一種外雷達源探測的時序恢復方法研究

但曉東

(中國電子科技集團公司第三十八研究所,合肥 230088)

0 引 言

近年來,關于外輻射源探測系統的輻射源研究熱點由民用信號逐步轉向雷達信號。相比以調頻廣播為代表的民用信號,雷達信號作為外部輻射源具備以下探測優勢[1]:

(1)信號發射功率高,具備更遠的探測能力。調頻廣播信號發射功率一般在3 kW,數字電視信號功率一般在1 kW,兩者對目標探測主要通過長時間積累來獲取得益,但雷達信號的功率一般在百千瓦量級,高發射功率代表更遠的探測能力。

(2)定制化的信號形式,更適用于雷達探測。調頻廣播、數字電視主要用于通過無線方式傳遞信息,其信號調制方式主要考慮信息傳輸,而非雷達探測。雷達信號經過專門設計,比如較為常見的線性調頻信號,在獲取高距離分辨率和多普勒分辨率方面具有獨特優勢,更適用于目標探測。

雷達信號雖然具有一定的優勢,但在實際使用時也面臨較為尖銳的問題,比如接收站接收到的雷達信號無發射時序信息,導致無法對回波數據進行分段相參處理及測距。鑒于此,本文提出一種利用回波數據研究恢復雷達時序的方法,以便實現對雷達資源的利用。

1 外雷達源探測時序恢復方法設計

1.1 外雷達源系統概念

如圖1所示,外輻射源探測系統一般構型為TNR系統[2],其發射站可能有多個,具體根據同時利用頻點數、輻射源種類數的不同而定。

圖1 外輻射源探測系統

以民用信號為輻射源的探測系統[3],其接收站一般由兩組天線構成:一組為陣面天線,負責接收目標反射的回波信號;另一組為直達波天線,用于接收直達波信號。直達波信號的用處如下:一是用于對陣面接收的回波信號進行直達波消除;二是作為“脈壓”處理的時序基準,標定探測的“零距離單元”。

以雷達信號作為輻射源的探測系統與以民用信號作為輻射源的探測系統構成相似,區別在于信號處理方面。相較于民用信號的連續波形式,雷達信號一般為脈沖信號,在做外源信號處理時,其時序由發射端唯一確定,無法通過直達波信號標定“零距離單元”。

外雷達源探測系統的常規處理流程:首先利用獲取的直達波恢復時序,然后將回波信號按照恢復出的時序提取數據,最后按照波位、脈組的信息進行匹配處理。

1.2 時序恢復方法

本文的時序恢復方法可分為兩步:先通過直達波參數測量,獲取每個脈沖的到達時間及結束時間,從而得到脈沖寬度及脈沖重復周期;然后將參測獲取的脈沖串信息與系統預設的輻射源波形庫內模板進行匹配,獲取發射脈沖的時序信息。

1.2.1 參數測量

雷達參數主要是時空頻三維參數,又稱為脈沖描述字:時域參數主要包括脈沖到達時間、脈沖重復周期和脈沖寬度;空域參數主要體現在到達角;頻域參數主要指脈沖頻率。數字化接收機具備動態范圍大、靈敏度高等優勢,是現代雷達偵察系統中接收系統的優選設計。以數字化接收為基礎,數字信道化參數測量方法的實現流程如圖2所示:將整個工作帶寬劃分為多個信道,數字接收機接收的寬帶信號在信道化處理模塊內信道化后,在每個信道內對進入的信號同步進行濾波、檢測,從而得到各信道內的脈沖到達時間、脈沖結束時間和脈沖頻率等脈沖描述字信息。

圖2 參數測量實現

時域參數測量方法[4]包括門限檢測法、能量檢測法、自相關檢測法等;頻域參數測量方法包括過零點檢測法、相位差分法、快速傅里葉變換法等;空域參數測量方法包括比幅測向、干涉儀測向等。

1.2.2 模板匹配

受接收的脈沖信噪比限制,脈沖參測存在測量精度差和丟失脈沖的情況,會進一步導致發射時序恢復不準確、目標探測結果偏差大甚至錯誤。為了準確恢復時序,將參測得到的脈沖串與系統預設的輻射源波形庫內模板進行匹配,按照適當的匹配準則,即可在一定程度上基于參測獲取的“不完整”脈組恢復出準確的發射脈沖信息。

實際工程中常用的匹配準則有全脈沖匹配準則和N/M準則。

(1)全脈沖匹配準則

按照發射波形庫里預設的模板逐脈沖匹配接收到的脈沖串,若接收的脈沖串與預設的模板完全一致,則判定當前脈沖串的時序為模板時序。該準則的時序恢復準確率最高,主要適用于接收站接收到的脈沖信噪比較高、參數測量丟脈沖較少的場景。

(2)N/M準則

在多數場景下,從直達波獲取的脈沖串都存在丟脈沖的情況。此時,若仍采用全脈沖匹配方法,滿足匹配準則的脈沖串較少,時序恢復結果不理想,導致探測丟幀、航跡不連續、航跡丟批及航跡無法起始等情況。

為了使匹配準則具有更好的魯棒性,提出一種N/M匹配準則:若在一個發射脈組的M個脈沖中,檢測出N個脈沖(N

為了保證時序恢復的準確性,對參數測量模塊得到的時間信息的精確性提出了較高的要求。為此,提出一種秒脈沖同步+本地高精度恢復的時間同步方法,如圖3所示。

圖3 高精度時間實現方式

系統配備的北斗授時設備能夠給出精確的1 pps秒脈沖及絕對時間報文,通過解析獲取精確到秒的時間;時序接口板內部采用高速時鐘,對輸入的秒脈沖進行分割計數,得到精確到納秒的絕對時間,并同步將時間送入參數測量模塊;參數測量模塊對直達波數據進行測量,檢測到脈沖后同步將時間信息記入,得到脈沖到達/結束時間,進而獲取脈寬、周期等參數。

1.3 試驗驗證

為了驗證方法的可行性,構建一套基于外雷達源探測的測試系統,如圖4所示。試驗采用一部UHF波段雷達作為發射站,布設在30 km外,并采用相掃方式進行目標探測,接收系統采用同時多波束方式同步接收空中目標對雷達發射的反射信號。

圖4 試驗布站構型

系統工作頻率設定600 MHz,發射的波形參數如表1所示。

表1 波形參數匯總表

按照所述方法進行時序恢復及匹配,并提取回波數據完成處理,得到結果如圖5所示。

圖5 脈壓結果圖

在提取的回波數據中分析得到兩批目標,對應的雙基地距離和分別為125.9 km、149 km,表明本文方法能夠完成時序恢復及匹配,實現外雷達源探測功能。

2 結束語

本文從工程應用中遇到的問題為出發點,提出一種外雷達源探測的時序恢復方法,并搭建了試驗系統對所提方法開展試驗驗證,試驗結果表明:該方法能夠在一定程度上解決外雷達源探測時的時序恢復及匹配問題,對外雷達源探測的推廣應用具有重要意義。