一種基于脈沖樣本圖的周期信號(hào)序列自提取方法

許 琪，吳 琳(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十一研究所，上海 201802)

0 引 言

在日益復(fù)雜的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中，對(duì)輻射源的分選識(shí)別越來(lái)越困難。由于軍事領(lǐng)域的保密要求，難以獲得各雷達(dá)輻射源完整有效的信號(hào)序列樣式、各參數(shù)的先驗(yàn)知識(shí)，因而難以獲得分選識(shí)別所需的知識(shí)庫(kù)、數(shù)據(jù)庫(kù)等，傳統(tǒng)的分選識(shí)別方法越來(lái)越不適用于現(xiàn)代電子戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境。

本文引入了文獻(xiàn)[1]提出的一種新的描述雷達(dá)信號(hào)序列樣式的方法，該方法為信號(hào)分選識(shí)別提供了一種新思路[2]。

傳統(tǒng)信號(hào)分選中的重點(diǎn)目標(biāo)快速篩選處理技術(shù)[3]利用先驗(yàn)知識(shí)，如已知某雷達(dá)某種工作模式的脈沖信號(hào)序列樣式，這時(shí)就可以用數(shù)據(jù)庫(kù)中該模板樣本圖與脈沖序列數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配相關(guān)，提取該樣本圖對(duì)應(yīng)的脈沖序列，從而將信號(hào)分離開來(lái)。但復(fù)雜體制的雷達(dá)信號(hào)形式大多數(shù)是未知的，本文利用同種脈沖信號(hào)序列之間的相關(guān)性，將脈沖平移后相關(guān)，通過(guò)不斷調(diào)用匹配模塊，可將模板樣本圖逐一自動(dòng)提取，并同時(shí)提取該模板樣本圖對(duì)應(yīng)的脈沖序列，通過(guò)不斷的提取扣除，實(shí)現(xiàn)信號(hào)序列的提取。文獻(xiàn)[4]采用脈沖樣本圖的描述方式，提取了全脈沖數(shù)據(jù)中所含的模板樣本圖。本文在其基礎(chǔ)上可將模板樣本圖對(duì)應(yīng)的脈沖序列同時(shí)提取，不再需要用模板樣本圖對(duì)全脈沖序列再次匹配相關(guān)來(lái)提取，提高了信號(hào)分選的速度，實(shí)現(xiàn)了快速威脅告警。

1 雷達(dá)信號(hào)脈沖樣本圖

雷達(dá)信號(hào)脈沖樣本圖是對(duì)雷達(dá)某一工作模式下脈沖序列的準(zhǔn)確描述。假設(shè)S=(P1,P2,P3,…,PN)是某雷達(dá)在某功能某工作模式下發(fā)射的一組脈沖序列，其中N為脈沖個(gè)數(shù)。且序列的某些脈沖是以某個(gè)子序列SL=(Pi,Pi+1,Pi+2,…,Pi+L)周期重復(fù)出現(xiàn)組成的，則SL就是該脈沖序列的一個(gè)模板樣本圖。其中P表示含有到達(dá)角、射頻、脈寬、到達(dá)時(shí)間和脈內(nèi)調(diào)制特征等特征參數(shù)的雷達(dá)信號(hào)脈沖描述字[1]。

2 樣本圖提取

2.1 樣本圖提取技術(shù)原理

設(shè)一個(gè)脈沖脈沖描述字(PDW)為P=(x1,x2,…,xk)，其中k為特征參數(shù)的個(gè)數(shù)，xj表示某個(gè)特征參數(shù)的值或數(shù)值區(qū)間，這里采用數(shù)值區(qū)間。

模板樣本圖的自提取就是將脈沖序列移位后原脈沖序列進(jìn)行相關(guān)匹配，當(dāng)移位時(shí)差為某信號(hào)的周期時(shí)，自相關(guān)函數(shù)值最大，這個(gè)周期內(nèi)脈沖序列就是該信號(hào)在當(dāng)前脈沖序列中的模板樣本圖。

設(shè)tn(n=1,…,N)為N個(gè)脈沖序列的到達(dá)時(shí)間。根據(jù)單位沖擊函數(shù)理論，將到達(dá)時(shí)間用單位沖擊函數(shù)來(lái)表示，則脈沖序列可以表示為:

(1)

自相關(guān)函數(shù)的表達(dá)式為：

(2)

將脈沖列的位移位數(shù)設(shè)為k，則Rx(τ)的離散形式可表達(dá)為：

(3)

設(shè)置移位位數(shù)后，將各個(gè)移位脈沖依次與原脈沖進(jìn)行匹配相關(guān)，從其中匹配個(gè)數(shù)最多的移位脈沖中即可提取模板樣本圖。

對(duì)2個(gè)脈沖的距離匹配則用歐式加權(quán)距離d(x,y)進(jìn)行判定，定義如下：

(4)

式中：k為特征參數(shù)的個(gè)數(shù)；x和y為2個(gè)具有k維特征參數(shù)的向量；wi為向量中第i維參數(shù)的加權(quán)值。

脈內(nèi)調(diào)制特征參數(shù)(IPC)以編碼表示，其距離定義為：

(5)

對(duì)所處理的雷達(dá)脈沖信號(hào)序列，不同的特征參數(shù)具有不同的值域和量綱。計(jì)算脈沖距離時(shí)，需要對(duì)參數(shù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，消除不同值域和量綱的影響。

x與y在第k維特征參數(shù)上的距離為:

(6)

式中：Δxk為x脈沖的第k維特征參數(shù)的容差。

計(jì)算兩者的加權(quán)歐式距離d(x,y)，當(dāng)dxy

2.2 脈沖序列信號(hào)分選

為了更有效地提取脈沖序列中所有模板樣本圖，首先進(jìn)行預(yù)處理，將脈沖序列按方位和頻段進(jìn)行粗劃分，隨后對(duì)各頻段或方位下的脈沖序列進(jìn)行模板樣本圖及其對(duì)應(yīng)脈沖序列的提取。

圖1 信號(hào)序列自提取流程

若移位位數(shù)為n時(shí)的自相關(guān)函數(shù)Rn最大，且Rn>Rthreshold，則可根據(jù)標(biāo)識(shí)函數(shù)對(duì)移位脈沖序列Sn進(jìn)行提取整理，得到模板樣本圖和其對(duì)應(yīng)的脈沖序列。

假設(shè)有一重頻三參差脈沖序列(脈沖長(zhǎng)度為12)。當(dāng)移位位數(shù)n=1時(shí)，待匹配脈沖序列S和移位脈沖序列S1的自相關(guān)函數(shù)值為R1；以此類推，得到自相關(guān)函數(shù)值R2、R3、R4、R5。若最大匹配結(jié)果過(guò)門限(此處R3值為9，門限為4)，則可根據(jù)標(biāo)識(shí)函數(shù)矩陣對(duì)移位脈沖序列S3進(jìn)行提取整理，得到對(duì)應(yīng)的模板樣本MFrame=(P1,P2,P3)和樣本圖對(duì)應(yīng)的脈沖序列M=(P1,P2,…,P12)。

設(shè)脈沖序列長(zhǎng)度為Pnum，移位數(shù)為Ynum，信號(hào)序列自提取流程(如圖1所示)。

(1) 輸入脈沖序列數(shù)據(jù)。

(2) 將脈沖序列按方位和頻段粗劃分。

(3) 設(shè)置移位位數(shù)n=1。

(4) 根據(jù)n值生成待匹配脈沖序列S和移位脈沖序列Sn。

(5) 將S和Sn進(jìn)行循環(huán)相關(guān)，匹配上的脈沖分選標(biāo)識(shí)字函數(shù)置為1，并得到對(duì)應(yīng)的相關(guān)函數(shù)值，直至移位Ynum次。

在進(jìn)行移位循環(huán)相關(guān)時(shí)，移位脈沖會(huì)形成時(shí)間窗，時(shí)間匹配要求S中的脈沖要落在Sn中的脈沖形成的時(shí)間窗內(nèi)，假設(shè)時(shí)間間隔容差為ΔT，S和Sn的時(shí)間差為dT=SnTOA1-STOA1，若對(duì)Sn中的脈沖i存在一個(gè)S中的脈沖j，滿足tTOAi-ΔT≤tTOAj-dT≤tTOAi+ΔT，則可認(rèn)為時(shí)間匹配。

然后判斷是否多參數(shù)匹配，計(jì)算兩者的加權(quán)歐式距離dij，當(dāng)dij

循環(huán)Ynum次，統(tǒng)計(jì)標(biāo)識(shí)函數(shù)矩陣各行和，得到Y(jié)num個(gè)相關(guān)函數(shù)值R。

(6) 比較R中的所有值，取其中的最大值(假設(shè)為移位n時(shí))，若Rn>Rthreshold，則可取Sn中的P1,P2,…,Pn脈沖，根據(jù)標(biāo)識(shí)函數(shù)第n行F(n,i)(i=1,2,…,n)中為1的i值得到對(duì)應(yīng)的(Pi)脈沖串，即為一個(gè)模板樣本圖MFrame。

(7) 根據(jù)位置矩陣和標(biāo)識(shí)函數(shù)矩陣，重置第n行的標(biāo)識(shí)函數(shù)值，然后提取標(biāo)識(shí)函數(shù)矩陣中第n行中為1的脈沖，即為模板樣本圖MFrame對(duì)應(yīng)的脈沖序列M。

(8) 將上述序列M從脈沖序列中扣除，得到新的脈沖序列，當(dāng)此序列脈沖數(shù)小于Pmax(此處設(shè)為2)時(shí)結(jié)束；否則跳至(3)，并更新Pnum和Ynum。

3 仿真分析

為了驗(yàn)證本文信號(hào)序列自提取方法的有效性和具體分選效果，仿真產(chǎn)生了4部雷達(dá)數(shù)據(jù)，具體參數(shù)如表1所示，且生成的脈沖信號(hào)在空域上交疊嚴(yán)重，無(wú)法利用位置信息分流稀釋。

表1 雷達(dá)參數(shù)設(shè)置表

按照表1仿真產(chǎn)生的混合信號(hào)示意圖(共136個(gè)脈沖)如圖2所示。

圖2 混合信號(hào)示意圖

將該混合信號(hào)輸入自相關(guān)模塊，第1次輸出了模板樣本圖MFrame1(目標(biāo)3)，并同時(shí)提取了其在混合信號(hào)中的對(duì)應(yīng)脈沖序列，如圖3所示。

圖3 提取模板樣本圖MFrame1 (目標(biāo)3)

將上述目標(biāo)3對(duì)應(yīng)的脈沖序列從混合信號(hào)中扣除后，得到第1次扣除后脈沖，如圖4所示。

圖4 第1次扣除后剩余脈沖

將圖4脈沖序列再次輸入到自相關(guān)模塊，第2次輸出了MFrame2(目標(biāo)4)及其對(duì)應(yīng)的脈沖序列，如圖5所示。

圖5 提取模板樣本圖MFrame2 (目標(biāo)4)

將上述目標(biāo)4對(duì)應(yīng)的脈沖序列扣除后，得到第2次扣除后的脈沖，如圖6所示。

圖6 第2次扣除后剩余脈沖

圖7 提取模板樣本圖MFrame3 (目標(biāo)2)

圖8 第3次扣除后剩余脈沖

同理依次得到圖7中樣本圖MFrame3(目標(biāo)2)及其對(duì)應(yīng)的脈沖序列、圖8中第3次扣除后脈沖、圖9中樣本圖。MFrame4(目標(biāo)1)及其對(duì)應(yīng)的脈沖序列。

圖9 提取模板樣本圖MFrame4 (目標(biāo)1)

通過(guò)對(duì)脈沖序列的平移相關(guān)匹配，在提取所有樣本圖的同時(shí)可以提取各樣本圖對(duì)應(yīng)的脈沖序列，直至剩余脈沖數(shù)不夠，可得到所有的模板樣本圖并將信號(hào)分開，從而實(shí)現(xiàn)信號(hào)分選。

4 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)仿真結(jié)果可知，利用本文方法，可以將各雷達(dá)信號(hào)的模板樣本圖逐一提取出來(lái)，同時(shí)提取各樣本圖對(duì)應(yīng)的脈沖序列。

[1] 王杰貴,羅景青.探討一種新的雷達(dá)信號(hào)描述方式[C]//電子戰(zhàn)新概念新理論新技術(shù)-第十六屆學(xué)術(shù)年會(huì)論文集.濟(jì)南,2008:108-115.

[2] 龔亮亮,羅景青.一種基于脈沖樣本圖的雷達(dá)信號(hào)特征表述方式[J].現(xiàn)代防御技術(shù),2008,36(5):131-134.

[3] 張鵬程,王杰貴.重點(diǎn)雷達(dá)輻射源快速篩選識(shí)別算法分析[J].火力與指揮控制,2015,40(11):31-35.

[4] 孟祥豪,羅景青.基于自提取脈沖樣本圖的雷達(dá)信號(hào)快速提取法[J].航天電子對(duì)抗,2014,30(4):53-57.