[理学]第4章 雷达侦察的信号处理.ppt

第4章 雷达侦察的信号处理 第4章 雷达侦察的信号处理 4.1 概述 4.2 对雷达信号时域参数的测量 4.3 雷达侦察信号的预处理 4.4 对雷达信号的主处理 4.5 数字接收机与数字信号处理 第4章 雷达侦察的信号处理 4.1 概 述 雷达侦察系统是一种利用无源接收和信号处理技 术,对雷达辐射源信号环境进行检测和识别、对雷达信 号和工作参数进行测量和分析,从中得到有用信息的设 备。实现对雷达辐射源信号环境进行侦察的典型过程 如下: 第4章 雷达侦察的信号处理 (1)由雷达侦察系统的侦察天线接收其所在空间的 射频信号,并将信号馈至射频信号实时检测和参数测量 电路。由于大部分雷达信号都是脉冲信号,所以典型的 射频信号检测和测量电路的输出是对每一个射频脉冲 以指定长度(定长)、指定格式(定格)、指定位含义(定位 )的数字形式的信号参数描述字,通常称为脉冲描述字 PDW(Pulse Discreption Word)。从雷达侦察系统的侦察 天线至射频信号实时检测和参数测量电路的输出端,通 常称为雷达侦察系统的前端。 第4章 雷达侦察的信号处理 (2)将雷达侦察系统前端的输出送给侦察系统的信 号处理设备,由信号处理设备根据不同的雷达和雷达信 号特征,对输入的实时PDW信号流进行辐射源分选、参 数估计、辐射源识别、威胁程度判别和作战态势判别 等。信号处理设备的输出结果一般是约定格式的数据 文件,同时供给雷达侦察系统中的显示、存储、记录设 备和有关的其它设备。从雷达侦察系统的信号处理设 备至显示、存储、记录设备等,通常称为雷达侦察系统 的后端。 第4章 雷达侦察的信号处理 随着高速数字电路和数字信号处理(DSP)技术的发 展,已经能够将宽带信号直接进行A/D变换、保存和处 理(数字接收机),使传统的测向、测频技术等与数字信 号处理技术紧密地结合到了一起,不仅改善了当前系统 的性能,并且具有良好的发展前景。 本章在讨论前端对脉冲信号到达时间(tTOA)、脉宽 (PW)和幅度(AP)检测与测量的基础上,着重讨论雷达侦 察系统中的后端对PDW信号流的信号处理过程、原理 和方法,最后简要讨论与数字接收机技术有关的数字信 号处理技术。 第4章 雷达侦察的信号处理 4.1.1 信号处理的任务和主要技术要求 雷达侦察系统中信号处理设备的主要任务是:对前 端输出的实时脉冲信号描述字流PDWii=0进行信号分 选、参数估计、辐射源识别,并将对各辐射源检测、测 量和识别的结果提供给侦察系统中的显示、存储、记 录和其它有关设备。 雷达侦察系统前端输出的PDWii=0的具体内容和 数据格式取决于侦察系统前端的组成和性能。在典型 的侦察系统中， (41) 第4章 雷达侦察的信号处理 式中,AOA为脉冲的到达方位角,fRF为脉冲的载波频 率;tTOA为脉冲前沿的到达时间;PW为脉冲宽度,AP为脉冲 幅度或脉冲功率;F为脉内调制特征;i是按照时间顺序检 测到的射频脉冲的序号。 第4章 雷达侦察的信号处理 对信号处理设备的主要技术要求有: 1.可分选、识别的雷达辐射源类型和可信度 雷达辐射源的类型一般分为信号类型和工作类型 。信号类型是按照雷达发射信号的调制形式进行分类 的,各种典型的雷达信号调制形式如图41所示。工作 类型是指雷达的功能、用途、工作体制和工作状态等 。雷达侦察系统所能够分选、识别的雷达辐射源类型 主要取决于侦察系统的功能和用途。通常,电子情报侦 察系统(ELINT)可分选、识别的雷达辐射源类型较多, 以便广泛掌握各种雷达的作战信息; 第4章 雷达侦察的信号处理 电子支援侦察系统(ESM)可分选、识别的雷达辐射源类 型主要是当前战场上对我方具有一定威胁的敌方雷达; 雷达寻的和告警系统(RHAW)可分选、识别的雷达辐射 源类型主要是对我形成直接威胁的火控、近炸、制导 和末制导雷达。 可信度是考核信号处理设备分选、识别结果的质 量指标。 第4章 雷达侦察的信号处理 图41 各种典型的雷达信号调制形式分类 第4章 雷达侦察的信号处理 2.可测量和估计的辐射源参数、参数范围和估计 精度 雷达侦察系统可测量和估计的辐射源参数包括由分 选后的脉冲描述字PDW中直接统计测量和估计的辐射 源参数,对PDW序列进行各种相关处理后统计测量和估 计的辐射源参数。这些参数的种类、范围和精度是与 雷达侦察系统的任务、用途密切相关的。典型雷达侦 察系统可测量和估计的辐射源参数、参数范围和估计 精度如表41所示。 第4章 雷达侦察的信号处理 表41 典型雷达侦察系统可测量和估计的辐射 源参数、参数范围和估计精度 第4章 雷达侦察的信号处理 第4章 雷达侦察的信号处理 3.信号处理的时间 雷达侦察系统信号处理的时间分为:对指定雷达辐 射源的信号处理时间Tsp和对指定雷达辐射源信号环境 中各雷达辐射源信号的平均处理时间 。 Tsp是指从侦察系统前端输出指定雷达辐射源的脉冲 描述字流PDWii=0,到产生对该辐射源分选、识别和 参数估计的结果,并达到指定的正确分选、识别概率和 参数估计精度所需要的时间。 第4章 雷达侦察的信号处理 是对指定雷达辐射源信号环境中N部雷达辐射 源处理时间的加权平均值,其中加权系数Wi可根据各辐 射源对雷达侦察系统的重要程度分别确定。 (42) 第4章 雷达侦察的信号处理 对雷达侦察系统信号处理时间的要求也是与侦察系 统的功能和用途密切相关的,在一般情况下。ELINT系统 允许有较长的信号处理时间,甚至可以将实时数据记录下 来,以后再作非实时的信号处理;ESM系统往往需要介入 战场的作战指挥、决策和控制,必须完成信号的实时处理 ,要求的信号处理时间较短。RHAW系统必须对各种直接 威胁作出立即的反应,其信号处理的时间更短。 第4章 雷达侦察的信号处理 雷达侦察系统的信号处理时间主要是对辐射源信 号分选、识别和参数估计的处理时间。显然,其可分选 和识别的辐射源类型越多,测量和估计的参数越多，范 围越大，精度越高,可信度越高,相应的信号处理时间也 就越长。但影响更大的是侦察系统中有关雷达辐射源 先验信息和先验知识的数量和质量,先验信息和先验知 识越多,它们的可信度越高,则处理时间就越短。 侦察系统实际所能够达到的信号处理时间除了其 本身的能力之外,也取决于其所在的雷达辐射源信号环 境,辐射源越多,信号越复杂,相应的信号处理时间也越长 。 第4章 雷达侦察的信号处理 4.可处理的输入信号流密度 可处理的输入信号流密度是指在不发生PDW数据 丢失的条件下,单位时间内信号处理机允许前端最大可 输入的PDWii=0平均数max。雷达侦察机前端输 出的信号流密度主要取决于信号环境中辐射源的数量, 侦察系统前端的检测范围、检测能力以及每个辐射源 的脉冲重复频率、天线波束的指向和扫描方式等。通 常,星载、机载的ELINT系统,所要求的max可达数百万 个脉冲/秒,机载ESM、RHAW系统的max为数十万个脉 冲/秒,地面或舰载侦察设备的max为数万至数十万个脉 冲/秒。 第4章 雷达侦察的信号处理 4.1.2 信号处理的基本流程和工作原理 雷达侦察系统信号处理的基本流程如图42所示, 其中各部分的基本工作原理如下。 1.信号预处理 信号预处理的主要任务是根据已知雷达辐射源的 主要特征和未知雷达辐射源的先验知识,完成对实时输 入PDWii=0的预分选。预处理的过程是:首先将实时 输入的PDWii=0与已知的m个雷达信号特征(已知雷达 的数据库)Cjmj=1进行快速匹配,从中分离出符合 Cjmj=1特征的已知雷达信号子流PDWi,jmj=1,分别放置 于m个已知雷达的数据缓存区, 第4章 雷达侦察的信号处理 由主处理单元按照对已知雷达信号的处理方法作 进一步的分选、识别和参数估计;然后再根据已知的一 般雷达信号特征的先验知识Dknk=1,对剩余部分 再进行预分选,并由Dknk=1的预分选产 生n个未知雷达信号的子流PDWi,knk=1,另外放置于n 个未知雷达的数据缓存区,由主处理单元按照对未知雷 达信号的处理方法进行辐射源检测、识别和参数估值 。预处理的速度应与PDWini=0的流密度相匹配,以求 尽量不发生PDWii=0流的数据丢失。 第4章 雷达侦察的信号处理 图42 侦察信号处理的基本流程 第4章 雷达侦察的信号处理 2. 信号主处理 信号主处理的任务是对输入的两类预分选子流 PDWi,jmj=1和PDWi,knk=1作进一步的分选、识别和参 数估计。其中对已知雷达辐射源子流PDWi,jmj=1的处 理是根据已知雷达信号序列PDWi,jmj=1的相关性,对 PDWi,jmj=1进行数据的相关分选,并对相关分选后的结 果进行已知辐射源的检测(判定该已知辐射源是否存在 ),再对检测出的雷达信号进行各种参数的统计估值。一 般情况下,在对PDWi,jmj=1进行主处理的过程中,被主处 理分选滤除出来的数据,将依照对未知辐射源Dknk=1的 预分选方法补到对应的PDWi,knk=1中。 第4章 雷达侦察的信号处理 对未知雷达辐射源子流PDWi,knk=1的处理主要是根据 对一般雷达信号特征的先验知识,检验PDWi,knk=1中的 实际数据与这些先验知识的符合程度,作出各种雷达信号 模型的假设检验和判决,计算检验、判决结果的可信度, 并对达到一定可信度的检出雷达信号进行各种参数的统 计估值。无论是已知还是未知的雷达信号,只要检验的结 果达到一定可信度,都可以将其实际检测、估计的信号特 征修改、补充到Cjmj=1、Dknk=1中,使Cjmj=1、 Dknk=1能够自动地适应于实际面临的信号环境。 第4章 雷达侦察的信号处理 其中识别出原来的未知雷达信号,将其特征补充到 已知雷达信号Cjmj=1中尤为重要,它不仅提高了整个信 号处理的速度、质量,也可以获得更大的信息量和宝贵 的作战情报。 信号处理的时间紧,任务重,要求高,所以现代的侦察 信号处理机往往是一个多处理机系统,采用高速信号处 理软件和开发工具编程,并可通过多种人机界面交互各 种运行数据和程序信息,接受人工控制和处理过程的人 工干预。信号主处理的输出是表现对当前雷达信号环 境中各已知和未知雷达辐射源的检测、识别结果、可 信度与各项参数估计的数据文件。 第4章 雷达侦察的信号处理 4.2 对雷达信号时域参数的测量 对雷达射频脉冲到达方位角(AOA)和载波频率(fRF) 的检测、测量分别由雷达侦察系统的测向天线、测向 接收机和测频天线、测频接收机完成。雷达射频脉冲 的时域参数主要是指脉冲的到达时间(tTOA) ,脉冲宽度 (PW)和脉冲幅度(AP)。在具有脉内调制分析处理能力的 侦察系统中,还可测量脉内调制特征(F)。 第4章 雷达侦察的信号处理 4.2.1 tTOA的测量 雷达侦察系统中对tTOA的测量原理如图43所示,其 中输入信号si(t)经包络检波、视频放大后为sv(t),将sv(t) 与检测门限UT进行比较,当sv(t)UT时,从时间计数器中 读取当前的时间t进入锁存器,产生本次tTOA的测量值。 实际的时间计数器往往采用N位二进制计数器级联,经 时间锁存的tTOA输出值为 (43) 第4章 雷达侦察的信号处理 图 43 第4章 雷达侦察的信号处理 式中,Dmod(T,t,t)为求模、量化函数;t为时间计数 器的计数脉冲周期;T=t2N为时间计数器的最大无模糊 计数范围;t为sv(t)发生过门限的时间。 (44) 第4章 雷达侦察的信号处理 函数INT(x)为求取实变量x的整数值。由于时间计数 器的位数有限,为了防止对长脉冲重复周期的雷达辐射源 信号产生周期测量模糊,一般应保证: TTrmax (45) 其中,Trmax为雷达侦察系统最大无模糊可测的雷达 脉冲重复周期。t取决于tTOA测量的量化误差和时间分 辨力,减小t可降低量化误差,提高时间分辨力,但对于相 同的T,减小t意味着提高计数器级数N,加大tTOA测量的 字长,增加信号处理时数据存储和计算的负担。 第4章 雷达侦察的信号处理 sv(t)信号脉冲前沿的陡峭程度也将影响tTOA测量的 准确性,而脉冲前沿既取决于输入信号si(t)本身,也取决 于侦察接收机的信道带宽Bv。通常在脉冲时域参数测 量电路中,按照侦察系统的最小可检测脉宽 来设置Bv: (46) 第4章 雷达侦察的信号处理 tTOA的检测和测量还将受到系统中噪声的影响,特别 是在脉冲前沿较平缓、信噪比较低时,系统噪声不仅影 响侦察系统的检测概率和虚警概率,还将引起门限检测 时间t的随机抖动t,如图44所示,t的均方根值: (47) 第4章 雷达侦察的信号处理 图44 接收机噪声对tTOA测量的影响 第4章 雷达侦察的信号处理 式中trs为检测脉冲的前沿时间,S/N为sv(t)的信噪比 。由于大部分侦察系统接收的是雷达天线主瓣辐射的 信号,能量比较强,所以适当地提高检测门限UT,保证大 信噪比工作,不仅可以降低检测的虚警概率Pfa,也有利于 提高tTOA测量的准确性。 如果在输入信号si(t)中同时存在两个信号si1(t)、 si2(t),则由于信号的交调,将使合成信号si(t)的包络呈现 较复杂的起伏: |si(t)|=|si1|2+|si2|2+2|si2|cos(1-2)t+ 1-21/2 (48) 第4章 雷达侦察的信号处理 式中|si1|、|si2|、1 ,2、1、2分别为si1(t)、si2(t)的 振幅、角频率和初相位,如图45所示。其中,当|si1|、 |si2|均大于UT时,tTOA的测量可能出现以下两种情况。 1) 122Bv或si1|-|si2UT 两个脉冲信号只产生一次门限检测,tTOA为先期到达 信号的前沿时间,后到的脉冲由于其前沿被先到的脉冲 重合而不产生门限检测,且由于两信号频差较大,交调引 起的幅度起伏快于电路响应,或者交调后的最低幅度仍 高于门限,因此不会造成脉内的检测中断: tTOA=minDmod(T,t,t1),Dmod(T,t,t2) (49) 第4章 雷达侦察的信号处理 2)120 (4108) 其中m个大的特征值对应于m个入射信号的功率,其 余pm个小的特征值对应于阵元的噪声功率。由于天 线阵元对S的响应B正交于噪声的特征子空间,MUSIC算 法就是以B在噪声子空间的最小投影方向作为辐射源方 向的估计。 第4章 雷达侦察的信号处理 (4109) Ui,i=m,p-1分别为pm个最小特征值构成的噪声 特征向量。 第4章 雷达侦察的信号处理 由上式不难看出,MUSIC算法特别适用于同频不同 方向信号的分辨,因此具有较好的对多径信号的识别能 力。此外,MUSIC算法也适用于平面上其它布阵形式的 天线,如图429所示,仅仅是天线阵元对信号的响应矩 阵B有所变化。 第4章 雷达侦察的信号处理 图429 平面上其它布阵形式的天线 第4章 雷达侦察的信号处理 (4110) 第4章 雷达侦察的信号处理 4.5.4 信号脉内调制的分析 对雷达信号脉内调制分析的主要目的是:识别脉内 调制的类型和检测脉内调制的参数。 目前雷达信号所采用的脉内调制主要分为:单载频 、多载频分集、多载频编码、线性调频(CHIRP)、二相 编码和多相编码等。各种调制类型所对应的主要调制 参数如表44所示。 常用的信号分析处理算法有:短时傅立叶变换、瞬 时自相关算法(ISC)和WIGNER分布算法(WD)等。 第4章 雷达侦察的信号处理 表44 各种调制类型所对应的主要调制参数 第4章 雷达侦察的信号处理 1) 短时傅立叶变换 该算法用于分析脉内信号的频谱。短时傅立叶变 换W(k)为 (4111) 第4章 雷达侦察的信号处理 该算法是线性的,不会产生多信号的交调,具有较高 的频率分辨能力和相应的频率估计精度,特别适用于对 单载频、频率分集、频率编码、线性调频信号的分析 和检测,如图430所示。其中,单载频信号为单组谱线, 谱宽为其脉宽的倒数;频率分集信号为多组谱线,谱宽亦 为其脉宽的倒数;频率编码信号为多组谱线,谱宽为其子 脉宽的倒数;线性调频信号具有近似的矩形谱,谱宽等于 其调频范围;相位编码信号为单组谱线,谱宽为其子码宽 度的倒数。 第4章 雷达侦察的信号处理 图430 脉内调制的谱分析 (a)单载频信号;(b)频率分集信号;(c)频率编码信号 (d)线性调频信号;(e)相位编码信号 第4章 雷达侦察的信号处理 2)瞬时自相关算法 信号的瞬时自相关运算定义为 (4112) 在忽略噪声的条件下,对于单载频信号、频率编码信号 、线性调频信号和相位编码信号的瞬时自相关运算结果如 图431所示。由于该算法是非线性的,不适于检测和分析 频率分集信号(因存在严重的多信号交调)。 第4章 雷达侦察的信号处理 对于振幅为A、频率为、初相为的单载频信号, 输出信号为一直流电平 (4113) 第4章 雷达侦察的信号处理 对载频为ik-1i=0、子码宽度为、初相为ik- 1i=0的频率编码信号,在子码内的相关为直流,相邻子码间 的相关输出是受相邻频差调制的交变信号: (4114) 式中,p=fck,是在子脉宽中的取样数。 第4章 雷达侦察的信号处理 图431典型信号的瞬时自相