基于短時(shí)傅里葉變換的干擾信號(hào)識(shí)別方法

王程，鄭小燕，王海彬

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基于短時(shí)傅里葉變換的干擾信號(hào)識(shí)別方法

王程，鄭小燕，王海彬

（機(jī)電工程與控制國家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710065）

提高無線電引信識(shí)別欺騙式干擾的能力。根據(jù)炮彈彈體自旋的特點(diǎn)，使得采用連續(xù)波線極化天線的無線電引信所收到的干擾信號(hào)呈現(xiàn)出有別于地面回波的周期性幅度調(diào)制特征，通過對(duì)此特征進(jìn)行短時(shí)傅里葉變換后進(jìn)行識(shí)別，可以作為無線電引信是否受到欺騙式干擾的判斷依據(jù)。通過仿真和試驗(yàn)對(duì)方法的可行性進(jìn)行了驗(yàn)證，表明該識(shí)別方法可以很好地提高連續(xù)波無線電引信的識(shí)別欺騙式干擾的能力?；诙虝r(shí)傅里葉變換檢測旋轉(zhuǎn)調(diào)制的對(duì)地旋轉(zhuǎn)彈無線電引信欺騙干擾識(shí)別的方法可以對(duì)干擾信號(hào)特征進(jìn)行識(shí)別，算法處理時(shí)間短，能夠作為引信是否受到干擾的一種判斷依據(jù)。

對(duì)地旋轉(zhuǎn)彈；無線電引信；欺騙干擾識(shí)別；短時(shí)傅里葉變換

面對(duì)復(fù)雜的戰(zhàn)場電磁環(huán)境，引信干擾技術(shù)和干擾設(shè)備不斷更新發(fā)展，對(duì)無線電引信的抗干擾能力提出了越來越高的要求[1]?，F(xiàn)代戰(zhàn)爭中的復(fù)雜電磁環(huán)境以及各種人為的有源無源干擾，特別是欺騙式干擾，給引信的正常工作帶來了巨大的威脅[2]。

文獻(xiàn)[3]采用互相關(guān)和正交投影方法抑制欺騙式干擾，但需要很多的先驗(yàn)知識(shí)；文獻(xiàn)[4]基于盲分離算法提出兩種算法對(duì)欺騙式干擾信號(hào)進(jìn)行抑制，但算法較為復(fù)雜，運(yùn)算量較大；文獻(xiàn)[5]采用隨機(jī)調(diào)頻和盲分離的方法抑制干擾信號(hào)，但該方法在量化位數(shù)高的情況下不能有效識(shí)別干擾信號(hào)。文中針對(duì)無線電引信對(duì)欺騙式干擾的識(shí)別困難、占用資源較多且抗干擾能力弱的問題，提出了基于短時(shí)傅里葉變換的干擾信號(hào)識(shí)別方法。

1 無線電引信欺騙式干擾

彈箭無線電引信的干擾機(jī)理是干擾信號(hào)作用于引信接收部分，使其產(chǎn)生點(diǎn)火信號(hào)而使炮彈早炸，降低其毀傷效能。無線電引信抗干擾問題的實(shí)質(zhì)是無線電引信對(duì)目標(biāo)信號(hào)與干擾信號(hào)的識(shí)別以及有效抑制干擾信號(hào)的問題[6]。

地面多普勒信號(hào)主要是由地面反射信號(hào)和地面背景雜波疊加得到的。當(dāng)?shù)孛嫫鸱h(yuǎn)小于工作波長時(shí)，可以認(rèn)為地面反射為鏡面反射。引信在工作時(shí)，隨著彈體與目標(biāo)逐漸接近，在時(shí)域上回波信號(hào)的幅度是增加的，具有增幅特性，并且彈體和目標(biāo)越接近其增幅速率越高[7]。

無線電引信的有源干擾基本上分為壓制式和欺騙式兩類，其中壓制式干擾通過阻塞、瞄準(zhǔn)或掃頻形式來實(shí)現(xiàn)。欺騙式干擾方法是模擬目標(biāo)回波信號(hào)，在引信的目標(biāo)探測或者信號(hào)處理系統(tǒng)中產(chǎn)生假目標(biāo)，觸發(fā)引信啟動(dòng)規(guī)則或者條件，從而導(dǎo)致提起爆戰(zhàn)斗部前動(dòng)作。對(duì)引信實(shí)施欺騙式干擾的特點(diǎn)是干擾機(jī)能夠產(chǎn)生與回波信號(hào)特征一致的干擾信號(hào)，在引信天線到執(zhí)行電路之前的所有環(huán)節(jié)產(chǎn)生與引信發(fā)射信號(hào)回波相同或相似的效果[8]。

2 短時(shí)傅里葉變換

短時(shí)傅里葉變換（STFT，Short-time Fourier Transform）也稱加窗傅里葉變換，它是一種用局部頻譜來表示信號(hào)頻譜與時(shí)間關(guān)系的方法。其基本思路是用一個(gè)截?cái)嗪瘮?shù)與時(shí)間信號(hào)相乘，該截?cái)嗪瘮?shù)的時(shí)寬足夠窄，使處理后的信號(hào)可以與平穩(wěn)信號(hào)類似，對(duì)該段信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換，從而反映該時(shí)間段內(nèi)信號(hào)中的頻譜變化規(guī)律，如果讓截?cái)嗪瘮?shù)沿時(shí)間軸移動(dòng)，可以得到信號(hào)隨時(shí)間變化的規(guī)律[9]。

由于截?cái)嗪瘮?shù)的時(shí)移特性，使得短時(shí)傅里葉變換具有既是時(shí)間函數(shù)又有頻率函數(shù)的局部特性，而對(duì)于某一時(shí)刻的短時(shí)傅里葉變換，也就可以作為該時(shí)刻的“局部頻譜”。因此，對(duì)目標(biāo)信號(hào)直接采用STFT，就可以將多普勒表征出來。

STFT算法應(yīng)根據(jù)信號(hào)處理的需要選擇適當(dāng)?shù)慕財(cái)嗪瘮?shù)，對(duì)截?cái)嗪瘮?shù)內(nèi)的信號(hào)進(jìn)行離散傅里葉變換，再輸出有效的信號(hào)時(shí)頻特性。

3 基于短時(shí)傅里葉變換的干擾信號(hào)識(shí)別方法

一般采用收發(fā)一體的無線電探測器所采用的天線為線極化天線，這是由于若探測器采用同一副橢圓極化天線收發(fā)信號(hào)，其所發(fā)射的電磁波遇到目標(biāo)所產(chǎn)生后向散射波被天線接收后的信號(hào)功率小于采用線極化天線的探測器。在極端條件下，若探測器天線發(fā)射圓純極化波正入射到無限大光滑到點(diǎn)平面目標(biāo)，反射信號(hào)經(jīng)天線接收后的功率理論上應(yīng)為0，所以大部分收發(fā)一體的無線電引信均采用線極化天線[10]。

對(duì)于彈體在彈道運(yùn)動(dòng)中自旋的無線電引信來說，采用振子天線、微帶貼片天線等天線的引信探測器天線的極化方向也會(huì)以彈軸為中心產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，且旋轉(zhuǎn)速度與彈體自旋速度相同。當(dāng)引信受到外部欺騙式干擾時(shí)，探測器在彈道中所接收到的干擾信號(hào)將會(huì)受到極化調(diào)制，產(chǎn)生周期性的幅度調(diào)制。

通常情況下，地面回波由于地面粗糙度或植被等原因有很強(qiáng)的散射隨機(jī)特性，而無線電信號(hào)能夠穿透某些地表或植被表面，因此回波信號(hào)中的地面散射和內(nèi)部折射疊加在一起，使地面散射回波更加復(fù)雜。在沒有干擾的情況下，引信與地面交匯過程中，彈體旋轉(zhuǎn)的同時(shí)還具有彈道方向的高速運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生的多普勒信號(hào)會(huì)強(qiáng)于由于天線極化調(diào)制產(chǎn)生的信號(hào)。同時(shí)由于地面強(qiáng)散射點(diǎn)的不規(guī)律性，引信天線旋轉(zhuǎn)引起的極化調(diào)制特征會(huì)淹沒在地面散射回波中，使其產(chǎn)生的調(diào)制難以從地面回波中分解出來，為干擾信號(hào)的識(shí)別提供了條件。

干擾機(jī)在遠(yuǎn)距離對(duì)引信進(jìn)行干擾時(shí)，引信與地面的距離較遠(yuǎn)，因而地面散射回波信號(hào)極其微弱，甚至淹沒在噪聲中，所以引信所接收到的信號(hào)是純粹的干擾信號(hào)。此時(shí)，引信接收到的干擾回波信號(hào)呈現(xiàn)出非常規(guī)律的由于彈體自旋而引起的自旋調(diào)制特征，通過對(duì)此特征的識(shí)別，可以有效判斷出引信所接收到的信號(hào)為干擾信號(hào)而非真實(shí)的回波信號(hào)，因此可以避免引信受到欺騙而產(chǎn)生早炸現(xiàn)象，提高抗干擾能力。

對(duì)于彈體在彈道運(yùn)動(dòng)中高速自旋的引信來說，接收到的目標(biāo)回波信號(hào)是一種非平穩(wěn)信號(hào)，而短時(shí)傅里葉變換作為一種信號(hào)時(shí)域頻域的分析方法，處理的信號(hào)主要是非平穩(wěn)信號(hào)，所以這里用短時(shí)傅立葉變換對(duì)引信接收到的目標(biāo)回波信號(hào)進(jìn)行處理是一種可行、有效的方法。設(shè)定一個(gè)時(shí)間寬度很短的截?cái)嗪瘮?shù)()，并且這個(gè)截?cái)嗪瘮?shù)在一定時(shí)間段內(nèi)滑動(dòng)，則信號(hào)()的短時(shí)傅立葉變換(STFT)定義為：

正是由于截?cái)嗪瘮?shù)的在某一段時(shí)間內(nèi)移動(dòng)的特性，使得短時(shí)傅里葉變換既具有時(shí)間函數(shù)的局部特性，又具有有頻率函數(shù)的局部特性，而對(duì)于某一時(shí)刻的短時(shí)傅里葉變換STFT()，也就可以作為該時(shí)刻的“局部頻譜”。因此，對(duì)引信收到的目標(biāo)回波信號(hào)直接采用STFT，是能夠?qū)⒃撔盘?hào)的多普勒特征解析出來的。

對(duì)于引信回波信號(hào)中的多普勒周期特征，可以用序列相關(guān)函數(shù)來提取。一般情況下，彈體在彈道運(yùn)動(dòng)中高速自旋具有一定的周期性，因此，引信接收到的回波信號(hào)必然存在受到周期運(yùn)動(dòng)調(diào)制而產(chǎn)生的周期信號(hào)，而序列相關(guān)函數(shù)可以充分地描述該回波信號(hào)具有的周期信息。一個(gè)離散信號(hào)的序列相關(guān)函數(shù)可以定義為：

序列相關(guān)函數(shù)具有這樣的性質(zhì)：如果信號(hào)是以個(gè)抽樣為周期的，則

說明該周期信號(hào)的序列相關(guān)函數(shù)與其固有的周期相同。因此，對(duì)于一般的周期信號(hào)，若，即信號(hào)的長度大于1個(gè)周期，則在抽樣點(diǎn)為0，±，±2，…處，其序列相關(guān)函數(shù)達(dá)到極大值。也就是說，可以不用考慮信號(hào)的起始時(shí)間，而直接確定序列相關(guān)函數(shù)的第一個(gè)最大值和次最大值的位置來達(dá)到估計(jì)周期的目的。若對(duì)該信號(hào)處理的采樣頻率為f，序列相關(guān)函數(shù)最大值位于第個(gè)采樣點(diǎn)，次大值位于第個(gè)采樣點(diǎn)，則信號(hào)的周期估計(jì)值為：

由以上分析可以看出，STFT算法在多個(gè)估計(jì)周期內(nèi)其自相關(guān)函數(shù)具有同一性，大大降低了算法的復(fù)雜度，縮短了算法處理時(shí)間，降低了算法所占用的資源。同時(shí)，由于彈體在自旋時(shí)極化特性的幅度調(diào)制具有很好的周期性，為STFT算法的自相關(guān)函數(shù)的選取提供參考依據(jù)。

通過采用STFT對(duì)受到干擾時(shí)的多普勒信號(hào)幅度調(diào)制周期規(guī)律的提取，將原信號(hào)成為離散的時(shí)間信號(hào)，在時(shí)間域內(nèi)可進(jìn)行包絡(luò)提取、峰值檢測等處理。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證該方法的可行性，首先通過仿真軟件ADS與Matlab對(duì)地面多普勒回波信號(hào)和干擾信號(hào)進(jìn)行了聯(lián)合仿真，如圖1所示。引信在高速自旋情況下在接近地面時(shí)的信號(hào)幅度特征如圖1所示，該信號(hào)由于地雜波和地面強(qiáng)散射特性的存在，引信在接近地面時(shí)多普勒回波信號(hào)會(huì)與地雜波相疊加產(chǎn)生具有連續(xù)增幅特征的信號(hào)，該信號(hào)只有增幅和增幅速率特性，極化天線的調(diào)制特性是無法簡單提取的。在加入極化調(diào)幅的欺騙式干擾信號(hào)后，回波信號(hào)如圖2所示。該信號(hào)仍然具有增幅和增幅速率特性，在沒有抗干擾識(shí)別機(jī)制時(shí)很容易被認(rèn)為是地面回波而引發(fā)啟動(dòng)信號(hào)。該信號(hào)同時(shí)還具有周期性的幅度調(diào)制特征，這就可以作為判斷引信是否接收到干擾信號(hào)的重要依據(jù)。

圖1 引信高速自旋時(shí)對(duì)地多普勒回波信號(hào)

為了進(jìn)一步更直觀地驗(yàn)證該方法，在微波暗室內(nèi)采用半實(shí)物測試進(jìn)行驗(yàn)證。將引信探測器放置在轉(zhuǎn)臺(tái)上，模擬彈體自旋。在距離探測器20 m處放置一金屬角反射器模擬對(duì)地探測目標(biāo)。將轉(zhuǎn)臺(tái)和探測器一起向金屬角反射器推進(jìn)，模擬彈目交匯過程，同時(shí)采集探測器輸出信號(hào)，得到探測器未受到干擾時(shí)的中頻輸出信號(hào)，如圖3所示。該信號(hào)只有幅度特征和增幅速率特征。

圖3 探測器未受到干擾時(shí)的中頻信號(hào)輸出波形

將金屬板用標(biāo)準(zhǔn)喇叭天線替換，同時(shí)發(fā)射與探測器同頻率的干擾信號(hào)，模擬引信受到欺騙式干擾時(shí)的干擾信號(hào)，重復(fù)上述試驗(yàn)。在引信射頻前端接近喇叭天線的過程中，使射頻前端在轉(zhuǎn)臺(tái)上垂直于運(yùn)動(dòng)方向進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，用示波器檢測引信輸出信號(hào)，得到探測器受到干擾信號(hào)干擾時(shí)的中頻信號(hào)輸出信號(hào)，如圖4所示。

對(duì)沒有受到干擾時(shí)的探測器輸出的信號(hào)進(jìn)行相關(guān)的信號(hào)處理（如圖5a所示）和受到干擾時(shí)的信號(hào)進(jìn)行相關(guān)處理（如圖5b所示）后，得到一種可以用來判斷探測器是否受到干擾的判別方法。當(dāng)探測器輸出信號(hào)出現(xiàn)幅度逐漸增加的增幅特性時(shí)，引信未收到干擾；當(dāng)探測器輸出信號(hào)出現(xiàn)周期性的峰值信號(hào)時(shí)，可以判斷探測器已經(jīng)受到了欺騙式干擾，此時(shí)信號(hào)處理電路中的峰值檢測電路持續(xù)輸出幅度相近的大電壓信號(hào)，引信可以由近炸改為觸發(fā)模式。

短時(shí)傅里葉變換可以通過可編程邏輯門陣列運(yùn)算FPGA來實(shí)現(xiàn)，信號(hào)通過模數(shù)變換后經(jīng)過FPGA內(nèi)的寄存器延時(shí)，再通過蝶形單元根據(jù)運(yùn)算規(guī)則進(jìn)行處理。選用賽靈思公司的FPGA芯片來實(shí)現(xiàn)STFT，通過數(shù)模仿真工具的仿真計(jì)算，快速傅里葉變換部分的資源約占整個(gè)芯片的28%，占用了很少的彈上資源，運(yùn)算256點(diǎn)FFT所需時(shí)間只有80 ns，運(yùn)算速度快，符合引信工作時(shí)間短的特點(diǎn)。經(jīng)過仿真模擬與半實(shí)物測試后，對(duì)具有自旋特性的無線電引信在受到欺騙式干擾時(shí)的周期現(xiàn)象進(jìn)行了驗(yàn)證，對(duì)采用短時(shí)傅里葉變換對(duì)干擾信號(hào)的識(shí)別也進(jìn)行了實(shí)現(xiàn)，表明該方法對(duì)干擾信號(hào)的識(shí)別有效，算法處理時(shí)間短，可以很好地提高無線電引信的抗干擾能力。

5 結(jié)論

文中提出了基于短時(shí)傅里葉變換檢測旋轉(zhuǎn)調(diào)制的對(duì)地旋轉(zhuǎn)彈無線電引信欺騙干擾識(shí)別的方法。使用線極化的無線電引信探測器，在彈體自旋的情況下，受到欺騙式干擾時(shí)，探測器在彈道中所接收到的干擾信號(hào)將會(huì)受到極化調(diào)制，產(chǎn)生周期性的幅度調(diào)制。通過采用短時(shí)傅里葉變換對(duì)無線電引信的極化調(diào)制信號(hào)的時(shí)頻特性的提取和識(shí)別，可以判斷探測器是否受到了欺騙式干擾。模擬試驗(yàn)表明，該方法在引信受到干擾時(shí)，可以對(duì)干擾信號(hào)特征進(jìn)行識(shí)別，算法處理時(shí)間短，能夠作為引信是否受到干擾的一種判斷依據(jù)。今后將改進(jìn)信號(hào)處理算法方式，采用更加快速高效的計(jì)算方法，進(jìn)一步縮短處理時(shí)間。

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Interference Signal Recognition Method Based on Short-time Fourier Transform

WANG ChengZHENG Xiao-yanWANG Hai-bin

(National Key Laboratory of Electromechanical Engineering and Control, Xi′an 710065, China)

To improve the ability of radio fuze to identify deception interference.Methods Due to characteristics of .missile spin, the interference signal of radio fuzeby using continuous wave linear polarization antenna received show periodic amplitude modulation characteristics different from ground echo. The characteristics were identified after short-time Fourier transform to be taken as the basis to determine whether radio fuse is subject to deception jamming.Results The feasibility of the method was verified by simulation and experiment. It showed that the recognition method can improve the ability of identifying the deceptive jamming of CW radio fuze.Conclusion The interference recognition method on ground rotating modulation rotary missile radio fuze based on short-time Fourier transform can identify characteristics of interference signal in short time of algorithm processing. It can be used as a judgement basis for whether the fuze is disturbed.

ground rotating artillery shell; radio fuze; deception jamming recognition; short-time fourier transform

TB332；V258

A

1672-9242(2018)03-0067-04

10.7643/ issn.1672-9242.2018.03.014

2017-11-22；

2017-12-11

王程（1983—），男，新疆人，工程師，主要研究方向?yàn)闊o線電引信技術(shù)。