雷達(dá)對抗技術(shù)04-2015

第4章雷達(dá)偵察信號分析與處理典型處理過程：1、偵察天線——實時檢測和參數(shù)測量電路——脈沖描述字PDW脈沖描述字PDW（PulseDiscreptionWord）:對射頻脈沖以指定長度（定長）、指定格式（定格）、指定位含義（定位）的數(shù)字形式的信號參數(shù)描述字。雷達(dá)偵察系統(tǒng)的前端：從偵察天線到射頻信號實時檢測和參數(shù)測量電路的輸出端。2、前端輸出——信號處理設(shè)備——輻射源分選、參數(shù)估計、輻射源識別、威脅程度判別、作戰(zhàn)態(tài)勢判別雷達(dá)偵察系統(tǒng)的后端：從信號處理設(shè)備至顯示、存儲、記錄設(shè)備。4．1概述1．信號處理的任務(wù)

偵察系統(tǒng)的前端擔(dān)任預(yù)處理任務(wù)，輸出實時脈沖描述字流{PDW}。信號處理的任務(wù)是對{PDW}進(jìn)行信號分選、參數(shù)估計、存儲、記錄和其它任務(wù)。實時脈沖描述字流的組成和數(shù)據(jù)格式與偵察系統(tǒng)的組成和性能有關(guān)。典型情況下為：

2．信號處理的主要技術(shù)要求

1）可分選識別的雷達(dá)輻射源類型和可信度

輻射源類型分為：信號類型工作類型

信號類型：按照雷達(dá)發(fā)射信號的調(diào)制類型分類，具體如下：

3/39具體如下：4/39工作類型：

雷達(dá)的功能、用途、工作體制和工作狀態(tài)等可分選和識別的輻射源類型與偵察系統(tǒng)功能和用途有關(guān)：電子情報偵察(ELINK)：可分選和識別的輻射源類型多；電子支援偵察(ESM)：主要是當(dāng)前戰(zhàn)場上對我方有一定威脅的敵方雷達(dá)；雷達(dá)尋的和告警系統(tǒng)(RHAW)：主要是對我方形成威脅的火控、近炸、制導(dǎo)和末制導(dǎo)雷達(dá)?？尚哦龋?/p>

考核信號處理識別分選識別結(jié)果的質(zhì)量指標(biāo)。

5/392)

可測量和估計的雷達(dá)輻射源參數(shù)、參數(shù)范圍和估計精度

參數(shù)名稱計量單位參數(shù)范圍估計精度參數(shù)來源輻射源方位0～3603由分選后PDW統(tǒng)計估值信號載頻MHz500~400003由分選后PDW統(tǒng)計估值脈沖寬度s0.05~5005x10-2由分選后PDW統(tǒng)計估值脈沖重復(fù)周期ms0.01~1001x10-4由分選后PDW相關(guān)統(tǒng)計天線掃描周期s0.005~601x10-3由分選后PDW相關(guān)統(tǒng)計脈內(nèi)頻率調(diào)制見信號類型的頻率調(diào)制類由脈內(nèi)信號分析電路檢測脈間頻率調(diào)制檢測跳頻范圍、頻點(diǎn)和頻率轉(zhuǎn)移概率矩陣由分選后PDW相關(guān)統(tǒng)計脈內(nèi)相位調(diào)制見信號類型的相位調(diào)制類由脈內(nèi)信號分析電路檢測重復(fù)周期調(diào)制檢測調(diào)制類型、范圍和周期轉(zhuǎn)移矩陣由分選后PDW相關(guān)統(tǒng)計脈沖寬度調(diào)制檢測脈寬調(diào)制數(shù)值和脈寬轉(zhuǎn)移概率矩陣由分選后PDW相關(guān)統(tǒng)計天線掃描調(diào)制檢測掃描周期、照射時間、掃描調(diào)制方式等由分選后PDW相關(guān)統(tǒng)計6/393)

信號處理時間兩類信號處理時間：

對指定雷達(dá)信號的處理時間TSP是從前端輸出指定的脈沖描述字流開始，到產(chǎn)生對該輻射源分選和識別結(jié)果，并達(dá)到指定的分選和識別概率、參數(shù)估計精度所需要的時間。7/39對指定信號環(huán)境中各雷達(dá)信號的平均處理時間對指定的雷達(dá)輻射源信號環(huán)境中的N部雷達(dá)輻射源處理時間的加權(quán)平均：

信號處理時間要求：

ELINK：較長或者非實時

ESM：實時處理，較短

RHAW：實時處理，最短

信號處理時間與信號分選、識別、參數(shù)估計精度、信號環(huán)境等因素有關(guān)。

8/394）可處理的信號流密度

可處理的信號流密度是指不發(fā)生數(shù)據(jù)丟失的條件下，單位時間內(nèi)信號處理機(jī)允許前端輸入的最大脈沖描述字流的平均數(shù)max。

主要取決于信號環(huán)境中輻射源數(shù)量、偵察系統(tǒng)前端的檢測范圍、檢測能力以及每個輻射源的脈沖重復(fù)頻率、天線波束指向和掃描方式等。如：星載、機(jī)載的ELINK：

max＝幾百萬個脈沖/秒機(jī)載的ESM、RHAW：

max＝幾十萬個脈沖/秒地面、艦載偵察設(shè)備：

max＝幾萬～幾十萬個脈沖/秒9/393．信號處理的主要流程

信號處理包括預(yù)處理和主處理兩部分，如圖示:

10/39信號預(yù)處理11/3912/392）信號主處理13/3914/3915/394．2對雷達(dá)信號時域參數(shù)的測量脈沖到達(dá)時間（tTOA）、脈沖寬度（PW）、脈沖幅度（AP）1、脈沖到達(dá)時間（tTOA）的測量為避免周期測量模糊，應(yīng)保證17/392、脈沖寬度（PW）的測量18/393、脈沖幅度（AP）的測量4.3雷達(dá)偵察信號的預(yù)處理4.3.1對已知雷達(dá)信號的預(yù)處理1、的生成要求：1）構(gòu)成的各維參數(shù)特征及參數(shù)的具體描述都必須與偵察接收機(jī)前端輸出的PDW參數(shù)特征及參數(shù)的具體描述保持一致。2）必須表現(xiàn)出已知雷達(dá)j在PDW的多維特征參數(shù)空間中詳細(xì)的、具體的性質(zhì)，以便于預(yù)處理能夠盡快、準(zhǔn)確地實現(xiàn)信號分選。生成原則：21/39選擇作為特征參數(shù)基的有：(1)，取決于雷達(dá)與偵察機(jī)之間的相對方位角(2)，取決于雷達(dá)的載頻變頻方式和變化能力(3)，在信號時域重合概率較低的場合適用(4)，脈內(nèi)調(diào)制特征主要指在單個脈沖時間內(nèi)的頻率、相位調(diào)制特征。不適合：：難于滿足實時性要求：平穩(wěn)性較差2、預(yù)處理的基本算法對已經(jīng)生成的，預(yù)處理的基本預(yù)分選算法：式中即4.3.2對未知信號的預(yù)處理

三參數(shù)：、、1、的生成原則除與的生成原則相同外，還應(yīng)滿足：完備性和正交性

以保證任意輸入的PDW，都必將被唯一地分選到一個中。(2)盡可能使同一部雷達(dá)、在同一種工作方式下的PDW在信號預(yù)分選后處于同一個分選子流中。24/392、常用的(1)矩形均勻分劃

優(yōu)點(diǎn)：預(yù)處理十分簡單。

缺點(diǎn)：沒有充分利用雷達(dá)信號參數(shù)非均勻分布的一般知識，顯然不是最合理的。(2)矩形非均勻分劃

工程中實際使用的非均勻分劃主要是按照原則和經(jīng)驗制定的。3、預(yù)處理的基本算法式中是在的投影。由于滿足完備性和正交性，保證了剩余子流中的任意都將被唯一分選到某一分選數(shù)據(jù)緩存區(qū)中。4．4對雷達(dá)信號的主處理4.4.1對已知雷達(dá)信號的主處理27/3928/394.4.2對未知雷達(dá)信號的主處理29/3930/394．5

雷達(dá)偵察信號的譜分析

信號譜分析在無線電偵察信號分析與處理中具有重要作用。它的主要任務(wù)是對所截獲的信號頻譜或功率譜進(jìn)行分析，以獲得無線電信號的譜結(jié)構(gòu)信息。這些關(guān)于信號譜結(jié)構(gòu)的信息，對無線電偵察中判定信號的調(diào)制種類、恢復(fù)譜對稱結(jié)構(gòu)帶通信號的載波，以及提取數(shù)字帶通調(diào)制信號的符號碼元調(diào)制速率(等于符號寬度的倒數(shù))等，都起著直接的支持作用。歸納起來，譜分析在無線電偵察中的直接用途主要是：(1)信號檢測；(2)信號調(diào)制種類識別；(3)信號帶寬估計；(4)已調(diào)信號的載波估計；(5)數(shù)字通信信號的符號調(diào)制速率估計。31/554.5.1功率譜估計概述32/5533/55英國的科學(xué)家牛頓最早給出了“譜”的概念1822年，法國工程師傅里葉提出了著名的傅里葉諧波分析理論。由于傅里葉系數(shù)的計算是一困難的工作，所以促使人們研制相應(yīng)的機(jī)器，如英國物理學(xué)家Thomson發(fā)明了第一個諧波分析儀用來計算傅里葉系數(shù)Ak，Bk。利用該機(jī)器畫出某一港灣一年的潮汐曲線約需4小時34/5519世紀(jì)末，Schuster提出用傅里葉系數(shù)的幅平方，即作為函數(shù)中功率的測量，并命名為“周期圖”（periodogram），這是經(jīng)典譜估計最早的提法，至今仍被沿用。只不過我們現(xiàn)在是通過FFT計算離散傅里葉變換，使等于該傅里葉變換的幅平方。Schuster鑒于周期圖的起伏劇烈，提出了“平均周期圖”的概念，并指出了在對有限長數(shù)據(jù)計算傅里葉系數(shù)時所存在的“邊瓣”問題，這就是后來我們所熟知的窗函數(shù)的影響。35/55Schuster用周期圖計算太陽黑子活動的周期，以1749～1894年每月太陽的黑子數(shù)為基本數(shù)據(jù)，得出黑子的活動周期是11.125年，而天文文獻(xiàn)記載是11年。周期圖較差的方差性能促使人們研究另外的分析方法。Yule于1927年提出了用線性回歸方程來模擬一個時間序列，從而發(fā)現(xiàn)隱含在該時間序列中的周期性。36/55他猜想如果太陽黑子的運(yùn)動只有一個周期分量，那么黑子數(shù)可用如下方程來產(chǎn)生，是存在于k時刻的很小的沖激序列。Yule的這一工作實際上成了現(xiàn)代譜估計中最重要的方法——參數(shù)模型法的基礎(chǔ)。Yule利用1749～1924年的年平均黑子數(shù)為數(shù)據(jù)，利用最小平方的方法估計出，估計出的黑子活動周期為10.08年，然后對數(shù)據(jù)作移動平均濾波，得到周期是11.43年。37/55Walker利用Yule的分析方法研究了衰減的正弦時間序列，并得出了在對最小二乘分析中常用的Yule－Walker方程。因此Yule，Walker是開拓自回歸模型的先鋒。Yule的工作使人們重新想起了早在1795年P(guān)rony提出的指數(shù)擬合法，使Prony方法形成了現(xiàn)代譜分析的又一重要內(nèi)容。38/551930年，著名的控制理論專家Wiener出版了他的經(jīng)典著作“GeneralizedHarmonicAnalysis”。在該書中首次精確的定義了一個隨機(jī)過程的自相關(guān)函數(shù)及功率譜密度，并把譜分析建立在隨機(jī)過程統(tǒng)計特征的基礎(chǔ)上，即功率譜密度是隨機(jī)過程二階統(tǒng)計量自相關(guān)函數(shù)的傅里葉變換。這就是Wiener－Khintchine定理。該定理把功率譜密度定義為頻率的連續(xù)函數(shù)，而不再是以前離散的諧波頻率的函數(shù)。39/551949年，Tukey根據(jù)Wiener－Khintchine定理提出了對有限長數(shù)據(jù)作譜估計的自相關(guān)法，即利用有限長的數(shù)據(jù)估計自相關(guān)函數(shù)，再用該自相關(guān)函數(shù)作傅里葉變換，從而得到譜的估計。Blackman和Tukey在1958年出版的有關(guān)經(jīng)典譜估計的專著中討論了自相關(guān)譜估計法，后人又把經(jīng)典譜估計的自相關(guān)法稱為BT（Blackman－Tukey）法。周期圖法和自相關(guān)法是經(jīng)典譜估計的兩個基本方法。人們把Wiener視為現(xiàn)代理論譜分析的先驅(qū)，把Tukey視為現(xiàn)代實驗譜分析的先驅(qū)40/55Yule提出的自回歸方程和線性預(yù)測有密切的關(guān)系，Khintchine，Slutcky，Wold等人于1938年給出了線性預(yù)測理論的框架，并首次建立了自回歸模型參數(shù)與自相關(guān)函數(shù)關(guān)系的Yule－Walker方程。Bartlett于1948年首次提出了用自回歸模型系數(shù)來計算功率譜。自回歸模型和線性預(yù)測都用到了1911年提出的Toeplitz矩陣結(jié)構(gòu)，Levinson根據(jù)該矩陣的特點(diǎn)于1947年提出計算了Yule－Walker方程的快速計算方法，所有這些工作都為現(xiàn)代譜估計的發(fā)展打下了基礎(chǔ)。41/551965年，Cooley和Tukey的快速傅里葉變換問世，這一算法的提出，也促進(jìn)了現(xiàn)代譜估計的迅速發(fā)展?，F(xiàn)代譜估計的提出主要是針對經(jīng)典譜估計的分辨率低和方差性能不好的問題。1967年Burg提出的最大熵譜估計，既是朝著高分辨率譜估計所作的最有意義的努力。雖然Bartlett在1948年，Parzem在1957年都曾建議利用自回歸模型作譜估計，但在Burg的論文發(fā)表前，都沒引起注意。42/55現(xiàn)代譜估計的內(nèi)容極其豐富，涉及的學(xué)科及應(yīng)用領(lǐng)域也相當(dāng)廣泛，目前尚難對現(xiàn)代譜分析的方法作出準(zhǔn)確的分類。從現(xiàn)代譜分析的方法上，大致分為參數(shù)模型譜估計和非參數(shù)模型譜估計。前者有AR模型、MA模型、ARMA模型、PRONY指數(shù)模型等；后者有最小方差法，多分量的MUSIC方法等。43/55從信號的來源分，分為一維譜估計、二維譜估計及多通道譜估計；從所用的統(tǒng)計量分，目前大部分建立在二階矩（相關(guān)函數(shù)，方差，譜密度）基礎(chǔ)上，但由于功率譜密度是頻率的實函數(shù)，缺少相位信息，因此建立在高階矩基礎(chǔ)上的譜估計方法正引起人們的注意。從信號的特征來分，在此之前所說的方法都是對平穩(wěn)隨機(jī)信號而言，其譜分量不隨時間變化，對非平穩(wěn)隨機(jī)信號，其譜是時變的，近十多年，以Wigner分布代表的時－頻分析引起了人們的廣泛興趣，形成了現(xiàn)代譜估計的一個新的研究領(lǐng)域。44/394.5.2雷達(dá)偵察信號的經(jīng)典譜分析

1、直接法

直接法又稱周期圖法，它是把隨機(jī)信號的N個觀察點(diǎn)數(shù)據(jù)視為一能量有限信號，直接取的傅里葉變換，然后再取其幅值的平方，并除以N，作為對真實的功率譜的估計。

45/552、間接法又稱為自相關(guān)法或BT法。此方法的理論基礎(chǔ)是維納－辛欽定理。1958年Blackman和Tukey給出了這一方法的具體實現(xiàn)，即先由估計出自相關(guān)函數(shù)，然后對求傅里葉變換，得到的功率譜，即46/553、直接法與間接法的關(guān)系

47/554、直接法的改進(jìn)方法

Bartlett法、Nuttall法、Welch法48/55總結(jié)：1．經(jīng)典譜估計（直接法，間接法），都可用FFT快速計算，且物理概念明確，仍是目前較常用的譜估計方法；2．譜的分辨率較低，正比于，N為所用數(shù)據(jù)長度；3．由于不可避免的窗函數(shù)的影響，使其真正譜在窗口主瓣內(nèi)的功率向邊瓣部分“泄漏”，降低了分辨率。較大的邊瓣可能掩蓋中較弱的成分，或是產(chǎn)生假的峰值。當(dāng)分析的數(shù)據(jù)較短時，這些影響更為突出；4．方差性能不好，不是真實功率譜的一致估計，且N增大時譜曲線起伏加??；5．周期圖的平滑和平均是和窗函數(shù)的使用緊緊相關(guān)聯(lián)的。平滑和平均主要是用來改善周期圖的方差性能，但往往又減小了分辨率和增大了的偏差。沒有一個窗函數(shù)能使估計的譜在方差、偏差和分辨率各方面都得到改善。因此，使用窗函數(shù)只是改進(jìn)估計質(zhì)量的一個技