道載頻f0。若載頻f0未知，可以利用文獻[78]提出的方法對信號載頻進行估計。

由（6）、（7）可以求出基帶信號對應的相位，其對應的離散形式如下表示：

φ（n）=arctan（2（n）/1（n））（8）

在實際計算過程中，通過反正切函數(shù)求得的相位屬于區(qū)間-π，π，會造成相位差的不連續(xù)性，在進行相位差分之前，需要對所得相位進行解混疊處理。對解混疊后的相位信號φ（n）進行差分處理可以得到信號的瞬時頻率f（n），表示如下：

f（n）=（φ（n+1）-φ（n））/2π（9）

3 調(diào)制類型識別

本節(jié)針對線性調(diào)頻、非線性調(diào)頻、二相編碼和四相編碼信號，進行時頻、時相特征分析，以達到調(diào)制類型區(qū)分和識別的目的。這幾種典型的調(diào)制信號的瞬時頻率曲線如下圖所示：

由圖1可以看出，相位編碼信號的瞬時頻率曲線除去跳變峰值之外，是一條近似恒等的直線，而線性調(diào)頻和非線性調(diào)頻信號都占有較大的頻率寬度。定義除去相位跳變之后的頻率曲線的最大、最小值之差為信號的帶寬。這樣就可以根據(jù)信號帶寬將這幾類常見的信號劃分為兩大類，即：被分為寬帶信號的線性調(diào)頻信號和非線性調(diào)頻信號，以及被分為窄帶信號的二相編碼信號和四相編碼信號。

對于寬帶信號，可以利用最小二乘的方法進行直線擬合，求取擬合誤差作為進一步區(qū)分的判據(jù)。若擬合誤差小于閾值則信號為線性調(diào)頻信號，反之，則為非線性調(diào)頻信號。

對于窄帶信號，可在瞬時相位曲線上進一步提取特征，來區(qū)分二相編碼信號和四相編碼信號。二相編碼信號和四相編碼信號的瞬時相位曲線由（8）式定義，如下圖所示：

由圖2可以看出，二相編碼的瞬時相位主要集中在兩個相位點附近，四相編碼信號的瞬時相位主要集中在四個相位點附近。本文采用一種基于直方圖統(tǒng)計的方法，來統(tǒng)計瞬時相位的分布情況。將相位變化范圍（-π，π）劃分為N個均勻的小區(qū)域，統(tǒng)計信號的瞬時相位落入各個區(qū)域的個數(shù)，將統(tǒng)計出來的個數(shù)繪制成變化曲線。如下圖所示。

由圖3可以看出，二相編碼信號的相位統(tǒng)計曲線形成了兩個明顯的峰，而四相編碼信號的相位統(tǒng)計曲線形成了四個明顯的峰。選取適當?shù)拈撝岛螅梢灾庇^且方便地統(tǒng)計出峰的個數(shù)，從而區(qū)分出二相編碼信號和四相編碼信號。

綜上所述，包含相位編碼信號的常見信號可以由以下流程進行脈內(nèi)特征識別：

4 調(diào)制參數(shù)提取

相位編碼信號的調(diào)制參數(shù)主要包括信號的碼元寬度和編碼規(guī)律。在碼元切換的時候，瞬時頻率會形成峰值，可以統(tǒng)計瞬時頻率曲線的峰值間隔以獲得相位編碼信號的碼元寬度。由于噪聲的影響，式（9）的對應的瞬時頻率在低信噪比下很難直接提取瞬時頻率的突變點信息，我們可以通過積累的方法減小噪聲的影響，利用多階差分法得到瞬時頻率的新估計值。M階差分法[910]對應的瞬時頻率由（10）式給出。

f（n）=1/2πM（∑Mi=1φ（n+i）-∑Mj=0φ（n-j））（10）

圖5所示的是由一階差分法求得的瞬時頻率和由多階差分法求得的瞬時頻率（二十階）的對比示意圖。圖中可以看出，在信噪比較低的時候，一階差分對應的瞬時頻率存在大量虛假尖峰，很難直接提取出真正的因相位跳變引起的頻率突變點信息。而采用多階差分的方法后，噪聲的影響明顯降低，信號的瞬時頻率突變信息變得明顯，設定適當閾值后，很容易提取突變點信息。圖 5表明，多階差分法可以有效降低噪聲影響，利于提取瞬時頻率突變點信息。

采用多階差分法重新估計信號瞬時頻率后，提取突變點信息，并統(tǒng)計各個突變點之間的間距的最小值，便可以得到相位編碼信號的碼元寬度信息。

在獲取碼元寬度信息后，要提取相位編碼信號的碼元規(guī)律信息，需要準確地知道碼元的突變幅度信息。由二相編碼信號的定義可知，其對應的相位突變幅度為{π，-π}，多階差分頻率值對應的突變幅度為{0.5，-0.5}；同理，四相編碼信號的相位突變幅度為{1.5π，π，0.5π，-0.5π，-π，-1.5π}，其多階差分頻率值對應的突變幅度為{0.75，0.5，0.25，-0.25，-0.5，-0.75}。雖然編碼信號的初相往往是未知的，但初相的實際值并不影響相位編碼信號的的編碼規(guī)律?？梢约僭O初相為0，從多階差分瞬時頻率途中提取相位突變的幅度信息，并依次累加并修正到值域范圍，便可以獲取實際的碼元幅度信息，從而獲取相位編碼序列。

5 仿真試驗

為驗證本文所提出脈內(nèi)分析方法的有效性，本文對線性調(diào)頻、非線性調(diào)頻、二相編碼和四相編碼信號進行仿真試驗如下：

設置采樣頻率為100MHz，脈沖載頻為25MHz，脈寬為50us，相位差分重數(shù)為20，分別在信噪比為15db、10db、8db的情況下，對四種調(diào)制類型的信號進行100次重復試驗，其識別正確率統(tǒng)計結果如下表所示：

表格表明，當信噪比大于8dB時，各類調(diào)制信號的識別準確率基本大于90%，本文所提出的方法具有良好的識別效果，具有較好的實際應用前景。

6 結語

文章在僅知道單通道實中頻數(shù)據(jù)的情況下，給出了一套可行的脈內(nèi)特征識別方法，實現(xiàn)對幾種常見類型的調(diào)制信號的識別。基于相位差分法提取頻率特征，易于實現(xiàn)，基于直方圖統(tǒng)計的方法提取相位分布信息，計算量小，具有較好的工程應用價值。此外，文章針對相位編碼信號，采用高階差分的方法，提取了碼元寬度和編碼規(guī)律等脈內(nèi)特征參數(shù)信息。計算機仿真表明在信噪比大于8dB的情況下，該方法對常見的調(diào)制脈沖信號有良好的區(qū)分效果。

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