基于寬帶實時接收機的雷達信號分析與干擾判定方法

李安平，張小飛，唱 亮

（國家無線電監測中心，北京 100037）

1 雷達信號干擾

近年來，隨著無線電技術的不斷發展，無線電在各行各業的應用越發廣泛。雷達作為一種現代無線電的應用，在氣象、搜索等諸多方面都得到廣泛的應用。由于雷達使用量大、頻率需求也大，加上大功率、強方向性、位置高等諸多因素，其傳播距離遠，如果頻率使用有重復使用或鄰頻使用，容易引起無線電干擾。干擾發生時，由于雷達業務重要性高，不能輕易做開關機實驗來確認，本文從信號深度分析的角度，分析信號的射頻頻譜、信號時域分析、判定雷達天線機械旋轉周期等方法，提取雷達信號的多維度特征等多方面的參數進行比對，確認干擾源，可有效提升干擾判斷的準確性，大幅提高干擾判定的效率。

2 雷達主要使用的頻譜

按照雷達的工作原理，不論發射波的頻率如何，只要是通過輻射電磁能量和利用剛從目標反射回來的回波，以便對目標探測和定位，都屬于雷達系統工作的范疇。常用的雷達工作頻率范圍為 220 MHz–350，000 MHz。在實際中各類雷達工作的頻率在兩頭都超出了上述范圍。國際電信聯盟分配到雷達頻段主要頻段見表 1：

表1 國際電信聯盟分配到雷達頻段主要頻段

從上述頻段劃分頻段看，雷達的使用的頻率較高，其射頻特性呈現視距傳播特性，對于收發系統來說，不管是使用相控陣天線還是其他天線，其輻射的方向性都很強，這對于干擾查找過程來說，對判定干擾的來波方向很有幫助，也有利于選擇喇叭天線、拋物面天線等地面逼近查找設備。

3 雷達各類特點分析及干擾應對分析

3.1 雷達各類特點分析

（1）雷達信號分類。脈沖雷達、連續波雷達、脈沖壓縮雷達、多普勒雷達、噪聲雷達、頻率捷變雷達等。

（2）雷達角跟蹤方式。單脈沖雷達、圓錐掃描雷達、隱蔽錐掃描雷達等。

（3）雷達測量目標的參量類別。測高雷達、兩坐標雷達、三坐標雷達、測速雷達、目標識別雷達等。

（4）雷達信號處理方式。主要有頻率分集、極化分集等分集雷達、相參及相參積累雷達、動目標顯示雷達、合成孔徑雷達等。

（5）雷達常見掃描法。機械掃描雷達、相控陣雷達、掃頻雷達。

3.2 雷達信號主要特點

（1）雷達信號的帶寬變化大。在現代雷達中，為了達到更高目標的技術實現，如高精度、高辨識率等，雷達發射信號的頻率在一定的帶寬范圍內會以各種方式靈活變化如脈間偽隨機捷變頻、脈組偽隨機捷變頻、脈間和脈組自適應捷變頻、頻率分集等方式。這就要求無線電監測要配置更大的實時帶寬，能夠覆蓋雷達的工作頻率，這樣對實現時域的脈內分析的準確性提供保障，否則當設置的時域分析的帶寬不夠時，會造成時域信號失真，引起錯誤判斷。

（2）雷達信號幅度變化大。對于機械掃描或相位掃描雷達，在方位上雷達天線波速在連續旋轉，在俯仰上天線波束在波位順次或編程掃描，無線電接收設備截獲的雷達信號幅度包絡起伏較大。當接收機系統的天線對準雷達主瓣時，幅度大；當接收機系統的天線離開雷達的主瓣時，信號的幅度大幅降低。這和雷達系統的強方向性息息相關。在查干擾時，為了提升系統的靈敏度，接收天線也將采用定向天線，為此，在接收時需要和雷達天線完全在同一個主瓣上，這更加導致信號幅度變化會很大。

（3）雷達信號波形變化復雜。在現代雷達系統中，都采用了了低截獲概率設計系統，信號波形相對復雜，占空比較大，具有多種不同的信號波形可以變化，系統將根據需要便跟蹤邊搜索，甚至控制發射功率、波束指向、信號頻率、波形等發射信號，以不同的接收機通道接回收處理回波，這使得接收機系統收到的雷達信號復雜性加大，識別輻射源難度加大。

（4）雷達信號特征參數變化大。部分雷達系統可根據用途，具體選擇工作模式，每種工作模式發射功率、工作頻率、信號波形和脈沖寬度、重復周期等都不盡相同，接收到的信號能量起伏加大，信號參數波形變化快而復雜，導致接收到的信號電平功率增加，對準確接收信號造成困難。

基于上述原因，如何準確還原被干擾電的信號，無差異回復信號特征是一項比較難的工作。這涉及到接收鏈路的適配、配置、濾波器和低噪放大器的取舍，也涉及到接收機參數的令靈活設置。

4 干擾場景下雷達射頻信號無差異還原

4.1 設置合適的濾波器在實際干擾查找過程中

由于受到干擾，所以在主信號同頻率處或者在鄰頻位置有信號，如何設置合適的濾波器帶寬，或者顯示合適的帶寬，可準確獲取目標信號。以下幾種方法可以提高對信號的準確判定能力：一是準確估計主信號和目標信號的中心頻率和帶寬，計算兩個頻率的差，該差值作為濾波帶寬和設置中心頻率的依據。二是若兩個信號離得比較近，可以將中心頻率往兩邊設置，通過調整合適的帶寬，將不需要顯示的信號排除出去。三是若兩個信號頻率離得特別近，可以通過查看信號的瀑布圖觀察信號的時間規律和特點區分。

4.2 設置合適的帶寬

由于在雷達受到干擾時，往往會前往受干擾點進行測試。在測試過程中，由于離受干擾點距離很近，可能會對主信號產生干擾的頻帶內有哪些信號往往是錯誤的。為此當在較小的帶寬設置時，看到一些信號都是主信號的帶外，這個時候可以通過設置較寬的帶寬查看該信號與主信號之間的時間一致性來判定。如圖 1所示，其中心頻率為 2，830 MHz，設置的 Span為200 MHz。若設置帶寬為 50 MHz時，通過瀑布圖可以看到一個信號有規律的出現。但是通過分析帶寬為 200 MHz的瀑布圖時，發現該信號出現規律與 2，920 MHz的信號完全同步，初步就可以判定該信號不是真正的干擾信號，而是一個大信號產生的帶外信號和寄生信號。

圖1 在測試頻點出現鄰頻大信號的帶外信號

4.3 設置合適射頻參數

為了確保信號不失真反映，考慮到設置的中頻帶寬內，有大信號或者有多個信號，則需要設置合適的參考電平、衰減器、自噪聲放大器等以更加完整準確的方式顯示射頻頻譜或時域信號。

在查看時域信號的時候，濾波帶寬的設置更加重要，確保在該設置的采樣帶寬內只有目標信號，確保時域信號反映準確。此外，在查看信號時域若信號太弱，需要根據信號的幅度，不斷調節合適的參考電平，確保可以時域信號幅度完整體現的。時域信號顯示的市場對信號分析也非常關鍵。當對一個基帶信號為語音等模擬信號時，顯示時長則為秒級。若對一些短時突發脈沖或者數字信號時，則需要設置的時長可以從微秒級或毫秒級別，場高端完全取決于該信號時域的特征。

圖2 不同顯示時長的時域信號顯示區別

5 基于高性能頻譜儀的雷達信號的多維度特征分析

基于前面論述，不同類型的雷達信號，其在信號的幅度變化規律、時域、頻域、調制域以及脈內特征等方面多有區別和特點。在雷達干擾判定過程中，由于信號本身的重要性，很多時候無法進行開關機實驗，這時就需要對雷達信號進行多維度特征分析，通過在受干擾點和判定的干擾源位置點獲取的信號特征進行比對，確保查找的發射源確為干擾源。為了獲取這些特征參數，可以從以下幾個角度進行分析。

5.1 IQ數據準確獲取

目前，越來越多的設備均支持 IQ數據的采集。 IQ數據本質是去掉載波（零中頻）的基帶信號。為了準確獲取 IQ信號，幾個關鍵要素必須設置和判定準確。具體步驟如下：

（1）設置合適的參考電平。當在受干擾點時，由于干擾信號可能距離受干擾點較遠，信號幅度較弱，而本地信號較強，這時需確保參考電平低，且要求將大信號通過濾波濾掉。圖 X為某一寬帶實時便攜頻譜儀的 IQ信號采集設置參數界面。若距離干擾信號距離較近，信號的幅度大，這時為了保證不產生非線性，則需要將參考電平設置較高。參考電平的設置本質是調整射頻前端增益和衰減值。

（2）設置合適的中心頻率。在沒有其他大信號時，因設置中心頻率為目標信號的中心頻率，確保信號無殘留頻率分量。

（3）設置合適的采樣帶寬（中頻帶寬）。在 IQ信號采集之前，先需要簡單估計信號的帶寬。一般將采樣帶寬設置比信號帶寬略寬。典型值為 1.25倍信號帶寬。

（4）設置采樣速率。由于 IQ信號為零中頻信號，頻譜正負對稱分布，其 IQ信號的帶寬實際為在射頻頻率下帶寬的一半。根據奈奎斯特采樣定理，采樣速率為信號帶寬兩倍以上，信號可完整無差異還原。由于是基帶信號，所以一半采樣速率設置為信號帶寬的 1.25倍即可，此時采樣速率實際等同于射頻下信號帶寬的 2.5倍，滿足采樣定理要求。

（5）設置單次采樣的時長（點數）。考慮基帶的帶寬和需要分析的數量，采樣的時長一般是帶寬倒數的數十倍即可。對于雷達信號，則要求單次采樣時長至少高于一個雷達周期。

（6）設置觸發電平和觸發類型。由于雷達信號大多數為脈沖信號，且為機械旋轉雷達，其幅度變化周期經常從個幾秒到十幾秒的量級。如果采用手動采集，則很有可能會出現采集不到信號。為此，對于幅度變化較大的信號，為了確保采集的信號信噪比較高，一般都采用觸發采集。觸發采集的電平可以通過頻譜最大保持值來確定。一般設置觸發電平為最大保持電平降15 dB–20 dB，這樣可以采集到的高質量的IQ信號。此外，觸發類型一般設置為上升沿觸發。圖3為某款便攜式實時頻譜儀IQ采集的界面。

圖3 某款便攜式實時頻譜儀IQ采集的界面圖

5.2 雷達信號的時域分析

由于雷達信號的脈沖特性，其顯著特性大部分在時域。根據不同雷達特點，可以從雷達時域微觀特征（脈沖分析）和時域宏觀特性分析。

5.2.1 時域微觀特征分析

時域微觀特征分析，也被稱之為雷達信號的指紋特征。在上述雷達信號 IQ數據截獲的基礎上，可以清晰的查看雷達脈沖特點。如下圖所示，可以通過分析單個脈沖的上升沿、下降沿、脈沖寬度、脈內抖動、脈沖間距等典型參數，并記錄。

圖4 微觀時域分析下脈沖間的特點分析

圖5 微觀時域分析下脈沖內部特點分析

圖4、圖5是某干擾查處過程測試記錄的脈沖特點。從圖 4可以看出，兩個連續脈沖之間的距離（重復周期）是可以準確測量出來的。從圖 5可以看出，脈沖間的距離（重復周期）是可以準確測量出來的。

5.2.2 時域宏觀特征分析

雷達為了提升作用距離，采用定向性很高的天線，保證在某一方向的高增益、窄波束特性。由于不同雷達的機械特征有差異，比如雷達天線的機械旋轉速率不一樣。正是因為窄波束、機械旋轉的特點，在頻譜特性上則呈現周期性的規律，在干擾查找過程中可以測量這種頻率幅度周期，以計算機械旋轉周期，該周期值不需要特別精確，也可以通過積累多個周期測量提高精度。如圖 6所示，為某一干擾查找過程中測量的信號幅度周期性變化，可以看出其機械旋轉周期為 10.8 s。

圖6 雷達天線機械旋轉接收系統幅度周期變化

5.3 頻域分析

頻域分析方法是雷達信號分析的輔助方法。主要通過實時頻譜儀查看信號的中心頻率和信號的帶寬的特點，并測量出對應結果。通過瀑布圖還可以查看相關頻譜隨時間變化的特征。此外，通可以熒光譜和瀑布圖的顏色深淺來判定該信號是否為常發信號和突發信號。如下圖所示，為某一雷達信號的瀑布圖和熒光譜的實際情況。由圖 7、圖8可以看出，該信號占用帶寬約 5 MHz，并不是常發信號，且占用度很低。

圖7 典型的雷達信號瀑布圖

圖8 典型的雷達信號熒光譜圖

表2 某雷達干擾與疑似干擾源發射臺信號參數比對表

6 結束語

通過對雷達信號的多維度特征分析，獲取雷達頻域、調制域、時域、機械旋轉等多參數，對目前繁忙且重要的雷達系統至關重要，這是以技術提升判斷準確性，可有效降低誤判造成的影響。通過對雷達信號多域分析，提升實際工作的效率。