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基于瞬时自相关算法的线性调频雷达信号脉内分析研究

来源:小奈知识网
2011年6月 舰船电子对抗 SHIPB0ARD EI ECTRONIC C0UNTERMEASURE Jun.2011 Vo1.34 NO.3 第34卷第3期 基于瞬时自相关算法的 线性调频雷达信号脉内分析研究 韩立辉 ,黄高明 ,王 鹏。 (1.海军工程大学,武汉430033;2.解放军92676部队,秦皇岛066001) 摘要:估计线性调频信号的瞬时频率和调制参数,是进一步获得脉内特征并最终识别信号的基础。线性调频信号模 型由软件编程产生,引入瑞利分布高斯谱模型来模拟背景杂波。提出采用小波包分析方法进行消噪处理,以瞬时自 相关算法估计信号的瞬时频率,进而求出调制参数。瞬时自相关算法进行了滑动平均改进 计算机仿真实验得到 瞬时自相关算法估计瞬时频率的误差,误差显示其估计值可以满足信号识别的需求。 关键词:线性调频;脉内分析;瞬时自相关 中图分类号:TN971.1 文献标识码:A 文章编号:CN32—1413(2011)03 0001—04 Research into Signals Intra—pulse Analysis of Linear Frequency Modulation Radar Based on Instantaneous Auto-correlation Algorithm HAN Li—hui ,HUANG Gao—ming ,WANG Peng。 (1.Naval University of Engineering,Wuhan 430033,China;2.Unit 92676 of PLA,Qinhuangdao 066001,China) Abstract:Estimating the instantaneous frequency and modulation parameters of linear frequency modulation(LFM)signal is the base to further fetch the intrapulse characteristics and finally iden— tify the signa1.The LFM signal model is generated by software programme,the Rayleigh distribu— tion Gauss spectrum model is introduced to simulate the background clutter.This paper presents to use the wavelet envelop analysis method tO perform the noise elimination,uses the instantaneous auto—correlation algorithm to estimate the instantaneous frequency of signals,thereby deduces the modulation parameter.The instantaneous auto—correlation algorithm is improved through sliding average.Through the computer simulation experiment,the estimated instantaneous frequency error through the instantaneous auto—correlation algorithm is fetched,and the error shows the estimated value can satisfy the requirement of signal identification. Key words:linear frequency modulation;intra—pulse analysis;instantaneous auto—correlation 0 士 丘 要参数。雷达信号脉内调制参数的估计已经在国内 外广为研究,形成了许多成熟的估计算法和相关技 术,如短傅里叶变换、过零检测、瞬时自相关、相位差 分、小波变换、时频分析等。鉴于瞬时自相关具有计 线性调频信号是现代高性能雷达体制中经常采 用的信号波形之一。雷达信号的脉内特征是电子侦 察中雷达信号分选和识别的重要参数,因此要可靠 算速度快、易于工程实现等优点,本文采用瞬时自相 地分选和识别雷达信号,就必须对雷达信号进行脉 内特征分析。脉内调制特征,尤其是瞬时频率能给 出信号的调制变化规律,是描述信号时变特征的重 收稿日期:2010一O7—25 基金项目:863项目,编号:2009AAJ208 关算法作为计算采样数据频率的方法,提取信号的 瞬时频率特征,由此实现线性调频信号调制参数的 估计。 舰船电子对抗 第34卷 1 信号模型 线性调频信号的复数表示为: (3)小波包分解系数的阈值量化。对于每一个 小波包分解系数,选择一个恰当的阈值并对系数进 行阈值量化。 (z)一“(£)exp[j2n( ̄’。t+妻 )] 式中:“(f)一 1 r f t (1) (4)信号的小波包重构。根据最底层的小波包 分解系数和经过量化处理的系数,进行小波包重构。 exp(j 7【ktz)为信号复包络;fo 在上述各步中,关键是如何选取阈值和如何进 行阈值量化,在一定程度上,它直接关系到信号去噪 处理的质量。 √r ‘ 为Lf1心频率;悬一旦为调频斜率;B Sa N,Ngi ̄;r ,为脉冲宽度。 线性调频信号的瞬时频率表达式为: /一九丌1 [2兀(fof+ 1 2)]一fo十 ,l£I≤号 (2) 即在一个脉冲宽度内,其频率变化呈线性。 对于实际的接收信号 (£),有: (t)一s(t)+N(t) (3) 式中:N(t)为噪声,本文采用的噪声由气象杂波和 系统噪声两部分构成。 气象杂波采用幅度分布为瑞利分布的高斯谱模 型来描述。瑞利分布是雷达杂波中最常用的一种统 计模型,适用于低分辨力雷达(波束宽度>2。,脉冲 宽度≥1 s),描述气象杂波和海平面比较平静的地 海杂波。 系统噪声是(0,0.5)上的服从均匀分布的热 噪声。 2 方法分析 2.1信号去噪声处理 文献[8]详细介绍了小波包分析方法和信号去 噪。小波包信号去噪的算法思想和在小波分析中的 基本相同,不同的是小波包的分析手段更为复杂和 灵活。小波包分析对上层的低频部分和高频部分同 时进行分解,具有更加精确的局部分析能力。对信 号进行小波包分解时,可以采用多种小波包基。通 常根据分析信号的要求,从中选择最好的一种小波 包基,即最优基。 应用小波包分析对信号进行去噪处理,一般按 照如下步骤进行: (1)信号的小波包分解。选择一个小波包并确 定所需分解的层次,然后对信号进行小波包分解。 (2)确定最优小波包基。对于一个给定的熵标 准,汁算最优树。 2.2脉内分析算法原理 瞬时自相关算法是数字测频中一种重要的时域 算法,与一般相关函数的最大区别是它没有时间积 分,所以保留了相关处理的瞬时信息。 瞬时自相关算法定义为: R ( ,m)一z( )・ (n+m) (4) 式中:z(n)为信号的解析函数;z ( + )为z( )的 共轭延迟, 为延迟间隔,且m>0。 可见,瞬时自相关仅与延迟m和频率调制引起 的相位差有关。 对于实信号z( ),利用Hilbert变换,可以构造 出相应的解析信号,定义信号z( )的解析信号 z(n)为: z(,z)= ( )+j王(n) (5) 其虚部王( )为原始信号z(,2)进行Hilbert变 换的结果。 由此,可以得到第 时刻数据对应的瞬时相位 和瞬时频率为: 』臼( ,m)= arctan 6 I厂( , )一一 ( , ) 由于噪声的相关性差,信号的相关性强,通过求 取瞬时自相关函数,噪声得到削弱,信号得到加强, 能在一定程度上抑制噪声,提高测频精度。 反正切函数的主值区间为(一 ,詈),因此 ( , )的无模糊范围须满足:  l2nmf // I≤- 4- (7) 通过式(7)可以看出,m值必须满足一定的范 围。设信号所包含的最高频率为 ,在实际系统 中,通常 的值是固定不变的,经简单处理后,可将 式(7)写成如下的近似形式: ≥4 f…m (8) 第3期 韩立辉等:基于瞬时自相关算法的线性调频雷达信号脉内分析研究 所示。 3 由式(8)可以看出, 的取值范围随着信号频 率,范围的变化而变化。m所取的最大值为m一 /4,m 。这样,只要m不超过这个范围就可以利 用瞬时自相关函数来正确求得信号的瞬时频率。但 在实际的数字处理中, 受器件限制,不可能过高, 常为 的5~1O倍,故m的实际取值通常只能为 l或2。如此小的m值将使得用于相关计算的两采 样点过于靠近,此时噪声的相关性将使算法在低信 (a)线性调频信号的时域波形 噪比时的性能急剧下降。 为部分解决这一矛盾,需要对式(6)计算的瞬时 相位进行解混叠处理,将O(n,m)的无模糊区间调整 到Eo,2n),利用unwrap函数,进一步得到: ( )一unwrapF0(n,m)3 (9) 经此处理后,不难得出对应式(8)的约束条件 变为: .厂 ≥fm m (10) 从式(10)可知,对于同一信号,在相同的 下, m的取值范围将扩展为原来的4倍,从而使算法的 抗噪性能得到一定程度的改善。同时,为了进一步 抑制噪声对瞬时频率提取的干扰,文献E2-]对 和 咒+ 间的采样点做了滑动平均处理,以平均瞬时 1 +m—l 频率 一一1∑f(i, )作为第 点的瞬时频率。 ITl l=n 经此处理后,瞬时自相关的“点”间运算变为“块”间 运算,长度为N的信号被映射为长度为N一 +1 的平均瞬时频率,算法在低信噪比环境的适应能力 将有进一步的提高。 3 计算机仿真实验与分析 3.1仿真模型参数 (1)原始信号S(£):载波频率10 MHz,采样频 率1 000 MHz,调频带宽20 MHz,脉宽1 s; (2)杂波:速度方差口 一1.0 m/s,波长 一 5 cm,杂波频谱的均方根值 ,一2a /a一40 Hz,雷达 脉冲重复频率为1 000 Hz,概率密度函数的参数为 一1.2; (3)基小波:采用Daubechies小波作为小波基 函数; (4)信噪比:SNR一一i0 ̄30 dB; (5)误差估计实验的仿真次数:100次。 3.2仿真结果 线性调频信号的时域波形和幅频特性如图1 (b)线性调频信号的频谱 图1 载波10 MHz、带宽20 MHz的线性调频信号及其频谱图 小波分解的层数为1O层,信噪比SNR:==3 dB, 包含噪声的信号波形和消噪信号的对比,如图2 所示。 1 警o .1 I  l蝴 1 ’l 0 0 1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0 9 I 时间/s ×10 (a)包含海杂波和噪声的线性调频信号 图2小波包用于信号去噪(SNR一3 dB) m值取4,在零噪声情况下,线性调频信号瞬 时频率估计如图3(a)所示。测得起始频率f 一 10.797 MHz,终止频率f2=31.583 MHz 调频带 宽B一 一f 一20.786 MHz,时宽带宽积D—Br≈ 21。由图可见,频率估计值在频率的两端出现了频 谱的“泄露”。 在信号中混入噪声后,信噪比SNR一1 6 dB,含 噪信号和去噪信号的瞬时频率估计分别如图3中的 舰船电子对抗 第34卷 (b)、(C)、(d)所示。 ×l() 4 旃2 警 0 0 1O0 200 3O0 400 5O0 600 700 800 900 1 000 样本序号” 样本序号一 (b)含噪信号 4 旃2 0 O 1O0 200 300 400 500 600 700 800 900 1 o0o 样本序号” 样本厣号Ⅳ (d)去噪信号(db1o/b波,10层分解) 图3瞬时自相关法瞬时频率估计 在适当高的信噪比下,直接利用瞬时自相关算 法测频,存在一定误差。采用dblo基小波,分解层 次增加,增强了去除噪声的效果,小波去噪10层分 解比5层分解得到的参数值更接近原始信号,测得 起始频率f 一9.382 MHz,终止频率f 一 31.365 MHz,调频带宽B一_厂2~f1—21.984 MHz, 时宽带宽积D=Bv ̄22。 降低信噪比,SNR一6 dB,含噪信号和去噪信 号的瞬时频率估计如图4所示。其测频精度有所下 降,得到的带宽值和时宽带宽积均小于原信号。在 低信噪比情况下,噪声对原始信号的高频部分产生 影响,使得频率估计值偏离原始数值,甚至达到 负值。 3.3估计值的误差分析 瞬时自相关算法频率估计均方根误差曲线如图 5所示。 对于SNR一20~3O dB范围的高信噪比,瞬时 自相关算法误差的均方根值在2 MHz左右,误差较 小;随着信噪比的降低,尤其是在0 dB以下,瞬时自 相关算法误差的平均绝对值和均方根值均大于 5 MHz。此时测频精度已经很难满足引导干扰的要 求,因为干扰是在很窄的频段内对准频率,此时要求 频率估计值要准确。 ×l0。 l N 詈。 聚 1 l l l I  Il I 1  1样本序号” N 铸 未量 爨 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1 000 样本序号 (b)去噪信号(dB1O小波,lO层分解) 踏 坦 褥 聚 蓉 燮 图5 瞬时自相关算法频率估计均方根误差曲线 4 结束语 分析线性调频信号是认识脉冲压缩雷达的有效 途径,其特征分析的难点在于,信号在传播和接收处 理过程中不可避免要受到各种噪声的干扰,通常从 时频域提取的特征对SNR变化比较敏感,而且所侦 察的信号特征未知,这导致调制参数估计的精度难 以保证。尽管时域自相关算法有很多不足之处,如 不能同时处理多个信号,抗噪性能较差,能识别的调 制类型有限;但由于其原理简单,易于工程化实现, 时域自相关算法在现代电子战中应用前景还是相当 广泛的。 (下转第12页) 12 舰船电子对抗 第34卷 ]电缆以及控制电缆,整个系统重量较轻,对舰船平台 件、海量数据传输与处理、多任务资源管理器等诸多 关键技术,软件化的舰载综合射频系统会是不远将 来舰船的核心装备。 二 l 设计要求降低,因此可以架得更高看得更远。 4 数字阵列体制亟待解决的问题 数字阵列体制亟待解决的问题主要包括: (1)系统复杂性 系统复杂性随着信号的带宽、阵列单元数、瞬时 形成波束数目的增加而增加。 (2)信号带宽的扩展 当舰载综合射频系统工作在宽带条件时,此时 参考文献 [1] 张光义.相控阵雷达系统[M].北京:国防工业出版 社,1994.  Wise,J im Armitage.Electronic combat and weap— [2] Carlon system integration[J].Journal of Electronic De— fense,1991(7):37—39. 为了保证信号的不失真,根据奈奎斯特定律,采样频 率至少为信号频率的2倍,由此将会带来宽带信号 采集、海量数据传输与处理的问题。 tz.Electronic warfare in the year [3] Sheldon B Herskovi2000 and beyond[J].Microwave Journal,1991(9): 44—59. [4] Burke Michael A.Multifuction/shared aperture sys— terns or smart skins now[J].Journal of Electronic De— fense,1991(1):27—32. 随着科技的发展,超高采样频率的A/D变换 器、超大规模和超高速信号处理器以及新的信号处 理算法将会解决这些难题。 Is] 那彦,杨万海,史林.单平台多传感器探测中数据融合 器的研究[-J1.现代雷达,2003(1):26—28. [6] 马骏声.电子战综述[J].航天电子对抗,2000(3): 45—49. (3)成本较高 为保证所有单元信息的不失真采集,每个阵列 单元必须有完整的接收机和A/D变换器,必然会提 高其研制成本。 [7] 车颖秋.航空电子传感器的综合化[J].电讯技术,2002 (3):145—151. 5 结束语 舰载综合射频系统是未来舰船或者舰队攻防体 系的核心,而数字阵列雷达是一个可以由软件控制 的数字化雷达,其未来发展将是软件化雷达,通过解 [8] 陈鹏举.将雷达改装成有源/无源综合防空警戒系统 I-J].航天电子对抗,1999(3):42—44. /EW一体化结构是现代防御系统的必然 [9] 蒋庆全.C。I趋势[J].现代防御技术,1997(5):1—9. 决综合电子信息系统中宽带辐射孔径、宽带T/R组 (上接第4页) [6]承德宝.雷达原理[M].北京:国防工业出版社,2008. [7]罗军辉,罗勇江,白义臣,等.MATLAB7.0在数字信号 处理中的应用I-M].北京:机械工业出版社,2005. 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