鄭惠文，黃建沖

(電子工程學(xué)院， 安徽 合肥 230037)

利用脈沖TDOA的雷達(dá)信號(hào)分選方法*

鄭惠文，黃建沖

(電子工程學(xué)院， 安徽 合肥 230037)

針對(duì)傳統(tǒng)雷達(dá)信號(hào)分選方法在復(fù)雜環(huán)境下分選雷達(dá)信號(hào)時(shí)對(duì)于信號(hào)形式的適應(yīng)能力不強(qiáng)的缺點(diǎn)，提出一種對(duì)于雷達(dá)脈沖信號(hào)具有普適性的信號(hào)分選方法。該方法通過(guò)2個(gè)偵察站來(lái)偵察接收雷達(dá)信號(hào)，根據(jù)同一雷達(dá)輻射源的脈沖信號(hào)到達(dá)2個(gè)偵察接收站的時(shí)間差相同的原理進(jìn)行信號(hào)分選。理論分析和計(jì)算機(jī)仿真表明該方法切實(shí)可行，能較好地解決復(fù)雜信號(hào)環(huán)境下雷達(dá)信號(hào)的分選難題。

雷達(dá)信號(hào)分選；到達(dá)時(shí)間；到達(dá)時(shí)間差；脈沖重復(fù)間隔；余弦定理；實(shí)時(shí)性

0 引言

20世紀(jì)20年代雷達(dá)就初具雛形，隨著人們對(duì)雷達(dá)的研究更加深入，對(duì)相關(guān)技術(shù)的要求也逐漸提高，慢慢出現(xiàn)了雷達(dá)信號(hào)分選技術(shù)。20世紀(jì)70年代，Campbell開(kāi)始對(duì)復(fù)雜信號(hào)環(huán)境下的信號(hào)分選識(shí)別算法進(jìn)行研究，參數(shù)范圍匹配法、試探法和統(tǒng)計(jì)平均估計(jì)法是當(dāng)時(shí)最流行的方法。后續(xù)學(xué)者提出利用脈沖到達(dá)時(shí)間(TOA)進(jìn)行基于脈沖重復(fù)間隔(pulse repetition internal, PRI)的去交錯(cuò)實(shí)時(shí)分選算法[1-2]，在此基礎(chǔ)上延伸出累計(jì)差值直方圖算法[3]、序列差值直方圖算法[4]、復(fù)值自相關(guān)積分法[5]、平面變換法[6]等方法，也有學(xué)者在小波變換法[7]、支持向量機(jī)聚類(lèi)算法[8]上取得了一定研究成果。在雷達(dá)數(shù)量少、樣式簡(jiǎn)單時(shí)，這些方法尚能發(fā)揮作用，在雷達(dá)體制兼容、樣式繁多的情況下，這些方法的適應(yīng)性較差。

為了解決雷達(dá)信號(hào)分選方法存在的問(wèn)題，考慮通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)信號(hào)分選方法進(jìn)行改進(jìn)或研究新的方法來(lái)提高算法的適應(yīng)能力[9-10]。本文提出一種基于脈沖到達(dá)時(shí)間差(TDOA)的雷達(dá)信號(hào)分選方法，該方法對(duì)于脈沖信號(hào)形式具有普適性，且能準(zhǔn)確地分離各個(gè)輻射源的脈沖信號(hào)，對(duì)獲取正確、完整的雷達(dá)對(duì)抗偵察情報(bào)意義重大。

1 基本原理

本文提出的基于脈沖TDOA的雷達(dá)信號(hào)分選方法利用2個(gè)偵察站來(lái)偵察接收雷達(dá)信號(hào)，通過(guò)分別測(cè)量雷達(dá)脈沖信號(hào)到2個(gè)偵察站的TOA，將2個(gè)TOA相減，得到脈沖信號(hào)到達(dá)2站的TDOA，按TDOA的不同對(duì)隨機(jī)交疊的脈沖序列進(jìn)行分組，達(dá)到信號(hào)分選的目的。采用該方法分選雷達(dá)脈沖信號(hào)，不管信號(hào)形式多復(fù)雜，只要是由同一部雷達(dá)發(fā)射的信號(hào)，到達(dá)2個(gè)偵察站的TDOA必然相同，其原理示意如圖1所示。

圖1 基于脈沖TDOA分選方法原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of the principle of pulse TDOA sorting

2 方法流程

一段時(shí)間內(nèi)，同一串脈沖信號(hào)被主站和副站接收到，副站將接收到的信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)至主站；在主站內(nèi)對(duì)主站接收到的信號(hào)和副站轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)來(lái)的信號(hào)進(jìn)行高精度的TOA測(cè)量和快速測(cè)頻、脈寬、脈幅等參數(shù)，形成2組全脈沖參數(shù)，送入脈沖相關(guān)器提取時(shí)間差，得到TDOA。前圖1中只設(shè)了2個(gè)雷達(dá)輻射源，所以只存在2個(gè)TDOA值Δt1和Δt2，若接收到的脈沖信號(hào)來(lái)自M(M>2)個(gè)雷達(dá)輻射源，則會(huì)出現(xiàn)M個(gè)TDOA值Δt1，Δt2，…，Δtn(n=3,4,…,M)，根據(jù)TDOA的不同將全脈沖序列分成M組，每一組脈沖就是一部雷達(dá)發(fā)射的信號(hào)，完成信號(hào)分選。其流程如圖2所示。

圖2 基于脈沖TDOA雷達(dá)信號(hào)分選流程圖Fig.2 Flow chart of radar signal sorting based on pulse TDOA

3 案例分析及仿真

為驗(yàn)證該方法的可行性，在這以6個(gè)輻射源為例對(duì)該方法進(jìn)行分析并仿真。如圖3所示，假設(shè)主站和副站的地面距離為1 km，兩站由一條長(zhǎng)為1 km光纖連接(由于地勢(shì)、交通等原因，所需的光纖長(zhǎng)度可能會(huì)大于1 km，但光纖長(zhǎng)度可事先測(cè)量，在這假設(shè)為直線(xiàn)連接)，以主站為原點(diǎn)、主站和副站連線(xiàn)的延長(zhǎng)線(xiàn)為x軸作直角坐標(biāo)系，用極坐標(biāo)的形式表示6個(gè)輻射源的位置：A(100,119°)，B(115,101°)，C(105,87°)，D(120,80°)，E(125,68°)，F(xiàn)(110,59°)。

圖3 輻射源與偵察接收站的相對(duì)位置Fig.3 Relative position of radiation source and the reconnaissance receiving station

在由主站、副站和輻射源A構(gòu)成的三角形中，已知輻射源A到主站、副站到主站的距離和二者的夾角，由余弦定理可求得輻射源A到副站的距離為

100.488 62 km.

(1)

副站接收輻射源A的脈沖信號(hào)并轉(zhuǎn)發(fā)到主站，實(shí)際傳輸距離為(100.488 62+1)km，但是副站把信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)到主站的時(shí)間可以事先測(cè)量，在計(jì)算TDOA時(shí)扣除即可，故不計(jì)算在傳輸時(shí)間內(nèi)。所以，理論上輻射源A發(fā)射的脈沖信號(hào)到達(dá)主站和副站的TDOA為

ΔtA=(100-SA)/c=-1.628 73 μs.

(2)

式中：c為電磁波在真空中的傳播速度。

同理，可以計(jì)算出輻射源B,C,D,E和F的脈沖信號(hào)到達(dá)兩站的TDOA的理論值為

ΔtB=(115-SB)/c=-0.649 97 μs;

(3)

ΔtC=(105-SC)/c=0.158 62 μs;

(4)

ΔtD=(120-SD)/c=0.565 33 μs;

(5)

ΔtE=(125-SE)/c=1.237 19 μs;

(6)

ΔtF=(110-SF)/c=1.705 61 μs.

(7)

方法根據(jù)同一輻射源的脈沖到達(dá)兩站的TDOA相同分選信號(hào)，與雷達(dá)信號(hào)的復(fù)雜程度無(wú)關(guān)，所以在這以常規(guī)脈沖信號(hào)和脈沖參差信號(hào)為例進(jìn)行分析。設(shè)輻射源A,B,C和D在一段時(shí)間內(nèi)持續(xù)發(fā)射PRI分別為119,143,162和186 μs的常規(guī)脈沖信號(hào)，輻射源E,F發(fā)射子周期分別為104和191 μs,97和172 μs的二參差脈沖信號(hào)。在信噪比為20 dB時(shí)，常規(guī)PRI信號(hào)和二參差脈沖信號(hào)仿真圖如圖4所示。

圖4 脈沖信號(hào)圖Fig.4 Pulse signal graph

利用該方法分選信號(hào)，必須使2個(gè)偵察接收機(jī)的距離很近(相對(duì)于接收機(jī)和輻射源之間的距離)，以保證在一段時(shí)間內(nèi)兩接收機(jī)能接收到同一串雷達(dá)信號(hào)，在實(shí)際應(yīng)用中很容易實(shí)現(xiàn)。雷達(dá)輻射源發(fā)射的脈沖信號(hào)在接收機(jī)中隨機(jī)交疊，通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真模擬接收機(jī)接收到的雷達(dá)信號(hào)，在主站中截取同一段時(shí)間主站接收到的信號(hào)和副站轉(zhuǎn)發(fā)到主站的信號(hào)，其中副站轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)來(lái)的信號(hào)是經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)發(fā)校正的信號(hào)(即扣除了固定遲延)。在信噪比為20 dB時(shí)，主站和副站接收信號(hào)的仿真圖如圖5所示。

利用恒比觸發(fā)法[11]對(duì)接收機(jī)內(nèi)的脈沖信號(hào)進(jìn)行整形，可得到高精度整形脈沖序列。在主站內(nèi)對(duì)經(jīng)過(guò)整形的脈沖序列進(jìn)行高精度的TOA測(cè)量和快速測(cè)頻、測(cè)脈寬、脈幅等參數(shù)，形成兩組全脈沖參數(shù)，送入脈沖相關(guān)器提取TDOA。本文在兩站之間提取TDOA的方式是基于統(tǒng)一信號(hào)的時(shí)差提取方式[12]，克服了多站系統(tǒng)中的時(shí)統(tǒng)誤差[13]，極大地提高了系統(tǒng)精度；副站信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)到主站的時(shí)間可以通過(guò)校正加以消除；測(cè)量脈沖TOA的方法[14]能做到高精度、實(shí)時(shí)測(cè)量，在目前硬件水平下，測(cè)量精度可以達(dá)到10-10s級(jí)；兩站之間提取TDOA和脈沖PRI提取的區(qū)別在于2個(gè)脈沖分別來(lái)自2個(gè)接收機(jī)，因此，必須考慮接收機(jī)的一致性誤差[15]，接收機(jī)的一致性誤差在目前的技術(shù)水平可以達(dá)到納秒量級(jí)。綜上所述，該方法的總誤差在納秒量級(jí)。

截取30 ms內(nèi)主站和副站接收的雷達(dá)信號(hào)，測(cè)量各脈沖的TOA，并利用TOA求取脈沖到達(dá)兩站的TDOA，在計(jì)算結(jié)果上加上接收機(jī)一致性誤差ξ，即為實(shí)際情況中的TDOA值。在圖3所示的布站模型，TDOA的最大值為Δt0=1×103/c=3.333 33 μs(當(dāng)且僅當(dāng)輻射源與兩站三點(diǎn)一線(xiàn)的位置)。設(shè)Δt=Δt0+0.011=3.344 33 μs(冗余考慮測(cè)量誤差為1 ns，接收機(jī)一致性誤差為10 ns)為判決門(mén)限，利用Matlab進(jìn)行仿真運(yùn)算，求解脈沖到達(dá)兩站的TDOA，其中ξ由計(jì)算機(jī)程序生成為規(guī)定范圍內(nèi)的誤差，輸出絕對(duì)值小于判決門(mén)限的TDOA值，仿真結(jié)果如圖6所示。

從仿真圖上可以看出，存在十幾個(gè)集中的TDOA值，但實(shí)際情況中應(yīng)該只存在6個(gè)集中TDOA值，即存在虛假的TDOA值，稱(chēng)虛假的TDOA點(diǎn)為諧波點(diǎn)。如果按照將TDOA的不同直接分選，則會(huì)分選出十幾部雷達(dá)，即出現(xiàn)增批現(xiàn)象，所以必須作一定處理?？紤]從最密集的TDOA值開(kāi)始，把符合該TDOA的兩站的脈沖全部從脈沖序列中扣除；再?gòu)氖Ｏ碌拿}沖序列中按最密集的TDOA值開(kāi)始分選，直至分選完畢。

對(duì)仿真圖6中從最密集的TDOA開(kāi)始分選，設(shè)定容差tTDOA±0.011→tTDOA，將分選出來(lái)的脈沖從序列中扣除，直至所有的脈沖分選完畢。分選過(guò)程如圖7所示。

從仿真結(jié)果可以看出，從最密集的TDOA值逐次分選，隨著被分選出的脈沖越來(lái)越多，諧波點(diǎn)就越來(lái)越少，直至分選完畢，諧波點(diǎn)消失。所以，利用該方法分選信號(hào)，只要能測(cè)得脈沖的TOA，獲得TDOA，就能完成信號(hào)分選。

圖5 偵察接收站接收到的信號(hào)Fig.5 Signals received by reconnaissance receiving stations

圖6 脈沖TDOA求解仿真結(jié)果Fig.6 Simulation results of pulse TDOA solution

圖7 逐次分選結(jié)果Fig.7 Simulation results of successive sorting

4 結(jié)束語(yǔ)

本文在分析當(dāng)前雷達(dá)信號(hào)分選方法存在的問(wèn)題的基礎(chǔ)上，提出了一種基于脈沖TDOA的雷達(dá)信號(hào)分選方法，然后介紹了該方法的基本原理和分選流程，最后通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了算法的可行性。

方法分選信號(hào)與信號(hào)形式無(wú)關(guān)，即對(duì)于脈沖信號(hào)具有普適性。但仍然存在有待完善的問(wèn)題：一方面，方法根據(jù)同一輻射源的脈沖信號(hào)到達(dá)兩站的TDOA相同分選信號(hào)，提高TOA測(cè)量精度可以進(jìn)一步提高分選準(zhǔn)確性；另一方面，對(duì)于TDOA的求解結(jié)果每次只能分選出一個(gè)輻射源，實(shí)時(shí)性還有待提高。

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Radar Signal Sorting Method Utilising Pulse TDOA

ZHENG Hui-wen, HUANG Jian-chong

(Electronic Engineering Institute, Anhui Hefei 230037, China)

Aiming at the problem that the adaptability to signal form of traditional radar signal sorting methods are poor in complex signal environment， a new method of radar signal sorting is proposed，which is wildly applicable to radar pulse signal, by setting up two reconnaissance stations for receiving radar signal．Theoretical analysis and computer simulation indicate that this method is feasible and it can solve the problem of radar signal sorting in complex environment well．

radar signal sorting; time of arrival (TOA); time difference of arrival (TDOA); pulse repetition interval(PRI); cosine theorem; real time

2016-05-31；

2016-08-18 作者簡(jiǎn)介：鄭惠文(1991-)，男，四川隆昌人。碩士生，主要研究方向?yàn)槔走_(dá)對(duì)抗信號(hào)處理。

10.3969/j.issn.1009-086x.2017.02.034

TN957.5;TP301.6;TP391.9

A

1009-086X(2017)-02-0217-06

通信地址：230037 安徽省合肥市蜀山區(qū)黃山路460號(hào)503教研室 E-mail：307500035@qq.com