一種外雷達(dá)源探測(cè)的時(shí)序恢復(fù)方法研究

但曉東

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所,合肥 230088)

0 引 言

近年來(lái),關(guān)于外輻射源探測(cè)系統(tǒng)的輻射源研究熱點(diǎn)由民用信號(hào)逐步轉(zhuǎn)向雷達(dá)信號(hào)。相比以調(diào)頻廣播為代表的民用信號(hào),雷達(dá)信號(hào)作為外部輻射源具備以下探測(cè)優(yōu)勢(shì)[1]:

(1)信號(hào)發(fā)射功率高,具備更遠(yuǎn)的探測(cè)能力。調(diào)頻廣播信號(hào)發(fā)射功率一般在3 kW,數(shù)字電視信號(hào)功率一般在1 kW,兩者對(duì)目標(biāo)探測(cè)主要通過長(zhǎng)時(shí)間積累來(lái)獲取得益,但雷達(dá)信號(hào)的功率一般在百千瓦量級(jí),高發(fā)射功率代表更遠(yuǎn)的探測(cè)能力。

(2)定制化的信號(hào)形式,更適用于雷達(dá)探測(cè)。調(diào)頻廣播、數(shù)字電視主要用于通過無(wú)線方式傳遞信息,其信號(hào)調(diào)制方式主要考慮信息傳輸,而非雷達(dá)探測(cè)。雷達(dá)信號(hào)經(jīng)過專門設(shè)計(jì),比如較為常見的線性調(diào)頻信號(hào),在獲取高距離分辨率和多普勒分辨率方面具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì),更適用于目標(biāo)探測(cè)。

雷達(dá)信號(hào)雖然具有一定的優(yōu)勢(shì),但在實(shí)際使用時(shí)也面臨較為尖銳的問題,比如接收站接收到的雷達(dá)信號(hào)無(wú)發(fā)射時(shí)序信息,導(dǎo)致無(wú)法對(duì)回波數(shù)據(jù)進(jìn)行分段相參處理及測(cè)距。鑒于此,本文提出一種利用回波數(shù)據(jù)研究恢復(fù)雷達(dá)時(shí)序的方法,以便實(shí)現(xiàn)對(duì)雷達(dá)資源的利用。

1 外雷達(dá)源探測(cè)時(shí)序恢復(fù)方法設(shè)計(jì)

1.1 外雷達(dá)源系統(tǒng)概念

如圖1所示,外輻射源探測(cè)系統(tǒng)一般構(gòu)型為TNR系統(tǒng)[2],其發(fā)射站可能有多個(gè),具體根據(jù)同時(shí)利用頻點(diǎn)數(shù)、輻射源種類數(shù)的不同而定。

圖1 外輻射源探測(cè)系統(tǒng)

以民用信號(hào)為輻射源的探測(cè)系統(tǒng)[3],其接收站一般由兩組天線構(gòu)成:一組為陣面天線,負(fù)責(zé)接收目標(biāo)反射的回波信號(hào);另一組為直達(dá)波天線,用于接收直達(dá)波信號(hào)。直達(dá)波信號(hào)的用處如下:一是用于對(duì)陣面接收的回波信號(hào)進(jìn)行直達(dá)波消除;二是作為“脈壓”處理的時(shí)序基準(zhǔn),標(biāo)定探測(cè)的“零距離單元”。

以雷達(dá)信號(hào)作為輻射源的探測(cè)系統(tǒng)與以民用信號(hào)作為輻射源的探測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成相似,區(qū)別在于信號(hào)處理方面。相較于民用信號(hào)的連續(xù)波形式,雷達(dá)信號(hào)一般為脈沖信號(hào),在做外源信號(hào)處理時(shí),其時(shí)序由發(fā)射端唯一確定,無(wú)法通過直達(dá)波信號(hào)標(biāo)定“零距離單元”。

外雷達(dá)源探測(cè)系統(tǒng)的常規(guī)處理流程:首先利用獲取的直達(dá)波恢復(fù)時(shí)序,然后將回波信號(hào)按照恢復(fù)出的時(shí)序提取數(shù)據(jù),最后按照波位、脈組的信息進(jìn)行匹配處理。

1.2 時(shí)序恢復(fù)方法

本文的時(shí)序恢復(fù)方法可分為兩步:先通過直達(dá)波參數(shù)測(cè)量,獲取每個(gè)脈沖的到達(dá)時(shí)間及結(jié)束時(shí)間,從而得到脈沖寬度及脈沖重復(fù)周期;然后將參測(cè)獲取的脈沖串信息與系統(tǒng)預(yù)設(shè)的輻射源波形庫(kù)內(nèi)模板進(jìn)行匹配,獲取發(fā)射脈沖的時(shí)序信息。

1.2.1 參數(shù)測(cè)量

雷達(dá)參數(shù)主要是時(shí)空頻三維參數(shù),又稱為脈沖描述字:時(shí)域參數(shù)主要包括脈沖到達(dá)時(shí)間、脈沖重復(fù)周期和脈沖寬度;空域參數(shù)主要體現(xiàn)在到達(dá)角;頻域參數(shù)主要指脈沖頻率。數(shù)字化接收機(jī)具備動(dòng)態(tài)范圍大、靈敏度高等優(yōu)勢(shì),是現(xiàn)代雷達(dá)偵察系統(tǒng)中接收系統(tǒng)的優(yōu)選設(shè)計(jì)。以數(shù)字化接收為基礎(chǔ),數(shù)字信道化參數(shù)測(cè)量方法的實(shí)現(xiàn)流程如圖2所示:將整個(gè)工作帶寬劃分為多個(gè)信道,數(shù)字接收機(jī)接收的寬帶信號(hào)在信道化處理模塊內(nèi)信道化后,在每個(gè)信道內(nèi)對(duì)進(jìn)入的信號(hào)同步進(jìn)行濾波、檢測(cè),從而得到各信道內(nèi)的脈沖到達(dá)時(shí)間、脈沖結(jié)束時(shí)間和脈沖頻率等脈沖描述字信息。

圖2 參數(shù)測(cè)量實(shí)現(xiàn)

時(shí)域參數(shù)測(cè)量方法[4]包括門限檢測(cè)法、能量檢測(cè)法、自相關(guān)檢測(cè)法等;頻域參數(shù)測(cè)量方法包括過零點(diǎn)檢測(cè)法、相位差分法、快速傅里葉變換法等;空域參數(shù)測(cè)量方法包括比幅測(cè)向、干涉儀測(cè)向等。

1.2.2 模板匹配

受接收的脈沖信噪比限制,脈沖參測(cè)存在測(cè)量精度差和丟失脈沖的情況,會(huì)進(jìn)一步導(dǎo)致發(fā)射時(shí)序恢復(fù)不準(zhǔn)確、目標(biāo)探測(cè)結(jié)果偏差大甚至錯(cuò)誤。為了準(zhǔn)確恢復(fù)時(shí)序,將參測(cè)得到的脈沖串與系統(tǒng)預(yù)設(shè)的輻射源波形庫(kù)內(nèi)模板進(jìn)行匹配,按照適當(dāng)?shù)钠ヅ錅?zhǔn)則,即可在一定程度上基于參測(cè)獲取的“不完整”脈組恢復(fù)出準(zhǔn)確的發(fā)射脈沖信息。

實(shí)際工程中常用的匹配準(zhǔn)則有全脈沖匹配準(zhǔn)則和N/M準(zhǔn)則。

(1)全脈沖匹配準(zhǔn)則

按照發(fā)射波形庫(kù)里預(yù)設(shè)的模板逐脈沖匹配接收到的脈沖串,若接收的脈沖串與預(yù)設(shè)的模板完全一致,則判定當(dāng)前脈沖串的時(shí)序?yàn)槟０鍟r(shí)序。該準(zhǔn)則的時(shí)序恢復(fù)準(zhǔn)確率最高,主要適用于接收站接收到的脈沖信噪比較高、參數(shù)測(cè)量丟脈沖較少的場(chǎng)景。

(2)N/M準(zhǔn)則

在多數(shù)場(chǎng)景下,從直達(dá)波獲取的脈沖串都存在丟脈沖的情況。此時(shí),若仍采用全脈沖匹配方法,滿足匹配準(zhǔn)則的脈沖串較少,時(shí)序恢復(fù)結(jié)果不理想,導(dǎo)致探測(cè)丟幀、航跡不連續(xù)、航跡丟批及航跡無(wú)法起始等情況。

為了使匹配準(zhǔn)則具有更好的魯棒性,提出一種N/M匹配準(zhǔn)則:若在一個(gè)發(fā)射脈組的M個(gè)脈沖中,檢測(cè)出N個(gè)脈沖(N

為了保證時(shí)序恢復(fù)的準(zhǔn)確性,對(duì)參數(shù)測(cè)量模塊得到的時(shí)間信息的精確性提出了較高的要求。為此,提出一種秒脈沖同步+本地高精度恢復(fù)的時(shí)間同步方法,如圖3所示。

圖3 高精度時(shí)間實(shí)現(xiàn)方式

系統(tǒng)配備的北斗授時(shí)設(shè)備能夠給出精確的1 pps秒脈沖及絕對(duì)時(shí)間報(bào)文,通過解析獲取精確到秒的時(shí)間;時(shí)序接口板內(nèi)部采用高速時(shí)鐘,對(duì)輸入的秒脈沖進(jìn)行分割計(jì)數(shù),得到精確到納秒的絕對(duì)時(shí)間,并同步將時(shí)間送入?yún)?shù)測(cè)量模塊;參數(shù)測(cè)量模塊對(duì)直達(dá)波數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量,檢測(cè)到脈沖后同步將時(shí)間信息記入,得到脈沖到達(dá)/結(jié)束時(shí)間,進(jìn)而獲取脈寬、周期等參數(shù)。

1.3 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證方法的可行性,構(gòu)建一套基于外雷達(dá)源探測(cè)的測(cè)試系統(tǒng),如圖4所示。試驗(yàn)采用一部UHF波段雷達(dá)作為發(fā)射站,布設(shè)在30 km外,并采用相掃方式進(jìn)行目標(biāo)探測(cè),接收系統(tǒng)采用同時(shí)多波束方式同步接收空中目標(biāo)對(duì)雷達(dá)發(fā)射的反射信號(hào)。

圖4 試驗(yàn)布站構(gòu)型

系統(tǒng)工作頻率設(shè)定600 MHz,發(fā)射的波形參數(shù)如表1所示。

表1 波形參數(shù)匯總表

按照所述方法進(jìn)行時(shí)序恢復(fù)及匹配,并提取回波數(shù)據(jù)完成處理,得到結(jié)果如圖5所示。

圖5 脈壓結(jié)果圖

在提取的回波數(shù)據(jù)中分析得到兩批目標(biāo),對(duì)應(yīng)的雙基地距離和分別為125.9 km、149 km,表明本文方法能夠完成時(shí)序恢復(fù)及匹配,實(shí)現(xiàn)外雷達(dá)源探測(cè)功能。

2 結(jié)束語(yǔ)

本文從工程應(yīng)用中遇到的問題為出發(fā)點(diǎn),提出一種外雷達(dá)源探測(cè)的時(shí)序恢復(fù)方法,并搭建了試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)所提方法開展試驗(yàn)驗(yàn)證,試驗(yàn)結(jié)果表明:該方法能夠在一定程度上解決外雷達(dá)源探測(cè)時(shí)的時(shí)序恢復(fù)及匹配問題,對(duì)外雷達(dá)源探測(cè)的推廣應(yīng)用具有重要意義。