基于異值檢測及干擾樣本歸零的調頻引信抗掃頻干擾方法

楊 瑾,郝新紅,周 文,錢鵬飛,蔡 鑫

(北京理工大學機電動態控制重點實驗室,北京 100081)

0 引言

線性調頻引信因其具有良好的功率優勢以及優秀的定距性能,被廣泛應用[1]。然而實際戰場情況復雜,電磁環境惡劣,加之人為干擾的影響,使線性調頻引信定距性能受到影響,從而導致彈藥毀傷效果減弱[2]。在眾多干擾類型之中,掃頻類干擾由于同時具備了壓制式干擾和瞄準式干擾的特征,干擾效果顯著,對線性調頻引信的性能造成嚴重威脅[3]。

目前針對掃頻類干擾,國內外已開展了大量研究,研究成果可大致分為三類：采用新體制引信[4-5]、通過信號處理手段直接緩解干擾[6-7]、提取更多特征區分干擾和目標信號[8-9]。文獻[4]通過回波信號在分數階域的特征進行定距,一定程度上提高了引信定距的準確度但算法復雜度高、計算量大;文獻[7]在找出干擾片段后,通過矩陣鉛筆法來估計參數重構干擾區域中的信號樣本,但該方法對未干擾區域信號質量要求高,引信平臺使用起來困難;文獻[9]利用信息熵特征實現最優分數變換階數估計,能夠將干擾信號和目標信號區分開來,但效果不穩定。此外,隨著深度學習的發展,它在抗干擾方面也展現出一定潛力[10-12],但對原始訓練數據的要求較高,并且魯棒性具有較大挑戰。

針對調頻引信在掃頻類干擾下抗干擾能力不足的問題,本文提出一種基于干擾樣本歸零的處理方法。首先分析了調頻掃頻干擾下線性調頻引信的失效原理,并通過異值檢測的方法準確定位受干擾樣本區域,進一步通過將受干擾樣本歸零,有效降低掃頻干擾的效果。

1 掃頻干擾作用機理

以鋸齒波線性調頻引信為例,其發射信號xt(t)可表示為

xt(t)=ej(2πf0t+πβ(t-(n-1)Tm)2),

(1)

式(1)中,f0為發射信號初始頻率,Tm為調制周期,β為調頻斜率,n為當前時刻對應的周期數,則真實目標回波信號xr(t)可表示為

xr(t)=ej(2πf0(t-τ)+πβ(t-τ-(n-1)Tm)2),

(2)

式(2)中,τ為路徑時延。不難得到差頻信號xΔf(t)可近似表示為

(3)

由式(3)可知,在一個周期內目標差頻信號近似表現為一個單點頻信號。

掃頻干擾基本原理如圖1所示。

圖1 掃頻干擾基本原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of sweep frequency interference

假設掃頻干擾信號起始頻率與調頻引信發射信號一致,進一步可得干擾信號xj(t)可表示為

xj(t)=ej2π(f0t+βj(t-(n-1)Tm)2),

(4)

式(4)中,βj為掃頻干擾信號的調頻斜率。為簡化分析,將當前周期數n設為1,進一步可以得到掃頻干擾對應的差頻信號xΔfj(t)可表示為

xΔfj(t)=ejπ(βj-β)t2。

(5)

設斜率差值β′=β-βj,有效干擾時間為Tj,滿足式

Tj=fL/β′,

(6)

式(6)中,fL為低通濾波器的截止頻率,進行變量代換t=t′+Tj/2,則有效干擾段的頻譜U(f)可表示為

(7)

掃頻干擾信號差頻頻譜覆蓋整個引信信號處理帶寬,由于干擾信號能量一般高于真實目標回波信號,當掃頻干擾信號進入后,將對真實目標回波差頻信號的頻譜產生壓制式遮蓋效果,如圖2所示,最終將影響線性調頻引信基于提取諧波包絡特征的炸高判定效果,從而引起早炸或瞎火。

圖2 掃頻干擾覆蓋信號頻譜Fig.2 Spectrum of sweep interference coverage signal

2 異值檢測及干擾樣本歸零方法

當干擾發生時,為了減輕干擾帶來的不利影響,首先需要定位受干擾的樣本區域。對于干擾方而言,由于干擾信號無法獲得全部的信號處理增益,為了取得足夠的干擾效果,干擾信號的幅度往往遠大于目標信號,在時域表現為幅值異常的調頻脈沖串。

由第1章分析可知,掃頻干擾導致差頻信號噪聲水平增加,很難在頻域內進行目標信號檢測。但在時域內,檢測干擾信號導致的幅值異常調頻脈沖串相對容易實現。因此,通過時域異值檢測與干擾歸零的方法,能有效檢測和抑制信號中的干擾部分,降低頻域的噪聲水平,顯著提高目標檢測能力。本文方法的主要流程如圖3所示。

圖3 本文方法流程圖Fig.3 Flow chart of the method proposed in this paper

2.1 基于拉依達準則異值檢測

拉依達準則是一種統計學中常用的異值檢測方法。先假設一組檢測數據只含有隨機誤差,對其進行計算處理得到標準偏差,按一定概率確定一個區間,認為超過這個區間的誤差的數據應予以剔除。

引信回波進行混頻、低通濾波后,對N個調頻周期進行M點采樣,得到離散差頻信號樣本為

(8)

假設處理數據窗口長度為L,得到該窗口內信號樣本均值和方差為

(9)

(10)

根據拉依達準測,當某一采樣點處的剩余誤差大于3倍的標準偏差時,認為該采樣點是含有粗大誤差的異常值,應予剔除,并標記為異常值,設置異值判決門限為

yth=u+3σ。

(11)

(12)

通過該準則可以有效檢測引信差頻信號中受干擾影響的異常值,并進入下一步處理。

2.2 干擾樣本歸零處理

將標記為干擾異常值的數據替換為零值。

ifqi=1
Ti=0
else
Ti=Ti,

其中,qi為異常值標記,qi等于1表示該數據為異常數據,否則該數據為正常數據,Ti為數據值。

通過將受干擾樣本歸零處理,能有效檢測和抑制引信差頻信號中的干擾部分,從而有效降低干擾帶來的不利影響,緩解定距誤差,處理結果進入下一級處理模塊。

3 實驗及討論

3.1 仿真實驗介紹

為了驗證本文方法的有效性,首先通過仿真實驗對算法效果進行驗證,仿真關鍵參數如表4所示。

根據前文分析可知,受干擾影響數據長度取決于干擾和引信的調頻連續波掃描速率及其時間和頻率對準,為簡化分析,設干擾和引信掃瞄相同持續時間、起始時間和起始頻率,并定義干擾參數相對斜率K如式(13)所示[13]：

(13)

式(13)中,Ts是掃描持續時間,SI是引信的FM調制速率,SV是干擾的FM調制速率,當濾波器帶寬與干信比固定時,受干擾的樣本比例僅與相對斜率有關。

3.2 仿真實驗結果及討論

在干信比20 dB條件下,選取K為6和9的兩組參數進行實驗,仿真結果如圖4所示。

圖4 不同K值下差頻信號時域波形Fig.4 Time domain waveform of difference frequency signal under different K values

可見,當K取值較小時,干擾信號與發射信號調頻斜率相差較大,有效干擾段較短,受干擾樣本少,干擾效果較差;隨著K的取值增大,干擾信號與發射信號調頻斜率差異變小,有效干擾段增加,受干擾樣本增多,干擾效果逐漸增強;不難得出,當K取值進一步增大至無窮,此時干擾信號與發射信號調頻斜率一致,即干擾信號與目標信號一致,等同于轉發類干擾,達到最佳干擾效果。

為進一步表明所提方法的干擾緩解效果,分別對無干擾條件下及額外增加K取值為9時的掃頻干擾進行仿真,分別繪制交會過程時頻圖,并提取距離維包絡,結果如圖5所示。由引信工作原理可知,差頻信號頻譜為分布在nfm處的譜線,其中n表示諧波次數,fm表示調制頻率,并且不同距離處,對應不同的諧波次數具有最大值,從而可以提取不同的諧波包絡實現定距。

圖5 差頻信號時頻圖及距離包絡Fig.5 Time frequency diagram and range envelope of differential frequency signal

峰值旁瓣比(peak-to-side lobe ratio, PSLR)是衡量無線電信號抗干擾能力的一項重要指標,其數值越小,表示抗干擾性能越好。為進一步進行抗干擾效果指標度量,接下來采用峰值旁瓣比,對在不同干信比條件下處理結果的抗干擾性能進行表征。

對不同K值掃頻干擾下峰值旁瓣進行仿真計算,結果如圖6所示。

圖6 不同相對斜率的掃頻干擾下峰值旁瓣比隨干信比變化的關系Fig.6 The relationship between peak sidelobe ratio and signal to interference ratio under sweep interference with different relative slopes

從圖6中可以看出：當掃頻干擾發生時,隨著干信比的增加,不同相對斜率的掃頻干擾下的峰值旁瓣比均明顯下降;當干信比一定時,相對斜率越大,峰值旁瓣比越小,干擾效果越好;當相對斜率一定時,為達到相同的干擾效果,相對斜率越小,所需干信比越大,與前文分析一致。進一步進行歸零處理,結果如圖7所示。

圖7 干擾樣本歸零后回波信號時域波形Fig.7 Time domain waveform of echo signal after the interference sample returns to zero

由圖7可知,通過本文處理方法,能夠有效剔除差頻信號中的受干擾部分,極大降低了掃頻干擾帶來的不利影響。為了與未進行干擾抑制的結果進行對比,進一步獲取處理后差頻信號交會過程時頻及距離維包絡,所得結果如圖8所示。

圖8 處理后差頻信號時頻圖及距離包絡Fig.8 Time frequency diagram and range envelope of processed differential frequency signal

對比圖5和圖8可知,通過本文方法的處理,差頻信號交會過程時頻及距離維包絡均得到了明顯的改善。此外,從圖8中可以看出,對于單幀處理數據而言,歸零處理會造成有效數據的減少,導致目標信號的能量降低,本質上相當于降低了發射信號的有效帶寬,因此會導致距離分辨率的下降,結合實際的炸點散布精度要求,歸零操作已無法滿足要求,需進一步結合其他手段。

4 結論

本文提出一種基于異值歸零的調頻引信抗掃頻干擾方法。首先通過分析調頻掃頻干擾下線性調頻引信的失效原理,指出干擾有效部分與相對斜率及濾波器帶寬有關,并在時域表現為幅度較大的異常樣本,通過異值檢測與樣本歸零的方法能有效降低干擾效果,改善距離包絡的峰值旁瓣比。主要結論：1) 當低通濾波器帶寬與干信比一定時,干擾信號與目標信號越相似,干擾樣本比例越大,干擾效果越好;2) 基于拉依達異值檢測方法能準確定位受干擾樣本位置,結合樣本歸零的處理方法能有效降低干擾效果,保證引信定距精度。