基于信號聚集度的相控陣?yán)走_(dá)識別技術(shù)*

張玉虎，周 正

（海軍航空大學(xué)，山東 煙臺 264001）

0 引言

相控陣?yán)走_(dá)在快速搜索能力、波束捷變能力和多波束形成能力等優(yōu)勢，使得對相控陣?yán)走_(dá)的識別成為了輻射源信號識別的重點(diǎn)和難點(diǎn)。相控陣?yán)走_(dá)搜索空域的工作模式多樣，文獻(xiàn)［1-3］通過相似系數(shù)來對相控陣?yán)走_(dá)進(jìn)行識別。順序搜索模式的相控陣?yán)走_(dá)與機(jī)械掃描雷達(dá)有一定的相似性，波位的轉(zhuǎn)換是相鄰的，因此，文獻(xiàn)［1-2］采用了正弦序列，文獻(xiàn)［3］采用了三角序列對相控陣?yán)走_(dá)進(jìn)行識別。但是基于相似系數(shù)的相控陣?yán)走_(dá)體制識別方法嚴(yán)重依賴于截獲信號的幅度，并且要找到合適的參考序列。本文建立了ESM截獲相控陣?yán)走_(dá)輻射源信號的模型，得到截獲信號的脈沖幅度序列；并引入了信號聚集度的概念，通過判斷不同體制雷達(dá)的信號聚集度差別，實(shí)現(xiàn)了相控陣?yán)走_(dá)體制的識別。

1 ESM截獲雷達(dá)脈沖幅度序列

1.1 ESM截獲機(jī)械掃描雷達(dá)脈沖信號幅度序列

機(jī)械掃描雷達(dá)的工作方式是通過天線的機(jī)械旋轉(zhuǎn)完成對360°空域的搜索，天線的旋轉(zhuǎn)使得ESM截獲雷達(dá)的信號是周期性的；雷達(dá)天線旋轉(zhuǎn)一次，ESM就會接收到一次雷達(dá)信號的輻射脈沖序列。

假定某機(jī)械掃描雷達(dá)的天線方向圖為高斯方向性函數(shù)。指定探測范圍為方位-60°～60°，俯仰0°～50°，掃描周期為5 s，方位和俯仰上的波束寬度均為2°。偵察機(jī)在雷達(dá)視角的方向處。機(jī)械掃描雷達(dá)（0°，10°）天線方向圖函數(shù)［4］可表示為：

在脈沖重復(fù)頻率為 500 Hz、1 000 Hz、2 000 Hz條件下仿真得到ESM截獲信號脈沖序列如圖1所示。

1.2 ESM截獲一維相控陣?yán)走_(dá)脈沖信號幅度序列

一維相控陣?yán)走_(dá)大多采用線性相控陣天線，雷達(dá)對目標(biāo)空域搜索時(shí)方位上采用機(jī)械掃描［5-6］，其天線方向圖可以表示為：

其中，θ為方位角，方位波束寬度為2°。最大指向?yàn)棣?=0°。

俯仰上采用電掃描，具有N個(gè)天線陣元的等間距排布的線性相控陣?yán)走_(dá)天線方向圖函數(shù)可以表示為：

其中，φ為俯仰角，俯仰波束寬度為2°，天線陣元個(gè)數(shù) N=30，最大值指向?yàn)?φ0=10°，d=0.5，則歸一化的天線方向圖函數(shù)為式（2）與式（3）的乘積：

對方位上 -60°～60°，俯仰 0°～50°的目標(biāo)空域進(jìn)行搜索，搜索周期為5 s，俯仰每一度一個(gè)波位。在脈沖重復(fù)頻率為 500 Hz、1 000 Hz、2 000 Hz條件下仿真得到ESM截獲信號脈沖序列如圖2所示。

1.3 ESM截獲二維相控陣?yán)走_(dá)脈沖信號幅度序列假定某二維相控陣?yán)走_(dá)采用60×60矩形平面

其中

其中，θ為波束方位角，φ 為波束俯仰角，F(xiàn)1（θ，φ）為方位方向的天線方向圖函數(shù)，F(xiàn)2（θ，φ）為俯仰方向的天線方向圖函數(shù)，方位與俯仰波束寬度均為2°，最大指向?yàn)?θ0=0°、φ0=10°。

對方位上 -60°～60°，俯仰 0°～50°的目標(biāo)空域進(jìn)行搜索，搜索周期為5 s，波位寬度與高度均為1°。在脈沖重復(fù)頻率為 500 Hz、1 000 Hz、2 000 Hz條件下，仿真得到ESM截獲信號脈沖序列如圖3所示。

2 相控陣體制雷達(dá)輻射源的識別

對處于搜索模式的相控陣?yán)走_(dá)，本文提出了一種基于信號聚集度的檢測識別方法。

通過對ESM截獲的信號序列按截獲時(shí)間由早至晚進(jìn)行比較，計(jì)算序列自相關(guān)系數(shù)，自相關(guān)系數(shù)峰值的間距即為信號的一個(gè)周期長度。

定義ESM截獲信號序列的信號聚集度為：

其中，length為一個(gè)雷達(dá)信號掃描周期的脈沖數(shù)，interval為高于平均脈沖間隔的脈沖間隔的均值。

通過對機(jī)械掃描雷達(dá)、一維相控陣?yán)走_(dá)、工作在順序搜索模式、隨機(jī)搜索模式的二維相控陣?yán)走_(dá)的信號計(jì)算信號聚集度，得到如表1所示的結(jié)果。

表1 不同脈沖重復(fù)頻率下信號聚集度

由計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，機(jī)械掃描雷達(dá)的信號聚集度最高，且與相控陣?yán)走_(dá)的差距明顯，區(qū)分度高；二維相控陣?yán)走_(dá)的信號聚集度比一維相控陣?yán)走_(dá)低；而二維相控陣?yán)走_(dá)的隨機(jī)搜索模式比順序搜索模式的信號聚集度更低。進(jìn)一步計(jì)算在脈沖重復(fù)頻率為1 500 Hz、2 500 Hz、3 000 Hz條件下的信號聚集度，得到結(jié)果如圖4所示。

通過統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)得到：機(jī)械掃描雷達(dá)的信號聚集度高于200 dB；一維相控陣?yán)走_(dá)的信號聚集度在（126 dB～130 dB）之間；二維相控陣?yán)走_(dá)的信號聚集度在110 dB以下；上述實(shí)驗(yàn)表明通過計(jì)算截獲信號幅度譜的信號聚集度，判斷其落入那個(gè)區(qū)間中可以有效地判斷雷達(dá)體制。

3 仿真實(shí)驗(yàn)

考慮ESM在截獲脈沖信號時(shí)，由于信號環(huán)境密度高，存在丟失脈沖的情況［2，7］。因此，仿真實(shí)驗(yàn)按信號丟失率不同進(jìn)行1 000次蒙特卡洛實(shí)驗(yàn)，得到結(jié)果如圖5和第30頁表2所示。

由圖5可見，相控陣體制雷達(dá)信號的聚集度平穩(wěn)性很高，信號的丟失對信號聚集度的影響很小。相比之下，機(jī)械掃描雷達(dá)的信號聚集度不太平穩(wěn)，在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，并且當(dāng)信號的丟失率升高時(shí)，機(jī)械掃描雷達(dá)的信號聚集度會下降。適當(dāng)選擇判別閾值能夠提高信號的正確識別率。

表2 不同丟失率下的雷達(dá)信號正確識別率

4 結(jié)論

本文利用ESM截獲相控陣?yán)走_(dá)輻射源信號的模型，得到截獲信號的脈沖幅度序列；通過計(jì)算信號聚集度，實(shí)現(xiàn)了相控陣?yán)走_(dá)體制的識別。仿真結(jié)果表明，本文提出的基于信號聚集度的相控陣?yán)走_(dá)體制識別方法，在ESM截獲信號丟失率低于30%的情況下，仍能有效地對輻射源雷達(dá)體制進(jìn)行識別。本文方法不依賴于脈沖的幅度信息，僅用能表征是否存在脈沖的01序列即可識別，因此，無需尋找合適的序列作參考，更具有適用性。