雷达信号检测及参数估计算法设计与仿真

信息工程大学硕士学位论文 第 I 页 目 录 表目录 .目录 . 要 .一章 绪论 .题背景与意义 .内外研究历史与现状 . 低截获概率雷达的发展现状 . 低截获雷达信号截获技术研究现状及实际应用情况 .文主要研究内容 .文章节安排 .二章 低截获雷达信号设计与仿真 .言 .截获雷达简介 .达信号设计与其 . 11达信号模糊函数 . 11截获雷达信号 . 伪码 . 伪码 .章小结 .三章 .言 .于 . 信号发射和侦察截获模型 . 信号检测与参数估计算法设计 . 本章的信号检测和参数估计算法设计 .章小结 .四章 伪码.言 .息工程大学硕士学位论文 第 页 .值功率检测 . 基于峰值功率检测的信号检测方法的设计 . 基于峰值功率检测的信号检测方法的仿真 .于分数阶换的信号参数估计算法 . 复合信号参数估计 . .章小结 .束语 .考文献 .者简历 攻读硕士学位期间完成的主要工作 . 谢 .息工程大学硕士学位论文 第 页 表目录 表 1 低截获雷达系统 2 测距离与侦察接收机截获距离对比 1表 3 参数估计精度 0信息工程大学硕士学位论文 图目录 图 1 目标、侦察接收机及达的关系示意图 2伪码- 线性调频复合信号的构造形式 3图 3 伪码- 线性调频复合信号频谱图及调频子脉冲频谱 7图 4 伪码- 线性调频复合信号模糊函数图 8图 5 号的距离模糊函数图 8图 6 列(P=31) 距离模糊函数图 8图 7 号的速度模糊函数 9图 8 号速度模糊函数 9图 9 射信号和截获信号的时频关系 1图 10 文献38 中获信号时间与频率关系 1图 11 截获信号时频关系和2图 12 截获信号结果 9图 13 时截获信号的9图 14 时截获信号的0图 15 复合调制信号时频结构图 2图 16 复合调制信号频谱对比图 3图 17 峰值功率检测时检测概率随信噪比变化曲线 5图 18 一个编码周期信号的分数阶换 7图 19 复合调制信号参数估计示意图 7图 20 基带信号波形图 1图 21 调频斜率 的估计 1图 22 码元时宽 的估计 23 调频带宽 2图 24 载波估计 2图 25 编码规律识别率 3第 页 信息工程大学硕士学位论文 第 V 页 摘 要 现代战场上电子支援侦察（接收机和雷达告警接收机 (其是反辐射导弹(应用使得传统雷达已不能满足战场的需求，生存几率较低，而低截获概率雷达(达却可以采用各种低截获手段使雷达能够探测到目标，而目标处的电子侦察接收机不能发现雷达的存在。 本文主要对雷达信号检测和参数估计算法设计与仿真进行了研究，具体包括： 1、阐明了达信号的低截获原理，分析和研究了 伪码- 线性调频复合调制信号，并利用件对 伪码- 线性调频的低截获性能进行了仿真验证。 2、设计与仿真了一种基于换的对称三角线性调频连续波信号（检测与参数估计算法。该算法利用 的最优阶数，再通过相应阶数上计调制周期、调制带宽和载频等。利用件对该算法进行仿真实现，由仿真结果可知，该算法可以不受信号截获时间起点的限制，且鲁棒性较强。 3、设计与仿真了一种基于分数阶 换(的信号检测和参数估计算法。该算法通过在二维分数阶 内检测峰值来实现信号检测，在此基础上，基于分数阶换完成复合调制信号的参数估计。利用 件对该算法进行仿真实现，仿真实验表明，该算法可以在较低信噪比下实现 号的检测与参数估计。 关键词： 低截获雷达； 对称三角线性调频连续波 ；伪码 号检测；参数估计；息工程大学硕士学位论文 第 页 be is of of to by on PI is of PI of as as of We PI is is we of of is at of To a of on As a be by at is of in NR of to of a on a is on in to is of is of of be is in at 息工程大学硕士学位论文 第 1 页 第一章 绪论 题背景与意义 雷达是感知远距离目标方面取得的最大进步，20 世纪 40 年代以来，由于军事需求迫切，雷达及相关的雷达技术获得了广泛的应用和发展。针对地面、海上、空天甚至地下目标，雷达技术已广泛应用于目标预警与探测、拦截打击武器跟踪制导、航空航天、气象预报、大地测量等众多领域中。 在二战期间，雷达被大量使用以获得战场的主动权，同时为躲避敌方雷达的探测，相应的电子对抗措施如雷达信号截获、箔条干扰等技术也应运而生。伴随着人类科学技术的发展，反雷达探测的电子对抗措施也日新月异，如伪装、电子干扰、 隐身、低空进入、反辐射导弹(摧毁等等。特别是反辐射导弹的出现，使得雷达在现代战争中面临着电子干扰的软杀伤和 硬杀伤，其生存环境越来越恶劣。 用对方雷达辐射的电磁信号去发现、跟踪并最后摧毁目标雷达。目前，成为压制防空雷达系统、提高已方飞机生存能力最有效的手段之一，其技术的研究与发展受到各国的普遍重视。为了保证雷达在反辐射导弹存在的情况下提高生存能力并发挥目标预警、探测等作用，研究者们在不断地研究各种有效的反对抗措施。这些措施包括改变系统的体制、设计全新的天线与信号波形等，目的是降低敌方电 子侦察设备的截获概率，即 本文中提到的低截获概率 (达。由于低截获技术的应用可以大大提高雷达在战场上的生存能力，所以雷达设计者们对低截获雷达技术展开了一系列的探索和研究。 低截获雷达作为现代雷达技术发展的重要方向，具有较强的电子反对抗能力，是提高雷达战场生存能力的有效手段，受到各国的广泛重视并取得了飞速的发展。己方的电子侦察设备通过截获、分析、识别及定位敌方雷达的电磁辐射信号，分析战场上的电磁态势和敌方作战序列，为作战指挥提供决策依据和情报支援。但电子侦察设备所面临的信号环境是未知的，且目前的低截获雷达大都采用复杂的信号形式，如脉内调相、调频、重频抖动、扩频信号等，尤其是利用多种调制方式对雷达信号进行复合调制，极大地降低了电子侦察系统的截获概率。低截获雷达技术的迅猛发展对现代电子侦察系统是一种严峻的考验，主要表现在以下三个方面： (1) 传统电子侦察设备大都基于对信号的峰值 功率检测以完成对信号的截获，而低截获雷达均采用平均功率检测，并通过相参积累等信号处理技术获得较大的处理增益。显然传统电子侦察设备很难完成对低截获雷达信号的检测，因此要求现代侦察设备具备平均功率检测的能力。 (2)针对低截获雷达产生的大时宽带宽信号，或频率捷变技术，传统电子侦察接收机很难截获一个完整的信号。 (3) 针对低截获雷达采用的一些复杂调制方式 或多种调制方式的复合调制，传统电子侦察接收机很难准确检测出信号的各种参数，从而难以识别敌方的发射信号，难以实施有信息工程大学硕士学位论文 第 2 页 效的电子对抗措施。 雷达系统的设计与侦察接收机的设计和使用是 矛和盾的关系，低截获概率雷达的设计思想影响着未来的侦察接收机的发展，侦察接收机设计者必须尽其所能做出对低截获概率雷达设计成功的响应，有针对性地设计新体制的侦察接收机。近年来，低截获体制雷达呈现出采用复杂调制信号的趋势，复杂调制信号的典型代表有伪码- 线性调频信号、 些信号不仅具有单一调制信号的优点，而且有发射功率低、大时宽带宽积、失配小等特点，所以隐蔽性更好和抗干扰性更强。因此，亟需研究以数字化为基础的新型宽带数字化侦察接收机，采用计算机技术以自动完成对低截获雷达信号的检测。经过侦察接收机对信号进行数字化处理后，研究具有实时性强、抗噪性能好、能进行信号参数自动提取的信号处理算法是当前国内外学者研究的热点与难点，对现在和未来的电子战均具有非常重要的战略意义。 内外研究历史与现状 截获概率雷达的发展现状 20 世纪 70 年代末，研究者们开始了对低截获概率理论的探索与研究， 982年发表了“低截获概率雷达技术1”一文，首次正式引入低截获概率雷达方程。系列具有抗电子干扰和抗反辐射导弹能力的新型雷达和试验系统的报道不断涌现，低截获概率雷达技术得到了广泛的研究和发展。研究者们在低截获概率技术领域内的不断探索，使其在理论研究和实际应用领域都取得了长足的发展，日趋复杂的电磁环境也使雷达设计者们意识到实现雷达的低截获性能是未来雷达发展的主流方向，如果一部雷达不具备一定的低截获概率性能，那么它在现在和未来战争中将无法生存下去，并发挥应有的作用23。 低截获雷达发展史上的第一个研制品是美国休斯飞机公司的边扫描边跟踪(达著名的翡翠(静雷达，它随后被广泛应用于战斗机雷达上。然后又出现了许多具备低截获性能新体制雷达，如低截获雷达中的典型代表菲利普公司研制的领航员(雷达一代、二代和三代产品，该系列产品均采用线性调频连续波的信号形式，输出功率小于 1W，能在 25 公里内探测到目标反射截面积达到 100 表 1列出了一些目前正装备使 用的低截获雷达系统4，从表中可见，它们已被广泛应用于舰船、潜艇、以及海岸等以进行机载测高、导航、监视和火控等诸多方面。 在上世纪八十年代，我国也开始进行随机信号雷达的试验，但由于各方面的限制，当时的试验仅限于近距离目标探测上，并不能达到理论研究上的性能。近年来，我国在低截获雷达的研究方面取得了一定的成就，也装备了一些低截获雷达，如中程地面监视雷达，以全相参方式工作在X 波段，能精确探测、定位识别地面运动或低空目标，在严重的电子干扰和杂波环境中也能正常工作，能探测到 10 公里内的行人、15 公里内的轻型车辆，20 公里内的直升飞机以及 30 公里内的船只。 信息工程大学硕士学位论文 第 3 页 表 1 低截获雷达系统 制造商 项目名称 低截获用途 N/雷达测高计 雷达测高计 达测高计 达测高计 巡航导弹雷达高度表 雷达测高计 雷达测高计 N/V) 精密进近自动着陆 战术自动着陆系统 视，导航 监视，导航 监视 火控和监视 火控 对空监视 对空监视 水面目标探测 中国 中程地面监视雷达 目标跟踪与探测雷达 目标搜索和指示 战术多模火控雷达 战术多模雷达 术多模雷达 形跟随雷达 达制导空对地导弹 截获雷达信号截获技术研究现状及实际应用情况 随着低截获概率雷达的出现和飞速发展，作为电子侦察的一方，也在不断探索关于低截获概率雷达信号的检测方法。低截获雷达的发展不仅提高了雷达的战场生存能力，而且也改变了电子对抗的局面，低截获雷达信号良好的低截获性能使传统的侦察接收机失去了以往的优势，其很难检测到雷达信号的存在，同时也就无法对信号进行识别和参数估计，雷达告警系统、反辐射导弹及电子支援的威胁大幅降低，基于此，众多研究者开始致力于探索与研究低截获雷达信号的截获与处理，正如 节所述，低截获雷达信号采用了多种有效的措施来降低其被截获的概率，而且为了增加信号识别和参数估计的难度，其往往采用复杂的调制方式或利用多种调制方式进行复合调制，因此，研究具有针对性的低截获信号处理算法，实现低截获雷达信号检测与参数估计，具有重大的现实意义。 信息工程大学硕士学位论文 第 4 页 1990 年 文献6 中讨论了电子侦察接收机与雷达之间在灵敏度问题上所呈现的关系，该文引起了众多研究者的广泛注意。目前，国内外已经设计与仿真了不少用于处理低截获雷达信号的分析方法，具体如下： 目前时频分析法是最常用的一种用于分析低截获雷达信号的方法，该类方法结合了时间和频率分析手段的信号处理方法，可以准确反映非平稳信号的时变特征，是对传统的频率分析手段的一种推广，总体来说 它可分为短时小波变换、 数阶 及对各种针对 波变换通过基于小波函数的伸缩和平移来构成一系列不同分辨率的正交投影空间及其对应的基，小波变换对信号的平稳性没有任何要求，具有可变的时间和频率分辨率，同时由于小波变换是线性变换，所以不会产生模糊交叉项， 正是小波变换的这些优点使其在低截获信号分析、检测、去噪、分类等领域有着广阔的应用前景。文献7 设计与仿真了利用瞬时自相关小波变换方法对跳频信号的检测，文献8 研究了对低截获脉冲信号的小波域二次检测技术，文献 9将小波变换理论用正交镜像滤波器组实 现，并应用到对低截获雷达信号的检测识别中，效果良好。短时换 (是 1946 年设计与仿真的加窗换的一种形式。它利用一个很窄的窗函数取出信号，并求其 方法的优点是概念清晰、直观，不存在交叉项，不足之处是很难找到合适的窗函数，能够使信号在其时间宽度内既满足平稳性的假设又不使窗过窄。因此，该类方法的发展和应用主要是采用自适应的方法对不同的时段选择不同长度的窗函数，如文献10 研究自适应窗长的法，其设计与仿真的一种窗函数为含两个控制参数的高斯窗函数。该方法对瞬态信号和长时间信号分量具有一定的自适应能力。文献 11中邹红星等将 出了一种基于换的线性调频信号检测。 等在文献12 中基于滤波器组实现信号的高效分解，并由此获得高效的检测器。 1980 年特征值与特征函数的角度，以纯数学的方式设计了分数阶换 (概念，所以分数阶换(基于坐标轴旋转的。该变换方法最先在光信号的处理上得到了应用。 1996 年设计与仿真了一种计算量与 3，解决了计算量的问题。从此以后，信号处理领域中的应用也在不断增加。然不能直接表征信号的局部特性，但如果用分数阶变换轴构成平面来表征信号，则也可以用分数阶换对信号进行时频分析。由于以不存在任何的交叉项。也正因为有此优点， 4。魏格纳- 威尔分布( 1932 年由魏格纳(量子热力学中首先提出，并由威尔 (在 1948 年引入信号分析领域。作为一种能量型时频联合分布，魏格纳- 威尔分布与其他时频分布相比有许多优点，如真边缘性、弱支撑性、平移不变性等。因此，它是一个非常有用的非平稳信号分析工具。当信号为单信号时， 5，但不足之处是多分量信号的也在不少场合限制了其的应用，所以后来研究人员在此基础上，设计与仿真了多种改进形式以消除交叉项的影响，如信息工程大学硕士学位论文 第 5 页 平滑魏格纳 伪魏格纳 及平滑伪魏格纳 16 能量检测法是一种相对传统的低截获信号检测方法，其属于非线性检测法。该方法的基本思想是假定在高斯白噪声环境下，由于信号加噪声的能量大于噪声的能量，所以只要选择合适的门限值并判断输出与门限值的大小即可实现信号的检测。在没有任何先验知识和噪声是高斯白噪声的情况下，能量检测法相对简单，且是一种低截获概率信号的最佳检测方法19，但能量检测器容易受到未知噪声、功率变化噪声以及强干扰的影响。因此后来研究者们针对其缺点又设计了许多改进方法来提高信号的检测概率，如自适应滤波器组、自适应门限调节等。 信号的检测通常是在先验信息相对较少的情况下进行的，因此，如何充分利用信号本身内在的各种特征来识别信号是一个关键问题。循环平稳特性可以揭示隐含在信号各种统计参量中的周期属性，是一种可以用来进行信号识别的信号本身内在的特征。该特性在雷达信号的截获、检测和识别中均获得了比较成功的应用2021。低截获雷达信号采用数字调制，其统计特性呈周期或多周期平稳变化，而噪声等干扰信号一般不具有循环平稳特性，因而采用循环平稳来分析低截获雷达信号具有天然的抗噪性能。并且针对不同的信号，其相应的循环平稳统计参量也是不同的。文献22 设计与仿真了相位编码信号的循环平稳分析方法，文献23 利用循环谱对低截获信号在双频率域上进行了研究。 高阶统计量是近年来发展较快的现代信号处理方法之一，因为它对大多数噪声都有很好的抑制作用。它不仅对未知自相关的加性噪声不敏感，而且对另一类非高斯有色噪声( 如均匀分布和任何对称分布噪声) 也不敏感，因此在非高斯性、非最小相位、高斯有色噪声和盲信号处理等中发挥了重要的作用，已经逐步成为一个热点和难点。已有不少学者将高阶统计量方法用于低截获 信号的分析与检测中2425。文献 26利用高阶统计量实现了低截获概率通信信号的调制识别。文献 27将高阶统计量与自适应小波变换相结合，对海底声纳信号进行检测与还原。文献 28将并联滤波器组与高阶累积量相结合，对低截获雷达信号进行分析与处理。 此外，混沌学理论、空时自适应方法、仿生行为学、智能神经网络、 换、自适应技术及 换法等被大量应用在低截获信号去噪、识别、估计和测向等方面，而且均取得了不错的成果。 国外对低截获接收机的研究相对较多。文献29 中设计了以数字去斜和 并对海用导航低截获雷达 国收机，采用了以数字滤波和 接收机数据流的先进处理算法。澳大利亚特尼克斯 (御系统公司研制的高灵敏度微波接收机 (30，能搭载于飞机、船只、潜艇、车辆等平台上，可单独使用，也可与现有的侦察系统配合使用。统设计用于检测低截获雷达信号，因其具有较高的灵敏度，能够提供早期预警，拥有 z，12勒斯公司 开发的新一代截获低截信息工程大学硕士学位论文 第 6 页 获信号的宽带数字接收机 具有良好的雷达信号细微特征分析能力和电子情报侦察能力，能检测到同时到达信号，并具有两种工作模式：高灵敏度搜索模式( 针对线性调频连续波信号和伪码调相连续波信号) 和电子保障模式。以色列 005载电子战设备对 00%截获概率。 文主要研究内容 本文针对电子侦察信号处理中低截获雷达信号检测与参数估计进行了深入研究，具体的研究内容如下： 1、针对典型的低截获雷达信号，分析和研究了 伪码- 线性调频复合调制信号，并利用码- 线性调频的低截获性能进行了仿真验证。 2、针对 号检测与参数估计中信号截获时间起点设置的问题，设计与仿真一种新的 号检测与参数估计方法。 该方法利用 换估计信号的调频斜率确定分数阶傅里叶变换（的最优阶数，再通过相应阶数上 计调制周期、调制带宽和载频等，该方法信号截获时间可以不受信号起点的限制，更加符合实际系统的要求。最后通过 件进行仿真实现。 3、针对低信噪比条件下提高伪码 信号检测与参数估计性能的问题，设计与仿真一种新的信号检测和参数估计方法。该方法通过在二维分数阶 此基础上，利用分数阶 换(实现号的参数估计，在低信噪比下性能较好。最后通过 件进行仿真实现。 文章节安排 全文共分为五章，具体结构安排如下： 第一章 介绍了本文研究的背景与意义，综述了低截获雷达的发展概况，总结了低截获雷达信号截获技术的研究现状和实际应用情况。 第二章 研究了低截获概率雷达原理与低截获措施，简要介绍了几种典型低截获雷达信号，并从时域、频域以及模糊函数的角度出发，重点分析研究了伪码- 线性调频复合信号的特性及低截获性能，并将其在 件上仿真实现。 第三章 研究了对称三角线性调频连续波(信号检测与参数估计方法。首先给出号发射与侦察截获模型，然后设计与仿真一种新 的信号检测与参数估