復雜電磁環境下雷達信號脈內特征分析

熊永坤，白長河，郭新民

（解放軍92785部隊，秦皇島066200）

0 引 言

雷達信號脈內特征分析是20世紀80年代中期開始研究的一項技術。隨著數字射頻存儲、中頻采樣和數字信號處理技術的迅速發展，以及高速大規模集成專用芯片的應用，雷達信號脈內特征分析技術已成為雷達對抗偵察系統中的關鍵技術之一，是識別雷達輻射源個體及其所屬武器平臺和系統的重要手段[1]。

1 雷達信號脈內特征的分類

雷達信號脈內特征也稱雷達信號的指紋特征，可分為無意調制與脈內有意調制。

1.1 無意調制

無意調制，是大功率雷達發射機的發射管、調制器和高壓電源等器件或電路產生的不期望的各種寄生調制。

1.2 脈內有意調制

脈內有意調制包括脈內頻率調制、相位調制、幅度調制及3種調制組合的混合調制，為充分利用雷達發射機的功率，一般不采用幅度調制。脈內有意調制特征主要表現在信號的幅度、頻率和相位的變化和分布上，對不同的輻射源信號，其脈內有意調制特征在幅度、頻率和相位上的變化和分布上具有不同的瞬時值。

1.2.1 脈內頻率調制

脈內頻率調制主要包括線性調頻、非線性調頻和頻率編碼。其中脈內頻率編碼信號是把發射機發射的寬脈沖分成若干時間片段，每個時間片段內的載頻可以根據需要而有所不同，該類信號可通過控制時間和頻率而改變信號的時間和帶寬[2]。

1.2.2 脈內相位調制

脈內相位編碼調制就是在載頻不變的前提下，脈內各個碼元根據需要采用不同的初始相位。根據初始相位的備選集合不同，脈內相位調制可分選為二相編碼、四相編碼和多相碼。

2 雷達信號脈內特征分析方法

雷達信號脈內特征分析技術通過幾十年的研究，已初步形成了一些較為有效的分析方法，主要有時域自相關法、時頻分析法和數字中頻法等。本文重點介紹時頻分析法和數字中頻法等。

2.1 數字中頻技術

對雷達信號進行高保真采樣是分析提取脈內信息特征的關鍵。高位、高速采集卡是解決這一關鍵難題的理想電子器件。雙通道8位數模轉換器、采樣速率1GHz的高速采集卡已用于電子偵察系統。采樣速率達2GHz的高速采集卡正在研制中。

數字中頻處理的基本方法是：將接收到的射頻信號下變頻至中頻，用高速采集卡對保持全部相位和幅度信息的中頻信號進行高保真的采樣。采樣后利用多種數字信號處理方法，從時域、頻域和時頻域對中頻信號進行分析處理。

對于載波為正弦的任何雷達信號，都可表示為：

式中：f0為信號載頻；A（t）為信號幅度包絡；ω（t）為信號的瞬時頻率；φ（t）為瞬時相位。

雷達信號的任一脈內調制方式都是通過改變A（t），ω（t），φ（t）這3個參數來完成的。

該信號可用解析信號表示為：

其中同相分量Si（t）和正交分量Sq（t）為：

由Si（t）和Sq（t）可計算出雷達脈內特征信號的瞬時參數，即計算信號的瞬時幅度、瞬時相位和瞬時頻率等脈內參數，通過對這些參數的分析判斷信號類型和提取信號參數：

2.2 時頻分析方法

信號分析一般是在時域或頻域內進行，但這種分析方法一般只針對平穩時變信號，而對于非平穩時變信號，比如存在脈內調制的雷達信號，單獨在時

式中：s（t）為將要被分析的信號；h（t）的作用是限制時間；e－j2πft的作用是頻率限制；STFT 是時間和頻率的二維函數，它的時間分辨率和頻率分辨率可以用時間－頻率平面上的一個矩形來說明，該矩形窗口稱為分析窗口。

短時傅里葉變換克服了傳統傅里葉變換的缺點，用一個具有合適寬度的窗函數從信號中提取出一段來作傅里葉分析，通過沿時間軸移動窗口得到1組STFT，它反映了信號的傅里葉變換隨時間大致變化的規律[4]。

本文采用數字中頻技術與短時間傅立葉變換相結合的方法，對雷達脈內特征信號進行綜合提取和分析，詳細分析出信號的頻譜、瞬時幅度、瞬時頻率和瞬時相位。其信號處理框圖如圖1所示。域或頻域進行分析難以反映出信號的時變特性，因為這種信號分量的幅度、頻率、相位等都隨時間而變化。時頻分析采用局部變換的方法，通過時間和頻率的聯合分布函數來表示信號，同時也可以描述信號在不同時間和頻率的能量密度和強度。

其中時頻分析方法有短時傅里葉變化、Wigner-Ville分布和小波變化法等。在復雜電磁環境下，這幾種時頻分析方法各有優劣：短時傅里葉變化有很好的抗干擾性能，但時域分辨率和頻域分辨率相互矛盾；Wigner分布法受噪聲影響小，但是非線性預算，也不適用于多信號混疊的場合；小波變化易受噪聲影響，且計算量大，不適合實時處理。下面以短時傅里葉變化為例介紹時頻分析法[3]。

短時傅里葉變化的思想是：把信號劃分成許多小的時間間隔，并進行傅里葉變換，以確定信號頻率成分隨時間變化情況。短時傅里葉變化公式：

圖1 信號處理框圖

由圖1可以看出，系統對接收到的脈內信號先進行正交變化，然后計算出信號的頻譜、瞬時幅度、瞬時頻率、瞬時相位，接著進行參數識別和估計，再輸出數據。圖1中的短時傅立葉變換用于對脈內調頻信號的輔助分析，包括判斷調頻類型和提取調頻參數。與其他方法相比較，該方法更適合在復雜條件下提取雷達脈內特征信號，適用性更強[5]。

3 結果與分析

下面以線性調頻雷達信號為例，分析其脈內調制特性，開發工具為VisualC＋＋6.0。當高速采集卡采集到已知模擬雷達信號（頻率為5 500MHz，脈寬6μs，調頻帶寬45MHz），送到分析軟件處理。分析軟件通過對獲取數據的處理，獲得信號的載頻、類型和其他參數信息。分析結果如下：

3.1 信號頻譜

信號頻譜的分析是對接收到的某個時間段內信號數據的傅立葉變換，如圖2所示?？蓽y出信號載頻參數為5 549.7MHz，與已知信號參數誤差只有0.3MHz。

圖2 線性調頻信號頻譜圖

3.2 信號瞬時幅度

對原始信號進行包絡檢波得到信號的瞬時幅度，該幅度參數由矢量信號的實部平方與虛部平方的和再開方得到。

通過軟件分析得出圖3，可直觀看到脈沖形狀和脈沖間隔等參數，并測得信號脈寬為5.96μs，與已知參數相差0.04μs。

圖3 線性調頻信號瞬時幅度圖

3.3 信號瞬時頻率

信號瞬時頻率值由瞬時相位對時間求導計算得出。通過瞬時捕獲區域的分析數據，可以直觀地對脈內頻率調制脈沖進行參數測量。

通過軟件分析得出圖4，從圖中可以看出瞬時頻率為一傾斜直線，信號調制帶寬為43.4MHz，與已知參數相差1.6MHz。

圖4 線性調頻信號瞬時頻率圖

3.4 信號瞬時相位

通過對矢量信號的虛部與實部比值的反正切得到信號瞬時相位。根據相位的周期性特點，瞬時相位即原始相位折疊至－180°～180°內的數值。

從圖5可看出，通過該區域數據分析脈內相位調制情況能判斷信號調制類型、測量碼元長度和信號編碼規律。

圖5 線性調頻信號瞬時相位圖

4 結束語

通過軟件分析和硬件平臺的實驗分析結果可以看出，本文提出的數字中頻技術結合短時傅里葉變換法能精確地對雷達信號脈內調制特征進行提取。該方法可應用于不同平臺偵察系統精測接收機，具有廣闊的應用前景。

[1]胡愛明，胡可欣.相位編碼信號在雷達中的應用[J].艦船電子對抗，2007，30（5）：66-68.

[2]呂新正，柳桃榮，洪一.低信噪比下基帶編碼信號的脈內特征分析[J].雷達與對抗，2006（3）：31-34.

[3]胡小勐，孫志勇，張劍云.一種基于小波變換的二相編碼信號識別方法[J].電子信息對抗技術，2006，21（3）：6-10.

[4]張直中.雷達信號的選擇與處理[M].北京：國防工業出版社，1979.

[5]穆世強.雷達信號細微特性分析[J].電子對抗，1992（1）：1-11.