STFT數字信道化的雷達脈沖參數測量改進算法*

丁世譜，夏厚培

(1.南京信息工程大學 電子與信息工程學院，江蘇 南京 210044；2.中國船舶重工集團 第七二四研究所，江蘇 南京 211106)

STFT數字信道化的雷達脈沖參數測量改進算法*

丁世譜1，夏厚培2

(1.南京信息工程大學 電子與信息工程學院，江蘇 南京 210044；2.中國船舶重工集團 第七二四研究所，江蘇 南京 211106)

數字信道化技術是現代雷達偵測系統的重要組成部分，短時傅里葉變換(STFT)算法是實現數字信道化常用的一種算法。該算法所構建的數字濾波器組具有濾波特性一致、運算量少的優點，通過測量濾波器組的輸出可以確定輸入脈沖信號的參數，然而該算法對于接收機截取的脈沖信號與實際脈沖信號不匹配所測量的參數誤差較大。為改善參數測量精度，提出了一種基于STFT信道化的雷達脈沖參數測量的改進算法，該方法在信道化基礎上引進Haar小波變換對脈沖到達時間精確提取，通過相關累加對脈沖信號幅度精確測量。通過仿真分析驗證了算法的有效性。

數字信道化；短時傅里葉變換；數字濾波器組；脈沖參數測量；Haar小波變換；相關累加

0 引言

在數字化接收機[1]的設計中，信道化處理[2-4]是最重要的環節之一。常見的信道化技術有：多相濾波信道化技術[5-7]，短時傅里葉變換信道化技術[8-9]，基于短時傅里葉變換(STFT)對脈沖參數測量算法簡單、易于實現、運算量少，但是由于接收機所截取的信號與實際脈沖信號出現時間不匹配等問題會對脈沖參數測量的精度有很大影響。

對于脈沖參數測量的精度問題，許多學者進行了研究。文獻[10]設計了一種寬帶數字接收機，應用改進的測量算法，脈沖參數的精度可以得到顯著的提高，但該方法對于同時到達的多信號處理存在很大問題。文獻[11]對信號做快速傅里葉變換處理，分析信號的頻域參數，通過信號分離、濾波提取脈沖信號后，再利用逆快速傅里葉變換處理將信號頻譜變換回時域，以進行精確的時域參數測量，但該方法運算量大，系統龐大而復雜。文獻[12]提出了用2次快速傅里葉變換來精確的提取脈沖到達時間，該方法在低信噪比時其估計性能不佳。針對以上問題展開研究，本文借助文獻[13]中對到達時間精確測量的思想對STFT算法進行改進，改進后的算法能夠精準確定信號到達時間，運用相關累加算法[14]提高幅度測量精度，使得脈沖參數測量精度更高。仿真實驗驗證了算法的有效性[15]。

1 STFT數字信道化脈沖參數測量原理

圖1為STFT數字信道化濾波器組的工作原理圖。

圖1 STFT數字信道化濾波器組Fig.1 STFT digital channelization filter banks

N點短時離散傅里葉變換濾波器組輸出：

(1)

式中：k=0，1，…，N-1；i為時刻點；k為信道號；M為STFT滑動點數；w(n)為窗函數，其寬度為N。

門限檢測：

(2)

(3)

式(3)中：Pn(i，k)為各子信道無信號時的輸出功率，即噪聲功率；Pfa為恒虛警率。

參數測量：

(4)

(5)

(6)

2 改進的STFT算法

在數字接收機中，由于輻射源信號到達時間、脈寬的隨機性，會出現接收機所截取的信號與實際信號在時域上不匹配的現象，而導致在某一時間窗里面取的大部分是噪聲，只有少部分是信號，由于頻域檢測具有抑制寬譜噪聲，提高檢測信噪比的優點，故很少信號也能檢測出來，從而使信號到達時間測量的不準確，并且會影響后續脈沖幅度的測量精度。為解決這些問題，本文將Haar小波變換、插值運算和相關累加運用到STFT數字信道化中，得到一種改進的算法。圖2為改進STFT算法的流程圖。

2.1 載頻估計

(7)

2.2 TOA精確測量

(8)

然后與這一時間段內的信號進行相乘，得到基帶信號z(n)，對基帶信號作離散小波變換：

(9)

分析信號在跳變點附近的小波變換模的變化規律，在n0+a/2≤n≤n0+M-a/2這一時間內有

(10)

2.3 幅度精準測量

將精準定位后的信號變換到基帶后，對其進行相關累加取模值，并對模值進行最小二乘線性回歸，將回歸參數中的斜率值做為脈沖信號幅度測量的精確值。

3 仿真與結果分析

3.1 小波變換模

假設輸入脈沖信號到達時間為10μs，脈沖寬度為10μs，信噪比為6dB，信號幅度為10dBm，脈內信號載頻為100MHz的正弦信號，采樣率為250MHz。STFT點數N=1 024點，滑動點數M=N/2=512點。

門限設置：假設發現概率為0.9，恒虛警率為10-6，統計各個子信道無信號時的噪聲功率，根據公式(3)計算出頻域檢測門限。

信號時域參數測量：隨著窗口的移動，每隔N/2點做一次FFT，圖3給出第1～12次FFT濾波器輸出的頻譜圖。

由圖3可知：第4次FFT濾波器的輸出超過了門限，故而信號到達了，TOA=6.14μs，到了第11次FFT濾波器信號終止了，其終止時間為20.48μs，所以PW=14.34μs。每次FFT將采樣頻帶fs分為N個信道，尋找峰值譜線幅度位置為411信道，則f0=100.34MHz，根據公式(6)可以計算出PA=1.66mV。

分析：由于接收機所截取的信號與實際信號不匹配，使得第4次FFT時，實際取得信號很少，而噪聲偏多，故求得的TOA偏小，PW偏大，后面求得的幅度也就偏小。

改進的算法：尋找峰值譜線與相鄰次大譜線的幅度值位置分別為411和400信道，根據式(7)計算載頻為f0=100.22MHz。由原STFT算法求得的到達時間和脈寬重新選取信號，并依照式(8)構造參考信號，將2個信號相乘變換至基帶，選擇合適的尺度對基帶信號z(n)作Haar小波變換，并計算在該尺度下的小波變換模。圖4給出對基帶信號z(n)做Haar小波變換的模值波形。

從圖4很明顯地可以看出信號的到達時間為10.12μs、脈寬為10.07μs；依據相關累積算法求得

的精確幅度為PA=3.21 mV。

圖4 基帶信號小波變換模值波形Fig.4 Baseband signal wavelet transform modulus waveform

3.2 2個信號輸入

假設輸入信號為時域重疊但頻域不重疊的2個單頻脈沖信號，2個信號的脈沖到達時間分別為10 μs和12 μs，脈沖寬度分別為10 μs和6 μs，脈沖幅度均為10 dBm，信噪比均為6 dB。2個信號的載頻分別為100 MHz和120 MHz，采樣率為300 MHz。STFT點數N=1 226點，滑動點數M=N/2=613點。發現概率和恒虛警率與前文設計的一樣，檢測門限由式(3)求出。圖5給出了第1～12次FFT濾波器輸出的頻譜圖。

從圖5以及式(7)很容易地求出2個信號的載頻fRF1=100.22 MHz，fRF2=120.24 MHz，然后根據改進的算法求得2個信號的小波變換的模值波形圖分別為圖6和圖7。

圖6為載頻為100 MHz的小波變換圖，可以看出信號到達時間為9.96 μs、脈寬為10.16 μs，圖7為載頻為120 MHz的小波變換圖，可以大約估計信號到達時間為11.91 μs、脈寬為5.94 μs，由相關累加可以計算出2個信號的幅度分別為3.16 mV，2.89 mV。

圖5 第1～12次FFT濾波器輸出的頻譜圖Fig.5 Spectrogram of the FFT filter output 1～12

圖6 100 MHz小波變換模值波形Fig.6 100 MHz wavelet transform modulus waveform

圖7 120 MHz小波變換模值波形Fig.7 120 MHz wavelet transform modulus waveform

4 結束語

本文對基于STFT數字信道化的雷達脈沖參數測量的算法上進行了改進，首先分析了對于不知道信號何時出現以及作FFT的點數給測量帶來的誤差，然后結合相關算法對脈沖的起、止時間及載頻進行修正，最后求出各個參數的精確值。經過仿真結果分析，可以看到改進的算法比原算法測量的精度大大提高了，甚至在低信噪比情況下都能很準確的測出脈沖的各個參數，但由于該算法運算量較大，需要對算法進一步優化提高處理速度，是本文下一步工作的主要研究內容。

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Improved Algorithm of Radar Pulse Parameter Measurement Based on STFT-Digital Channelization

DING Shi-pu1，XIA Hou-pei2

(1.Nanjing University of Information Science & Technology，College of Electrics and Information Engineering，Jiangsu Nanjing 210044，China；2.No.724 Research Institute of CSIC，Jiangsu Nanjing 211106，China)

Digital channelization technology is an important part of modern radar detection system, short-time Fourier transform(STFT) algorithm is used for digital channelization. The digital filter banks constructed by this algorithm are characterized by the same filter characteristics and less computation. The parameters of the input pulse signal can be determined by measuring the output of the filter bank, however, the parameter error of the algorithm between the receiver intercept pulse signal and the actual pulse signal is large. To improve the parameter measuring accuracy, an improved algorithm based on STFT channelization of the radar pulse parameter measurement is proposed. In this method, the Haar wavelet transform is used to extract the pulse arrival time accurately, and an accurate measurement of pulse signal amplitude is made by correlation accumulation. The validity of the algorithm is verified by simulation analysis.

digital channelization；short-time Fourier transform(STFT)；digital filter banks；pulse parameter measurement；Haar wavelet transform；correlation accumlation

2016-07-19；

2016-09-03

丁世譜(1992-)，男，湖北嘉魚人。碩士生，主要研究方向為雷達信號處理。

通信地址：211106 江蘇省南京市江寧區水閣路長青街30號 E-mail：592008387@qq.com

10.3969/j.issn.1009-086x.2017.03.022

TN959.6；TP301.6；TP391.9

A

1009-086X(2017)-03-0133-06